FR3094680A1 - Vehicule automobile comprenant un circuit d’alimentation electrique a double accumulateur au lithium - Google Patents

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Abstract

Véhicule automobile comprenant un moteur thermique et un circuit d’alimentation électrique (10) comportant :au moins un organe consommateur d’énergie électrique (14) ; un démarreur (16) pour démarrer le moteur ; un accumulateur de puissance (20) au lithium configuré pour fournir au démarreur (16) une quantité d’énergie électrique permettant le démarrage du moteur, un accumulateur d’énergie (22) au lithium configuré pour alimenter en énergie électrique ledit au moins un organe consommateur d’énergie électrique (14),dans lequel ledit au moins un organe consommateur d’énergie électrique (14), l’alternateur (18), le démarreur(16), l’accumulateur de puissance (20) et l’accumulateur d’énergie (22) sont reliés électriquement en parallèle les uns par rapport aux autres. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

VEHICULE AUTOMOBILE COMPRENANT UN CIRCUIT D’ALIMENTATION ELECTRIQUE A DOUBLE ACCUMULATEUR AU LITHIUM
La présente invention concerne un véhicule automobile comprenant un circuit d’alimentation électrique à double accumulateur au lithium. La présente invention concerne également un procédé de pilotage d’un tel circuit d’alimentation électrique.
Depuis près d’un siècle, l’ensemble des véhicules automobiles sont équipés d’une batterie (appelé autrement accumulateur) au plomb. L’évolution des technologies et des contraintes réglementaires tend aujourd’hui au remplacement des batteries au plomb par des systèmes alternatifs. Cependant, ce remplacement n’est pas simple à opérer car la batterie au plomb présente des caractéristiques techniques adaptées à l’application à un véhicule automobile tout en ayant un coût limité.
Entre autres, les batteries au plomb présentent deux qualités fondamentales : la puissance à froid et la réserve d’énergie pour compenser les courants en veille (autrement appelés « courants off ») lorsque le véhicule est en stationnement longue durée.
La puissance d’une batterie, exprimée en Ampère-heure (A.h), est la capacité d’une batterie à délivrer une quantité d'électricité prédéterminée. Dans le contexte automobile, la batterie doit garantir le démarrage du moteur thermique à froid après un parking prolongé, i.e. après une décharge partielle de la batterie. Très classiquement, une batterie au plomb peut parfaitement démarrer un moteur à -20°C ou -30°C après une durée de parking de 1 ou 2 mois. Son état de charge (autrement appelé « SOC ») est encore supérieur à 60% et 20 à 30% de sa capacité a été déchargée par les « courants off ».
La réserve d’énergie, ou densité massique ou énergie spécifique, exprimée en watt-heure par kilogramme (W.h/kg), correspond à la quantité d'énergie que la batterie peut restituer par rapport à sa masse.
En outre, une batterie au plomb résiste bien aux conditions difficiles présentes sous un capot moteur d’un véhicule où la température peut atteindre 80°C et où la batterie peut rester plusieurs heures par jour à plus de 60°C. Cet environnement « chaud » a un impact non négligeable sur son vieillissement. Cependant, le faible coût des batteries au plomb permet de la changer régulièrement (tous les 5 ans en moyenne en Europe) comme toutes pièces d’usure du véhicule. Par ailleurs, le taux de recyclabilité d’une batterie plomb est très élevé (>95%) et elle peut être convertie en batteries neuves.
Il est à noter que cette aptitude à résister aux températures élevées permet de disposer la batterie au plomb proche du moteur thermique et donc de l’alternateur et du démarreur. Ainsi, les câbles de connexion de la batterie au plomb sont courts et les pertes résistives faibles.
De nombreuses solutions existent pour suppléer la batterie au plomb mais uniquement durant certaines phases de fonctionnement du véhicule automobile de sorte que toutes ces solutions comportent une batterie au plomb accompagnée d’une batterie supplémentaire de technologie différente. A titre d’exemple, le document WO 2017163959 A1 décrit un circuit d’alimentation électrique comprenant deux batteries en parallèle pour un système micro-hybride. Le circuit d’alimentation électrique comprend une batterie au plomb accompagnée d’une batterie au lithium pour assurer la récupération d’énergie en freinage. On comprend qu’un tel système comportant une batterie au plomb risque à terme de ne plus satisfaire aux contraintes réglementaires.
Il existe donc un besoin pour un véhicule automobile comprenant un système d’alimentation en énergie électrique permettant de suppléer totalement une batterie au plomb.
Pour cela, l’invention propose un véhicule automobile comprenant un moteur et un circuit d’alimentation électrique comportant :
au moins un organe consommateur d’énergie électrique ;
un démarreur pour démarrer le moteur ;
un accumulateur de puissance au lithium configuré pour fournir au démarreur une quantité d’énergie électrique permettant le démarrage du moteur,
un accumulateur d’énergie au lithium configuré pour alimenter en énergie électrique ledit au moins un organe consommateur d’énergie électrique,
dans lequel ledit au moins un organe consommateur d’énergie électrique, l’alternateur, le démarreur, l’accumulateur de puissance et l’accumulateur d’énergie sont reliés électriquement en parallèle les uns par rapport aux autres.
L’association de deux accumulateurs (ou batteries) au lithium chacun dédié à une fonction spécifique permet de s’adapter plus efficacement aux contraintes et attentes du circuit d’alimentation électrique du véhicule automobile. Les deux accumulateurs au lithium peuvent par exemple être de technologies différentes, à des emplacements différents dans le véhicule automobile et/ou être pilotés différemment.
Plus particulièrement, l’un des accumulateurs, dit de « puissance » est configuré pour délivrer une quantité d'électricité prédéterminée permettant le démarrage du moteur. L’autre accumulateur, dit « d’énergie », est configuré pour alimenter en énergie électrique ledit au moins un organe consommateur d’énergie électrique et compenser les « courant off » lorsque le véhicule automobile est en parking longue durée.
Cette configuration à double accumulateur au lithium permet d’obtenir un système complémentaire d’accumulateurs présentant des caractéristiques techniques équivalentes voire meilleures qu’un accumulateur au plomb. De plus, cette configuration permet une grande flexibilité dans le choix de la quantité d’énergie embarquée dans le véhicule automobile sans contraintes excessives d’implantation, contrairement aux accumulateurs au plomb pour lesquels ce problème est récurrent.
Selon un mode de réalisation du véhicule automobile, l’accumulateur de puissance et l’accumulateur d’énergie ont des électrodes négatives de compositions différentes l’une de l’autre.
Selon un mode de réalisation du véhicule automobile, l’accumulateur de puissance comporte une anode comprenant du Lithium-Titanate et/ou l’accumulateur d’énergie comporte une anode comprenant graphite.
Selon un mode de réalisation du véhicule automobile, l’accumulateur de puissance est disposé au niveau d’une zone chaude du véhicule automobile et l’accumulateur d’énergie est disposé au niveau d’une zone froide du véhicule automobile.
Selon un mode de réalisation du véhicule automobile, l’accumulateur de puissance est disposé à proximité du moteur, l’accumulateur d’énergie étant disposé à l’intérieur de l’habitacle du véhicule automobile.
Selon un mode de réalisation du véhicule automobile, l’accumulateur de puissance, l’accumulateur d’énergie et le démarreur sont chacun disposés sur une branche du circuit d’alimentation électrique, chaque branche étant montée en parallèle par rapport aux autres et comportant un relai sélectivement actionnable pour connecter électriquement l’accumulateur de puissance, l’accumulateur d’énergie ou le démarreur présent sur la branche au reste du circuit d’alimentation électrique.
Selon un mode de réalisation du véhicule automobile, le circuit d’alimentation électrique définit un premier sous-circuit comprenant l’accumulateur de puissance, le démarreur et l’alternateur, et un deuxième sous-circuit comprenant l’accumulateur d’énergie et ledit au moins un organe consommateur d’énergie électrique, le circuit d’alimentation électrique comprenant en outre un relai de séparation configuré pour permettre la connexion sélective des premier et deuxième sous-circuits entre eux.
Selon un mode de réalisation du véhicule automobile, le circuit d’alimentation électrique comprend en outre :
un organe de chauffage de l’accumulateur d’énergie monté en parallèle par rapport l’accumulateur d’énergie, et
un relai additionnel sélectivement actionnable pour connecter électriquement l’organe de chauffage et le reste du circuit d’alimentation électrique.
Selon un mode de réalisation du véhicule automobile, l’organe de chauffage s’étend au moins partiellement à l’intérieur de l’accumulateur d’énergie.
L’invention concerne également un procédé de pilotage d’un circuit d’alimentation électrique pour un véhicule automobile tel que décrit ci-avant, le circuit d’alimentation électrique comprenant en outre un alternateur pour générer de l’énergie électrique à partir du moteur, l’alternateur étant monté sur une branche parallèle aux autres branches du circuit d’alimentation électrique, comprenant au moins l’une parmi les étapes suivantes :
lorsque le moteur est éteint en phase de stationnement du véhicule automobile , commander les relais de manière à connecter électriquement l’accumulateur d’énergie audit au moins un organe consommateur d’énergie électrique et à déconnecter électriquement l’accumulateur de puissance et le démarreur du reste du circuit d’alimentation,
pour le démarrage du moteur, commander les relais de manière à connecter électriquement l’accumulateur de puissance au démarreur et à déconnecter électriquement l’accumulateur d’énergie du reste du circuit d’alimentation,
pour la réalisation d’un fonctionnement micro-hybride dans lequel l’accumulateur de puissance récupère de l’énergie électrique lors d’un freinage du véhicule automobile et distribue de l’énergie électrique lors d’une accélération du véhicule automobile, commander les relais de manière à déconnecter électriquement l’accumulateur d’énergie et le démarreur du reste du circuit d’alimentation et commander les relais de manière à connecter électriquement l’alternateur à l’accumulateur de puissance.
Les dessins annexés illustrent l’invention :
représente un premier mode de réalisation d’un circuit d’alimentation électrique pour un véhicule automobile comprenant un accumulateur de puissance au lithium et un accumulateur d’énergie au lithium.
représente un schéma d’implantation du premier mode de réalisation du circuit d’alimentation électrique de la figure 1 dans le véhicule automobile.
représente un exemple d’évolution de l’état de charge ou « SOC » des accumulateurs de puissance et d’énergie en fonction de leur tension à courant nul ou « OCV ».
représente l’état de charge ou « SOC » des accumulateurs de puissance et d’énergie en fonction de leur tension à courant nul ou « OCV » au moment d’une phase de parking ou stationnement du véhicule automobile.
représente l’état du circuit d’alimentation électrique au moment d’une phase de parking ou stationnement du véhicule automobile.
représente l’état de charge ou « SOC » des accumulateurs de puissance et d’énergie en fonction de leur tension à courant nul ou « OCV » au moment d’une phase de démarrage du moteur.
représente l’état du circuit d’alimentation électrique au moment d’une phase de démarrage du moteur.
représente l’évolution de l’état de charge pour un démarrage à froid ou « SOCminDem » en fonction de la température au moment d’une phase de recharge de l’accumulateur de puissance.
représente l’état de charge ou « SOC » des accumulateurs de puissance et d’énergie en fonction de leur tension à courant nul ou « OCV » au moment d’une phase de recharge de l’accumulateur de puissance.
représente l’état du circuit d’alimentation électrique au moment d’une phase de recharge de l’accumulateur de puissance.
représente l’état de charge ou « SOC » des accumulateurs de puissance et d’énergie en fonction de leur tension à courant nul ou « OCV » au moment d’une phase de basculement de la charge de l’accumulateur de puissance vers la charge de l’accumulateur d’énergie.
représente l’état du circuit d’alimentation électrique au moment d’une phase de basculement de la charge de l’accumulateur de puissance vers la charge de l’accumulateur d’énergie.
représente l’état de charge ou « SOC » des accumulateurs de puissance et d’énergie en fonction de leur tension à courant nul ou « OCV » au moment d’une phase de recharge de l’accumulateur d’énergie.
représente l’état du circuit d’alimentation électrique au moment d’une phase de recharge de l’accumulateur d’énergie.
représente un exemple de lois permettant de déterminer le courant de charge de l’accumulateur d’énergie en fonction de son état de charge et de sa température.
représente l’état de charge ou « SOC » des accumulateurs de puissance et d’énergie en fonction de leur tension à courant nul ou « OCV » au moment d’une phase de basculement de la charge de l’accumulateur d’énergie vers les fonctions micro-hybrides et « start and stop ».
représente l’état du circuit d’alimentation électrique au moment d’une phase de basculement de la charge de l’accumulateur d’énergie vers les fonctions micro-hybrides et « start and stop ».
représente l’état de charge ou « SOC » des accumulateurs de puissance et d’énergie en fonction de leur tension à courant nul ou « OCV » au moment d’une phase d’alimentation des fonctions micro-hybrides et de la fonction « start and stop ».
représente l’état du circuit d’alimentation électrique au moment d’une phase d’alimentation des fonctions micro-hybrides et de la fonction « start and stop ».
représente un deuxième mode de réalisation du circuit d’alimentation électrique comprenant un relai de séparation.
représente l’influence de la température sur l’aptitude d’un accumulateur lithium d’énergie à soutenir un courant de décharge de 1C pour un troisième mode de réalisation du circuit d’alimentation électrique comprenant un organe de chauffage de l’accumulateur d’énergie.
représente l’état du troisième mode de réalisation du circuit d’alimentation électrique au moment d’une phase de parking ou stationnement du véhicule automobile.
représente l’état du troisième mode de réalisation du circuit d’alimentation électrique au moment d’une phase de démarrage du moteur.
représente l’état du troisième mode de réalisation du circuit d’alimentation électrique au moment d’une phase de démarrage du moteur si l’accumulateur d’énergie a une température inférieure à 0°C.
représente schématiquement une vue de face en coupe et une vue de côté en coupe d’un mode de réalisation d’accumulateur d’énergie avec un organe de chauffage intégré.
Description de mode(s) de réalisation
Tel que représenté à la figure 1, un circuit d’alimentation électrique 10 est proposé pour l’alimentation électrique d’un véhicule automobile 12 comprenant un moteur 11 thermique permettant l’entrainement du véhicule automobile 12. Le circuit d’alimentation électrique 10 est un réseau basse tension, notamment inférieure à 20V. Le véhicule automobile 12 est en particulier un véhicule micro-hybride ayant une fonction « Start-and-Stop » (appelée aussi démarrage-arrêt automatique). Cette fonction permet de couper automatiquement le moteur lors des arrêts et de le relancer automatiquement dès que le conducteur redémarre. Les fonctions micro-hybrides correspondent à une récupération d’énergie électrique par un accumulateur du circuit d’énergie électrique lors d’un freinage du véhicule automobile 12 et une distribution d’énergie électrique lors d’une accélération du véhicule automobile 12.
Le circuit d’alimentation électrique 10 comprend au moins un organe consommateur d’énergie électrique 14. De manière usuelle et préférée, le véhicule automobile 12 comprend une pluralité d’organes consommateurs d’énergie électrique 14. Les organes consommateurs d’énergie électrique 14 correspondent aux systèmes embarqués dans le véhicule automobile 12 demandant une alimentation en énergie électrique pour fonctionner. A titre d’exemple, la direction assistée est un organe consommateur d’énergie électrique 14 au sens de la présente invention. Lorsque le circuit d’alimentation électrique 10 comprend une pluralité d’organes consommateurs d’énergie électrique 14, ceux-ci sont connectés en parallèle les uns par rapport aux autres.
Le circuit d’alimentation électrique 10 comprend également un démarreur 16 et un alternateur 18. Le démarreur 16 permet, une fois alimenté en énergie électrique, de démarrer le moteur 11 lorsque celui-ci est arrêté. L’alternateur 18 permet de générer de l’énergie électrique lorsque le véhicule automobile 12 est en mouvement pour le rechargement d’un accumulateur. Le démarreur 16 et l’alternateur 18 sont disposés en parallèle l’un par rapport à l’autre et également par rapport audit au moins un organe consommateur d’énergie électrique 14. En d’autres termes, le démarreur 16, l’alternateur 18 et ledit au moins un organe consommateur d’énergie électrique 14 sont disposés sur des branches parallèles du circuit d’alimentation électrique 10.
Le circuit d’alimentation comprend en outre un accumulateur de puissance 20 et un accumulateur d’énergie 22. Les accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22 sont disposés en parallèle l’un par rapport à l’autre et en parallèle par rapport aux autres composants du circuit d’alimentation électrique 10.
L’accumulateur de puissance 20 est configuré pour fournir au démarreur une quantité d’énergie électrique permettant le démarrage du moteur 11. En d’autres termes, l’accumulateur de puissance 20 est choisi et dimensionné pour servir au démarrage du moteur 11 tant après une phase de parking que pour une fonction de « start and stop », i.e. un redémarrage automatique du moteur 11 pendant une phase d’usage du véhicule automobile 12.
L’accumulateur d’énergie 22 est configuré pour alimenter en énergie électrique ledit au moins un organe consommateur d’énergie électrique 14. En d’autres termes, l’accumulateur d’énergie 22 est choisi et dimensionné pour alimenter les organes consommateurs d’énergie électrique 14 lors d’une phase de roulage du véhicule automobile 12 ou les courants « off » en phase de parking. Les « courants off » sont de l’ordre de quelques mA. Pour des raisons de sécurité de l’alimentation électrique en cas de dysfonctionnement de l’alternateur ou d’un convertisseur ou de l’accumulateur de puissance 20, l’accumulateur d’énergie 22 doit également pouvoir ponctuellement assurer un minimum de fonctions de puissance. Le choix de la technologie de l’accumulateur d’énergie 22 respecte donc de préférence cette exigence. Cette redondance de source d’énergie permet de sécuriser le véhicule automobile 12.
L’accumulateur de puissance 20 et l’accumulateur d’énergie 22 sont des accumulateurs au lithium. On entend par accumulateur au lithium un accumulateur électrochimique dont la réaction est fondée sur l’élément lithium. En particulier, les accumulateurs lithium sont ici de préférence des accumulateurs appelés « lithium-ion » où le lithium reste à l'état ionique grâce à l'utilisation d'un composé d'insertion aussi bien à l'électrode négative (par exemple en graphite ou en titanate) qu'à l'électrode positive (par exemple dioxyde de cobalt, manganèse, phosphate de fer). Cette technologie « lithium-ion » est avantageuse car elle présente une énergie massique importante et le phénomène d’« auto-décharge » est relativement faible en comparaison à d’autres technologies d’accumulateurs. De plus, la grande variété de combinaisons possibles entre les électrodes négatives et positives permet une grande flexibilité de fonctionnement.
Pour obtenir une complémentarité de fonctionnement entre les accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22, ceux-ci sont de préférence de technologies lithium différentes. En d’autres termes, les électrodes positives et/ou négatives des accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22 ont des compositions différentes l’une de l’autre.
L’accumulateur de puissance 20 comporte de préférence une électrode négative composée de titanate (autrement appelée électrode « LTO » ou « Lithium-Titanate »). Il a été observé qu’une électrode négative composée de titanate permet de supporter, pour des durées relativement courtes, de forts courants en charge comme en décharge, c’est-à-dire de développer une forte densité de puissance. Un accumulateur lithium à électrode négative composée de titanate est donc adapté au démarrage du moteur 11. De plus, un tel accumulateur présente une bonne résistance aux hautes températures, il peut donc être disposé proche du moteur 11. Dans la présente demande, on utilise indifféremment les termes « accumulateur de puissance » et « accumulateur à forte densité de puissance ».
L’accumulateur d’énergie 22 comporte de préférence une électrode négative composée de graphite. Il a été observé qu’une électrode négative composée de graphite permet de fournir des courants faibles à moyens pour des durées relativement longues, c’est-à-dire de développer une forte densité d’énergie. Un accumulateur lithium à électrode négative composée de graphite est donc adapté à l’alimentation électrique des organes consommateurs d’énergie électrique 14 du véhicule automobile 12. De plus, le coût d’un tel accumulateur est très raisonnable, notamment bien moindre que le coût d’un accumulateur à électrode négative composée de titanate. Dans la présente demande, on utilise indifféremment les termes « accumulateur d’énergie » et « accumulateur à forte densité d’énergie ».
L’association d’un accumulateur lithium à électrode négative titanate pour les fonctions de puissance et d’un accumulateur lithium à électrode négative graphite pour les fonctions d’énergie permet de satisfaire l’ensemble des besoins en alimentation électrique du véhicule automobile 12. Dès lors, cette combinaison d’accumulateurs permet de suppléer une batterie au plomb.
Tel que représenté en figure 2, l’accumulateur de puissance 20 est de préférence disposé à proximité du moteur 11, en particulier sous le capot moteur. Cette disposition proche du moteur 11, du démarreur 16 et de l’alternateur 18 permet de limiter la longueur des câbles de connexion et donc les pertes résistives. Compte-tenu de la chaleur dégagée par le moteur 11 en utilisation du véhicule automobile 12, la zone sous le capot moteur est dite « zone chaude » 24. La température à proximité du moteur 11 peut atteindre 80°C et peut rester plusieurs heures à 60°C. En comparaison, l’habitacle 28 du véhicule automobile 12 est considéré comme une « zone froide » 26. L’utilisation d’un accumulateur de puissance 20 au lithium à électrode négative composé de titanate permet une installation de l’accumulateur de puissance 20 dans des zones à fortes températures, notamment supérieures à 60°C. Les câbles reliant l’accumulateur de puissance 20 au démarreur 16 et à l’alternateur 18 sont de préférence de grande section, i.e. ayant une section plus importante que la section des câbles reliant l’accumulateur d’énergie 22 au reste du circuit d’alimentation électrique 10. L’implantation de l’accumulateur de puissance 20 au niveau du moteur 11 est préférée car il supportera aisément les températures élevées de sorte que sa durée de vie pourra même égaler la durée de vie du véhicule automobile 12. Ainsi, les contraintes d’implantation dans le compartiment moteur sont fortement diminuées car l’accumulateur disposé dans le compartiment moteur n’est plus une pièce d’usure et donc n’aura plus besoin d’être facilement accessible. En effet, l’accumulateur au plomb nécessite plusieurs remplacements durant la durée de vie du véhicule automobile ce qui implique que son accès doit être simplifié.
L’accumulateur d’énergie 22 est de préférence disposé au niveau d’une « zone froide », en comparaison à la zone sous capot moteur qui est considérée comme une « zone chaude ». En effet, les performances des accumulateurs à électrode négative composée de graphite sont réduites au-dessous de 10°C et des températures élevées (notamment supérieures à 50°C) entrainent une dégradation prématurée de l’accumulateur. Dès lors, l’accumulateur d’énergie 22 est de préférence disposé à l’intérieur de l’habitacle 28 du véhicule automobile 12 de manière à garantir des performances de fonctionnement optimums. De manière encore préférée, l’accumulateur d’énergie 22 est disposé à l’intérieur du coffre du véhicule automobile 12, par exemple au niveau de l’emplacement d’une roue de secours. Cet emplacement permet de ne pas soumettre l’accumulateur d’énergie 22 à des températures et un niveau d’ensoleillement néfastes à sa durée de vie. De plus, l’emplacement dans le coffre permet de faciliter la maintenance et/ou le remplacement de l’accumulateur d’énergie 22.
La disposition de l’un seul des accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22 au niveau du compartiment moteur permet une standardisation de l’implantation du compartiment moteur car le volume alloué à l’accumulateur sera toujours le même quel que soit le niveau d’équipement du véhicule automobile 12.
L’électrode positive de chacun des accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22 peut être choisie parmi différents types d’électrodes, telles que les électrodes lithium-manganèse-cobalt (appelée « NMC », lithium-fer-phosphate (appelée « LFP »), lithium-manganèse-spinelle (appelée « LMO ») ou encore lithium-dioxyde de cobalt (appelée « LCO »). Chaque type d’électrode positive présente des performances électriques, une durée de vie et un coût qui lui est propre. Dans ce cadre, la tension intrinsèque ou tension à courant nul (appelé « OCV » pour Open Circuit Voltage en anglais) d’une technologie lithium en fonction de l’état de charge (appelé « SOC » pour State Of Charge en anglais) est également singulière. De plus, la tension moyenne d’une cellule d’accumulateur comprenant un couple d’électrodes positive et négative est très dépendante de la technologie de l’électrode négative. Le couple d’électrodes le plus adapté correspond donc aux conditions dans lesquelles les accumulateurs sont utilisés.
Dans le cas d’un véhicule automobile, la plage de tension utilisée est cadrée par deux contraintes : la limite basse correspond à la tension que peut supporter le réseau électrique sans que les fonctions soient dégradées et la limite haute qui est ajustée uniquement pour la recharge du ou des accumulateurs. De manière usuelle, ces limites basse et haute sont fixées en fonction d’un accumulateur au plomb. La limite basse est de l’ordre de 10 à 11 V et la limite haute de l’ordre de 15 à 16 V. Pour limiter les coûts d’une modification de cette plage de tension, les accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22 sont de préférence configurés pour fonctionner dans cette plage de tension. Pour cela, l’accumulateur de puissance 20 comporte de préférence une électrode négative « LTO » (Lithium-Titanate) associée avec une électrode positive « LMO » (lithium-manganèse-spinelle). L’accumulateur d’énergie 22 comporte de préférence une électrode négative composée de graphite associée avec une électrode positive « LMO » (lithium-manganèse-spinelle).
De plus, le nombre de cellules à l’intérieur des accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22 est choisi de manière à optimiser le pilotage de ceux-ci et le fonctionnement du circuit d’alimentation électrique 10. Le nombre de cellules est de préférence limité au maximum pour l’intérêt économique et la réduction de la résistance interne des accumulateurs. Il a été observé qu’un nombre de cinq cellules connectées en série pour l’accumulateur de puissance 20 et trois cellules connectées en série pour l’accumulateur d’énergie 22 était la configuration optimum. Les accumulateurs lithium d’énergie comportent généralement quatre cellules. Le pilotage et les technologies choisis pour les accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22 permettent donc d’économiser 25% du coût de l’accumulateur d’énergie 22.
Les cellules des accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22 sont de préférence des cellules réformées provenant des accumulateurs d’énergie de véhicules électriques.
La capacité de l’accumulateur de puissance 20 est de préférence choisie de manière à être inférieure ou égale à 15Ah, de manière préférée inférieure ou égale à 10Ah La capacité de l’accumulateur d’énergie 22 est de préférence choisie de manière à être égale à 30Ah pour permettre de fournir l’énergie électrique nécessaire à la phase de parking.
Les organes consommateurs d’énergie électrique 14 sont de préférence disposés entre les accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22. Les organes consommateurs d’énergie électrique 14 sont alimentés indifféremment par l’alternateur 18 ou l’un des deux accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22.
Pour permettre aux accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22 d’être utilisés en remplacement d’une batterie au plomb dans le véhicule automobile 12, le circuit d’alimentation électrique comprend de préférence un premier relai A, un deuxième relai B et un troisième relai C permettant respectivement la connexion sélective de l’accumulateur de puissance 20, de l’accumulateur d’énergie 22 et du démarreur 16 au reste du circuit d’alimentation électrique 10. Pour cela, les premier A, deuxième B et troisième C relais sont disposés entre l’accumulateur de puissance 20, l’accumulateur d’énergie 22 et le démarreur 16, respectivement, et le reste du circuit d’alimentation électrique 10. L’ouverture des premier A, deuxième B et troisième C relais permet la déconnexion de l’accumulateur de puissance 20, de l’accumulateur d’énergie 22 ou du démarreur 16, respectivement. Ainsi, dit d’une manière différente, les premier A et deuxième B relais permettent de mettre en service l’un ou l’autre des accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22.
Les premier A et deuxième B relais sont représentés à l’extérieur des accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22 pour plus de clarté. De manière préférée, le premier relai A est intégré directement à l’accumulateur de puissance 20 et le deuxième relai B est intégré directement à l’accumulateur d’énergie 22 pour assurer la sécurité des accumulateurs. Le troisième relai C correspond à un relai de commande du démarreur 16.
Le circuit d’alimentation électrique 10 comprend en outre un calculateur 30 permettant de commander l’ouverture ou la fermeture des premier A, deuxième B et troisième C relais et de piloter la tension de l’alternateur 18. Le calculateur 30 (autrement appelé Energy management en anglais) est configuré pour recevoir les informations de tension, de courant, de température et d’état de charge de chacun des accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22. Le calculateur 30 est configuré pour mettre en œuvre des stratégies permettant aux accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22 de technologies et de domaines de tension différents de pouvoir fonctionner ensemble. Ces stratégies de pilotage sont présentées ci-après dans certaines phases caractéristiques du fonctionnement du véhicule automobile 12.
Le pilotage des accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 20 est réalisé notamment en fonction d’une courbe caractéristique représentant l’état de charge de l’accumulateur considéré (autrement appelée « SOC » pour State Of Charge en anglais) en fonction de sa tension à courant nul (autrement appelé « OCV » pour Open-Circuit Voltage en anglais). La figure 3 représente une première courbe 32 représentant le SOC en fonction de l’OCV pour l’accumulateur de puissance 20 et une deuxième courbe 34 représentant le SOC en fonction de l’OCV pour l’accumulateur d’énergie 22. Une troisième courbe 36 représente la tension minimale du circuit d’alimentation électrique 10 pour que les fonctions vitales du véhicule automobile fonctionnent, par exemple la direction assistée. Cette tension minimale est ici de 10,5V dans l’exemple présenté.
Tel que visible sur la figure 3, la tension de l’accumulateur d’énergie 22 est très inférieure à celle de l’accumulateur de puissance 20. Ceci est parfaitement adapté aux fonctions demandées aux accumulateurs dans le circuit d’alimentation électrique. L’accumulateur d’énergie 22 est configuré pour alimenter les « courants off » du véhicule automobile lorsque celui-ci est garé, ces courants étant de l’ordre de 10 à 20 mA, les pertes ohmiques dans les câbles sont très faibles et donc la tension générale du circuit d’alimentation électrique 10 reste toujours très au-dessus de la tension minimale exigée. A contrario, l’accumulateur de puissance 20 est configuré pour subir de forts courants de décharge lors des démarrages ou du fonctionnement micro-hybride et il est adapté que sa tension à courant nul ou « OCV » soit plus élevée.
Les accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22 sont configurés pour être utilisés indépendamment, i.e. ne pas être connectés ensemble simultanément au reste du circuit d’alimentation électrique 10. En effet, compte-tenu de leur caractéristiques techniques, l’accumulateur de puissance 20 se déchargerait dans l’accumulateur d’énergie 22 ou lui imposerait une tension trop forte risquant de l’endommager si une connexion simultanée venait être effectuée. Cette connexion sélective est réalisée par la commande des premier A et deuxième B relais.
Le pilotage du circuit d’alimentation électrique 10 est présenté ci-après en correspondance avec les figures 4 à 20. Pour plus de clarté, ce pilotage est décrit en lien avec les différentes phases de vie du véhicule automobile, associées à la gestion respective des accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22. Pour plus de simplicité les tensions de chaque accumulateur seront représentées par sa tension à courant nul ou « OCV ». Un homme du métier comprendra bien sûr que sous courant, elles seraient différentes, s’y ajouteraient ou s’y soustrairaient les pertes ohmiques.
Les figures 4 et 5 représentent l’état de charge ou « SOC » des accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22 en fonction de leur tension à courant nul ou « OCV » ainsi que l’état du circuit d’alimentation électrique au moment d’une phase de parking ou stationnement du véhicule automobile 12. Le moteur est éteint.
Le deuxième B relai est commandé de manière à connecter électriquement l’accumulateur d’énergie 22 audit au moins un organe consommateur 14. Les premier A et troisième C relais sont commandés de manière à déconnecter électriquement l’accumulateur de puissance 20 et le démarreur 16 du reste du circuit d’alimentation électrique 10. Les premier A et troisième C relais sont donc ouverts et le deuxième relai B est fermé.
L’accumulateur d’énergie 22 assure les courants de l’ordre du milliampère. L’état de charge de l’accumulateur de puissance 20 est préservé au-dessus de celui requis pour assurer l’état de charge requis pour un démarrage à froid (appelée « SOCminDem ») et n’évoluera pas car elle n’alimente pas le véhicule automobile en parking.
Si l’état de charge de l’accumulateur d’énergie 22 atteint son minimum « SOCmin STO », alors le deuxième relai B s’ouvre pour préserver l’état de santé de l’accumulateur d’énergie 22, les courants de l’ordre du milliampère ne sont plus assurés. Un mode dégradé permet de fermer le premier relai A à partir des cellules de l’accumulateur de puissance 20 puis de fermer le troisième relai C avec la même source d’énergie et de démarrer.
L’état de charge ou « SOC » des accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22 durant la phase de parking est représenté respectivement pour les curseurs 40 et 42 sur la figure 4.
Les figures 6 et 7 représentent l’état de charge ou « SOC » des accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22 en fonction de leur tension à courant nul ou « OCV » ainsi que l’état du circuit d’alimentation électrique au moment d’une phase de démarrage du moteur 11.
Pour le démarrage du moteur 11, le premier A relai est commandé de manière à connecter électriquement l’accumulateur de puissance 20 au reste du circuit d’alimentation électrique 10. Le deuxième relai B est commandé de manière à déconnecter électriquement l’accumulateur d’énergie 22 du reste du circuit d’alimentation électrique 10. L’ouverture du deuxième relai B est décalée par rapport à la fermeture du premier relai A avec une temporisation pour éviter tout transfert d’énergie de l’accumulateur de puissance 20 vers l’accumulateur d’énergie 22. Cette temporisation est de préférence inférieure à 1s, de préférence inférieure à 50ms. Le troisième relai C est ensuite commandé de manière à connecter électriquement l’accumulateur de puissance 20 au démarreur 16 pour assurer le lancement en rotation du moteur 11. Le troisième relai C est ouvert après démarrage du moteur 11.
L’état de charge ou « SOC » des accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22 durant la phase de démarrage est représenté respectivement pour les curseurs 40 et 42 sur la figure 6.
Les figures 8 à 10 représentent l’évolution de l’état de charge pour un démarrage à froid ou « SOCminDem » en fonction de la température, l’état de charge ou « SOC » des accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22 en fonction de leur tension à courant nul ou « OCV » ainsi que l’état du circuit d’alimentation électrique au moment d’une phase de recharge de l’accumulateur de puissance 20.
Après le démarrage du moteur 11, il est important de régénérer la capabilité de démarrage de l’accumulateur de puissance 20 tout en protégeant l’accumulateur d’énergie 22 d’une surtension.
Le deuxième relai B est commandé pour rester ouvert de manière à déconnecter l’accumulateur d’énergie 22 du reste du circuit d’alimentation électrique 10. La tension de l’alternateur 18 « VALT » est donc ajustée à une valeur haute, i.e. supérieure ou égale à la tension à courant nul ou « OCV » de l’accumulateur de puissance 20, pour alimenter le réseau et en même temps pour recharger l’accumulateur de puissance 20. Lorsque l’état de charge ou « SOC » de l’accumulateur de puissance 20 atteint une valeur prédéterminée d’état de charge pour un démarrage à froid « SOCminDem », la tension alternateur « VALT » est réduite et les courants de charge en seront eux aussi diminués.
La valeur prédéterminée d’état de charge pour un démarrage à froid « SOCminDem » est déterminée en fonction de la température extérieure au véhicule automobile 12. La figure 8 montre une courbe représentant l’évolution de l’état de charge ou « SOC » en fonction de la température de la température de l’accumulateur de puissance 20 permettant de réaliser cette détermination.
Le pilotage de la recharge de l’accumulateur de puissance 20 peut être réalisé avec les étapes suivantes. La tension aux bornes de l’alternateur 18 est déterminée. Si la tension aux bornes de l’alternateur 18 est au-dessous d’un seuil de tension prédéterminé de recharge de l’accumulateur de puissance 20, la tension aux bornes de l’alternateur 18 est augmentée. Les deuxième B et troisième C relais sont ensuite commandés de manière à déconnecter électriquement l’accumulateur d’énergie 22 et le démarreur 16 du reste du circuit d’alimentation électrique 10. Le premier relai A est ensuite commandé de manière à connecter électriquement l’accumulateur de puissance 20 à l’alternateur 18.
Les figures 11 et 12 représentent l’état de charge ou « SOC » des accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22 en fonction de leur tension à courant nul ou « OCV » ainsi que l’état du circuit d’alimentation électrique au moment d’une phase de basculement de la charge de l’accumulateur de puissance 20 vers la charge de l’accumulateur d’énergie 22.
Lorsque l’état de charge ou « SOC » de l’accumulateur de puissance 20 est retrouvé, le calculateur 30 entreprend de préférence de recharger l’accumulateur d’énergie 22. Cette recharge permet de s’assurer que l’accumulateur d’énergie 22 est capable d’assurer l’alimentation des courants de l’ordre du milliampère et des « courants off » lors d’une potentielle phase de parking suivante.
Il est préférable de contrôler l’accostage ou la convergence des tensions de l’alternateur 18 « VALT », de l’accumulateur de puissance 20 « VLTO » et de l’accumulateur d’énergie 22 « VGRA ». Il est également préférable d’éviter de forts courants d’échange entre les deux accumulateurs ainsi qu’une une charge incontrôlée de l’accumulateur d’énergie 22. Pour cela, la tension de l’alternateur 18 « VALT » est réduite à une valeur située entre la tension de l’accumulateur d’énergie 22 « VGRA » et la tension de l’accumulateur de puissance 20 « VLTO ». Cette réduction est réalisée de préférence selon une pente non sensible pour le conducteur. La tension de l’alternateur 18 peut par exemple être réduite d’une valeur située entre 1 et 2 V/s pour que cette réduction ne soit pas ou peu perceptible par le conducteur.
Le deuxième relai B est commandé de manière à connecter électriquement l’accumulateur d’énergie 22 au reste du circuit d’alimentation électrique 20. Ensuite, le premier relai est commandé pour déconnecter électriquement l’accumulateur de puissance 20 du reste du circuit d’alimentation électrique 10. La commande du premier relai A est de préférence réalisée après une temporisation inférieure à 1s, de préférence inférieure à 50ms. La tension de l’alternateur 18 « VALT » gouverne alors les courants de charge de l’accumulateur d’énergie 22.
Les figures 13 et 14 représentent l’état de charge ou « SOC » des accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22 en fonction de leur tension à courant nul ou « OCV » ainsi que l’état du circuit d’alimentation électrique 10 au moment d’une phase de recharge de l’accumulateur d’énergie 22.
La vitesse de charge l’accumulateur d’énergie 22 est très dépendante de son état de charge ou « SOC » et de sa température. Ces données sont fournies au calculateur 30 par un système de commande (appelée « BMS » pour Battery Management System en anglais) intégré à l’accumulateur d’énergie. Un même système de commande est d’ailleurs présent dans l’accumulateur de puissance 20. La tension de l’alternateur « VALT » est donc pilotée par le calculateur 30 en fonction de l’état de charge ou « SOC » et de la température fournis par le système de commande de l’accumulateur d’énergie 22. La tension de l’alternateur 18 « VALT » est ainsi ajustée pour alimenter les organes consommateurs d’énergie électrique 18 du véhicule automobile 12 et pour également piloter finement le courant de charge l’accumulateur d’énergie 22. Ce pilotage est ainsi réalisé en fonction de lois Icharge = f(T°C; SOC%, VAcc), « Icharge » étant l’intensité du courant de charge de l’accumulateur d’énergie 22, « T°C » étant la température de l’accumulateur d’énergie 22, « SOC% » étant l’état de charge de l’accumulateur d’énergie 22 et « VAcc » étant la tension de l’accumulateur d’énergie 22. Le rechargement de de l’accumulateur d’énergie 22 est de préférence réalisé jusqu’à ce que son état de charge atteigne son maximum, idéalement 100%. Le fait de contrôler le courant de charge directement par la tension de l’alternateur 18 permet de s’affranchir des résistances de câblage et de leur vieillissement unique à chaque véhicule automobile ainsi que de la consommation du véhicule automobile.
La figure 15 présente un exemple de lois permettant de déterminer le courant de charge CHA de l’accumulateur d’énergie 22 en fonction de son état de charge et de sa température. Ce courant de charge est défini de manière à limiter les mécanismes de vieillissement accélérés comme le dépôt de lithium à l’anode. Il apparaît que le courant de charge admissible est considérablement réduit lorsque la température de l’accumulateur d’énergie 22 baisse et que l’état de charge augmente. En suivant ces lois, le calculateur 30 peut contrôler la tension de l’alternateur 18 pour que le courant de charge vu par le système de commande de l’accumulateur d’énergie 22 prenne la bonne valeur.
Le pilotage de la recharge de l’accumulateur d’énergie 22 peut être réalisé avec les étapes suivantes. La tension aux bornes de l’alternateur 18 est déterminée. Si la tension aux bornes de l’alternateur 18 est au-dessus d’un seuil de tension prédéterminé de recharge de l’accumulateur d’énergie 22, la tension aux bornes de l’alternateur 18 est réduite. Le deuxième relai B est ensuite commandé de manière à connecter électriquement l’accumulateur d’énergie à l’alternateur 18. Les premier A et troisième C relais sont ensuite commandés de manière à déconnecter électriquement l’accumulateur de puissance 20 du reste du circuit d’alimentation électrique 10.
Les figures 16 et 17 représentent l’état de charge ou « SOC » des accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22 en fonction de leur tension à courant nul ou « OCV » ainsi que l’état du circuit d’alimentation électrique 10 au moment d’une phase de basculement de la charge de l’accumulateur d’énergie 22 vers les fonctions micro-hybrides et « start and stop ». Les fonctions micro-hybride correspondent à une récupération d’énergie électrique par l’accumulateur de puissance 20 lors d’un freinage du véhicule automobile 12 et une distribution d’énergie électrique lors d’une accélération du véhicule automobile 12.
Une fois les états de charge « SOC% » des accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22 sont ajustés à leurs valeurs nominales, les tensions de l’alternateur 18 « VALT », de l’accumulateur de puissance 20 « VLTO » et de l’accumulateur d’énergie 22 « VGRA » sont pilotées pour permettre la reconnexion / déconnexion de chacun des éléments. Pour cela, la tension de l’alternateur 18 « VALT » est remontée pour prendre une valeur intermédiaire entre celles des accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22. L’ajustement de la tension de l’alternateur 18 « VALT » est de préférence réalisé selon une pente non sensible pour le conducteur. La tension de l’alternateur 18 peut par exemple être réduite d’une valeur située entre 1 et 2 V/s pour que cette réduction ne soit pas ou peu perceptible par le conducteur.
Le premier relai A est commandé pour connecter électriquement l’accumulateur de puissance 20 au reste du circuit d’alimentation électrique 10. Le deuxième relai B est ensuite commandé pour déconnecter l’accumulateur d’énergie 22 du reste du circuit d’alimentation électrique 10. La commande du deuxième relai B est de préférence réalisée après une temporisation inférieure à 1s, de préférence inférieure à 50ms. Le circuit d’alimentation électrique 10 fonctionne alors uniquement sur l’accumulateur de puissance 20 et peut assurer les fonctions micro hybrides et la fonction « start and stop ».
Les figures 18 et 19 représentent l’état de charge ou « SOC » des accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22 en fonction de leur tension à courant nul ou « OCV » ainsi que l’état du circuit d’alimentation électrique 10 au moment d’une phase d’alimentation des fonctions micro-hybrides et de la fonction « start and stop ». Lors d’un fonctionnement micro-hybride, le circuit d’alimentation électrique 10 est piloté pour que l’accumulateur de puissance 20 récupère de l’énergie électrique générée lors d’un freinage du véhicule automobile 12 et distribue de l’énergie électrique lors d’une accélération du véhicule automobile 12.
Pour permettre le fonctionnement des fonctions micro-hybrides, le premier relai A est commandé pour connecter électriquement l’accumulateur de puissance au reste du circuit d’alimentation électrique 10. Le deuxième relai B est commandé pour rester ouvert de manière à déconnecter l’accumulateur d’énergie du reste du circuit d’alimentation électrique 10. Ainsi, seul l’accumulateur de puissance 20 est connecté au circuit d’alimentation de manière à assurer la récupération d’énergie au freinage, correspondant à la tension haute « VALT h », et sa restitution lors des accélérations, correspondant à la tension basse « VALT b ».
C’est également l’accumulateur de puissance 20 qui assure l’alimentation du véhicule automobile 12 pendant le stop automatique et le redémarrage du moteur 11 lors du déroulement de la fonction « start and stop ».
L’association de deux accumulateurs lithium en parallèle pour la réalisation sélective des fonctions du véhicule automobile 12 permet d’obtenir un fonctionnement simple et efficace pour remplacer une batterie au plomb. Grâce à un pilotage approprié des relais existants dans les batteries et de l’ajustement de la tension de régulation de l’alternateur, il devient possible d’utiliser des accumulateurs lithium de tension nominale très différentes ce qui permet d’en ajuster très précisément la taille au juste besoin.
Tel que représenté à la figure 20, un deuxième mode de réalisation du circuit d’alimentation électrique 10 est proposé. Le circuit d’alimentation électrique 10 de la figure 20 est identique à celui du premier mode de réalisation à la différence qu’un relai de séparation D est ajouté au circuit d’alimentation électrique 10 de façon à pouvoir séparer le circuit d’alimentation électrique en un premier sous-circuit 44 comprenant l’accumulateur de puissance 20, le démarreur 16 et l’alternateur 18 ainsi qu’un deuxième sous-circuit 46 comprenant l’accumulateur d’énergie 22 et les organes consommateurs d’énergie électrique 14. Le relai de séparation D permet ainsi de connecter sélectivement les premier 44 et deuxième 46 sous-circuits entre eux. La déconnexion des premier 44 et deuxième 46 sous-circuits est particulièrement utile lors du redémarrage car les organes consommateurs d’énergie électrique 14 peuvent continuer d’être alimentés par l’accumulateur d’énergie 22 et le circuit d’alimentation électrique 10 ne subit pas de sous-tension lors du pic de puissance. Pour cela, le deuxième relai B est fermé en même temps que le troisième relai C et le relai de séparation D sont ouverts.
Tel que représenté aux figures 21 à 24, un troisième mode de réalisation du circuit d’alimentation électrique 10 est proposé.
Ce deuxième mode de réalisation permet de traiter également le cas d’usage dégradé où le véhicule automobile 12 est indisponible à cause de la température extérieure trop basse. La configuration du circuit d’alimentation électrique 10 permet ici de préchauffer l’accumulateur d’énergie 22 grâce à un organe de chauffage 52. De manière avantageuse, l’organe de chauffage 52 est alimenté par le circuit d’alimentation électrique 10 lui-même. De manière préférée, l’organe de chauffage 52 s’étend au moins partiellement à l’intérieur de l’accumulateur d’énergie 22 pour chauffer directement les cellules de l’accumulateur d’énergie 22.
Le principe consiste à réchauffer l’accumulateur d’énergie 22 en utilisant en priorité l’énergie provenant de l’accumulateur de puissance 20 monté en parallèle. Après démarrage du moteur 11 ou du convertisseur, l’accumulateur d’énergie 22 continue à être chauffée par le réseau. L’avantage de cette configuration selon le troisième mode de réalisation est de pouvoir utiliser un accumulateur construit pour l’énergie, i.e. l’accumulateur d’énergie 22, même dans des conditions de température très froides et en limitant au maximum le temps de latence entre le moment où le conducteur à l’intention d’utiliser son véhicule automobile et le moment où il peut le faire en toute sécurité.
La figure 21 présente l’influence de la température sur l’aptitude d’un accumulateur lithium d’énergie à soutenir un courant de décharge de 1C (pour une batterie de 50Ah, cela représente 50A). Il apparaît que pour des températures basses et un état de charge typique après parking de 75%, l’accumulateur ne peut pas fournir un courant de sécurité pour des températures inférieures à 0°C. Ce courant de sécurité est de l’ordre de 50A pendant 2 à 3 minutes.
Comme indiqué précédemment, chacun des accumulateurs de puissance 20 et d’énergie 22 est de préférence capable de suppléer la perte de l’un des accumulateurs et de l’alternateur 18 pour des questions de sécurité. Ceci signifie que chaque accumulateur devrait fournir un profil minimum de courant au-dessus d’un certain seuil de tension afin par exemple d’alimenter le freinage ou la direction assistée pendant le temps nécessaire à l’arrêt du véhicule automobile 12 en toute sécurité.
La puissance d’un accumulateur Lithium est très dépendante de son état de charge et de sa température de sorte que, pour respecter ces exigences, la batterie doit être à une température suffisamment haute et/ou suffisamment chargée. Le cahier des charges d’un véhicule automobile demande usuellement que celui-ci puisse pouvoir démarrer à -30°C. A cette température, il n’est pas possible pour un accumulateur au lithium d’énergie de délivrer le profil de courant demandé pour assurer la sécurité du véhicule. Il est nécessaire de la réchauffer.
Le troisième mode de réalisation propose de réchauffer l’accumulateur d’énergie 22 en utilisant une séquence faisant appel à de l’énergie électrique provenant de l’accumulateur de puissance 20 puis de l’énergie provenant du réseau.
Le circuit d’alimentation électrique 10 du troisième mode de réalisation est identique à celui du premier mode de réalisation à la différence qu’une branche de chauffage 50 est ajoutée en parallèle de la branche recevant l’accumulateur d’énergie 22. La branche de chauffage 50 comprend un organe de chauffage 52 de l’accumulateur d’énergie 22 et un relai additionnel E d’alimentation sélective de l’organe de chauffage 52. Le troisième relai C n’est pas représenté mais il est présent également dans le circuit d’alimentation électrique 10. Un relai de séparation D peut également être intégré.
En référence aux figure 22 à 24, il est proposé une séquence de commande du circuit d’alimentation 10 selon le troisième mode de réalisation par le calculateur 30.
La figure 22 représente l’état des premier A et deuxième B relais ainsi que du relai additionnel E lors d’une phase de parking. Les « courants off » qui alimentent le véhicule automobile 12 à l’arrêt sont fournis par l’accumulateur d’énergie 22, préservant ainsi l’état de charge de l’accumulateur de puissance 20 pour le démarrage.
La figure 23 représente l’état des premier A et deuxième B relais ainsi que du relai additionnel E lors d’un démarrage si l’accumulateur d’énergie 22 a une température supérieure à 0°C. Dans ce cas, l’accumulateur d’énergie 22 est apte à assurer sa fonction de sécurité de sorte que le premier relai A est fermé ce qui permet à l’accumulateur de puissance 20 de mettre en route le moteur 11. Le calculateur 30 ajuste ensuite la tension de l’alternateur 18 de façon à charger au mieux les deux accumulateurs et à alimenter les organes consommateurs d’énergie électrique 18.
La figure 24 présente l’état des premier A et deuxième B relais ainsi que du relai additionnel E lors d’un démarrage si l’accumulateur d’énergie 22 a une température inférieure à 0°C. Dès que « l’intention de démarrer » du client est connue, par exemple via une pré-programmation faite précédemment ou sur une commande faite via son smartphone ou lors du déverrouillage des portes du véhicule automobile 12, le premier relai A et le relai additionnel E sont fermés. Le deuxième relai B peut éventuellement être ouvert si la différence de tension entre les deux accumulateurs est trop importante. Dans cette configuration des relais, l’accumulateur de puissance 20 alimente l’organe de chauffage 52 permettant ainsi de faire monter la température de l’accumulateur d’énergie 22 pour limiter le temps pendant lequel le véhicule automobile 12 n’est pas totalement opérationnel. On considère que le véhicule automobile est totalement opérationnel dès que la température de l’accumulateur d’énergie est supérieure à 0°C et permet d’assurer un courant de décharge suffisant pour assurer la sécurité.
Avantageusement, l’état de charge de l’accumulateur de puissance 20 est prédéterminé de façon à ce qu’il dispose d’une énergie suffisante permettant le réchauffage de l’accumulateur d’énergie 22 sans altérer sa capacité de démarrage à -30°C. Ainsi, par exemple, si le climat général est chaud, l’état de charge de l’accumulateur de puissance 20 peut être réglé à 70% pour que les fonctions de récupération d’énergie au freinage soient optimums. En effet, l’accumulateur de puissance 20 dispose d’une bonne capacité de charge à cet état de charge. A contrario, si le climat est froid, le calculateur 30 privilégie un état de charge autour de 100% pour l’accumulateur de puissance 20, en mettant la priorité sur le redémarrage du lendemain au détriment de la récupération d’énergie du freinage. Ainsi, l’accumulateur de puissance 20 va disposer de suffisamment d’énergie pour le préchauffage de l’accumulateur d’énergie 22 et le démarrage.
A titre d’exemple, un accumulateur de 10 Ah qui est dimensionnée pour être suffisamment puissant pour démarrer à -30°C et 70% d’état de charge dispose d’environ 35 Wh disponibles pour un réchauffage. La vitesse de montée en température dépend évidemment de la puissance et de la masse et composition de l’accumulateur d’énergie 22, mais à titre d’exemple, 35Wh suffisent pour augmenter la température de 5 kg d’aluminium d’une trentaine de °C, ce qui permet de réchauffer l’accumulateur d’énergie 22.
Un exemple de réalisation de l’accumulateur d’énergie 22 est représenté à la figure 25. L’accumulateur d’énergie 22 comprend quatre cellules 54 montées en série les unes par rapport aux autres via des connexions 56 inter-cellules. Comme indiqué précédemment, l’accumulateur d’énergie 22 peut comprendre avantageusement seulement trois cellules 54. Les cellules 54 sont connectées à un terminal positif 60 et à un terminal négatif 62 de l’accumulateur d’énergie via un système de commande 64. Le système de commande 64 comprend également un fusible ainsi qu’un relai (non représentés) correspondant au deuxième relai B décrit précédemment, si celui-ci est intégré à l’accumulateur d’énergie 22.
L’accumulateur d’énergie 22 comprend un boîtier 68 dans lequel sont disposés les cellules 54. Le boîtier 68 est de préférence en matériau isolant thermique, par exemple en matériau plastique. Le boîtier 68 a pour fonction d’assurer l’étanchéité et la protection de l’ensemble des éléments constituant l’accumulateur d’énergie 22.
L’accumulateur d’énergie 22 comprend en outre un corps 66disposé à l’intérieur du boîtier 68 et autour des cellules 54. Le corps 66 peut être formé de deux pièces coopérant ensemble pour entourer les cellules 54. Le corps 66 est réalisé en matériau conducteur thermique, de préférence en aluminium.
L’organe de chauffage 52 est disposé à l’intérieur du boîtier 68, de préférence au contact du corps 66 pour permettre une bonne diffusion de la chaleur. De manière encore préférée, l’organe de chauffage 52 est disposé à l’intérieur du corps 66. L’organe de chauffage 52 comporte deux plaques 70 formant des plaques chauffant les cellules 54 via le corps 66 par effet joules. Une connectique 72 permet l’alimentation des plaques 70 en énergie électrique. L’organe de chauffage 52 peut comporter au moins une plaque 70. Les plaques 70 peuvent être de toute forme permettant le transfert de chaleur au corps 66.
Le corps 66 fixe et protège les cellules 54 et en même temps, traversé par les plaques 70 chauffantes, le corps 66 assure une diffusion rapide de la chaleur produite vers toutes les faces des cellules 54.
Cette isolation est rendue possible car l’accumulateur d’énergie 22 ne délivre pas de courants élevés et, de ce fait, n’a pas besoin d’être refroidie. Ainsi, l’isolation thermique, en limitant fortement la vitesse de refroidissement lorsque le véhicule automobile est garé, permet de ne pas avoir besoin de réchauffer trop rapidement l’accumulateur d’énergie 22, notamment le lendemain d’une utilisation du véhicule automobile. Ainsi, si le véhicule est utilisé quotidiennement où tous les deux jours, toutes les fonctions seront immédiatement disponibles dès le démarrage et cela même par des températures extérieures très basses. Il est également possible d’ajuster la température de l’accumulateur d’énergie 22 en fonction de la température extérieure de façon à encore augmenter le temps de refroidissement. Par une température extérieure au véhicule automobile de -30°C, la température à l’intérieur de l’accumulateur d’énergie 22 peut être ajustée à 40°C alors qu’avec une ambiante de 0°C, la température à l’intérieur de l’accumulateur d’énergie 22 peut être ajustée à 20°C ou 30°C.
Ce mode de réalisation de l’accumulateur d’énergie 22 permet d’apporter une solution au problème du manque de puissance intrinsèque (en charge et en décharge) des accumulateurs d’énergie au lithium avec une anode en graphite. En effet, le préchauffage de l’accumulateur d’énergie 22 en parallèle et son isolation thermique permet de limiter la période où le véhicule automobile n’est pas pleinement opérationnel. Ce montage en parallèle nous permet également d’exploiter le fait que l’accumulateur d’énergie 22 n’a pas à être refroidi et donc peut être isolé thermiquement, ce qui permet d’augmenter considérablement la disponibilité des fonctions du véhicule automobile 12 même par des températures externes très froides.

Claims (10)

  1. Véhicule automobile (12) comprenant un moteur thermique (11) et un circuit d’alimentation électrique (10) comportant :
    au moins un organe consommateur d’énergie électrique (14) ;
    un démarreur (16) pour démarrer le moteur (11) ;
    un accumulateur de puissance (20) au lithium configuré pour fournir au démarreur (16) une quantité d’énergie électrique permettant le démarrage du moteur (11),
    un accumulateur d’énergie (22) au lithium configuré pour alimenter en énergie électrique ledit au moins un organe consommateur d’énergie électrique (14),
    dans lequel ledit au moins un organe consommateur d’énergie électrique (14), l’alternateur (18), le démarreur(16), l’accumulateur de puissance (20) et l’accumulateur d’énergie (22) sont reliés électriquement en parallèle les uns par rapport aux autres.
  2. Véhicule automobile (12) selon la revendication 1, dans lequel l’accumulateur de puissance (20) et l’accumulateur d’énergie (22) ont des électrodes négatives de compositions différentes l’une de l’autre.
  3. Véhicule automobile (12) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’accumulateur de puissance (20) comporte une anode comprenant du Lithium-Titanate et/ou l’accumulateur d’énergie (22) comporte une anode comprenant graphite.
  4. Véhicule automobile (12) selon l’une des revendication 1 à 3, dans lequel l’accumulateur de puissance (20) est disposé au niveau d’une zone chaude du véhicule automobile (12) et l’accumulateur d’énergie (22) est disposé au niveau d’une zone froide du véhicule automobile (12).
  5. Véhicule automobile (12) selon l’une quelconque des revendication 1 à 4, dans lequel l’accumulateur de puissance (20) est disposé à proximité du moteur (11), l’accumulateur d’énergie (22) étant disposé à l’intérieur de l’habitacle du véhicule automobile (12).
  6. Véhicule automobile (12) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’accumulateur de puissance (20), l’accumulateur d’énergie (22) et le démarreur (16) sont chacun disposés sur une branche du circuit d’alimentation électrique (10), chaque branche étant montée en parallèle par rapport aux autres et comportant un relai (A, B, C) sélectivement actionnable pour connecter électriquement l’accumulateur de puissance (20), l’accumulateur d’énergie (22) ou le démarreur (16) présent sur la branche au reste du circuit d’alimentation électrique (10).
  7. Véhicule automobile (12) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit d’alimentation électrique (10) définit un premier sous-circuit (44) comprenant l’accumulateur de puissance (20), le démarreur (16) et l’alternateur (18), et un deuxième sous-circuit (46) comprenant l’accumulateur d’énergie (22) et ledit au moins un organe consommateur d’énergie électrique (14), le circuit d’alimentation électrique (10) comprenant en outre un relai de séparation (10) configuré pour permettre la connexion sélective des premier (44) et deuxième (46) sous-circuits entre eux.
  8. Véhicule automobile (12) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit d’alimentation électrique (10) comprend en outre :
    un organe de chauffage (52) de l’accumulateur d’énergie (22) monté en parallèle par rapport l’accumulateur d’énergie (22), et
    un relai additionnel (E) sélectivement actionnable pour connecter électriquement l’organe de chauffage (52) et le reste du circuit d’alimentation électrique (10).
  9. Véhicule automobile (12) selon la revendication 8, dans lequel l’organe de chauffage (52) s’étend au moins partiellement à l’intérieur de l’accumulateur d’énergie (22).
  10. Procédé de pilotage d’un circuit d’alimentation électrique (10) pour un véhicule automobile (12) selon l’une quelconque des revendications précédentes en combinaison avec la revendication 6, le circuit d’alimentation électrique (10) comprenant en outre un alternateur (18) pour générer de l’énergie électrique à partir du moteur (11), l’alternateur (18) étant monté sur une branche parallèle aux autres branches du circuit d’alimentation électrique (10), comprenant au moins l’une parmi les étapes suivantes :
    lorsque le moteur (11) est éteint en phase de stationnement du véhicule automobile (12), commander les relais de manière à connecter électriquement l’accumulateur d’énergie (22) audit au moins un organe consommateur d’énergie électrique (14) et à déconnecter électriquement l’accumulateur de puissance (20) et le démarreur (16) du reste du circuit d’alimentation (10),
    pour le démarrage du moteur (11), commander les relais (A, B, C) de manière à connecter électriquement l’accumulateur de puissance (20) au démarreur (16) et à déconnecter électriquement l’accumulateur d’énergie (22) du reste du circuit d’alimentation (10),
    pour la réalisation d’un fonctionnement micro-hybride dans lequel l’accumulateur de puissance (20) récupère de l’énergie électrique lors d’un freinage du véhicule automobile (12) et distribue de l’énergie électrique lors d’une accélération du véhicule automobile (12), commander les relais (B, C) de manière à déconnecter électriquement l’accumulateur d’énergie (22) et le démarreur (16) du reste du circuit d’alimentation (10) et commander les relais (A) de manière à connecter électriquement l’alternateur (18) à l’accumulateur de puissance (20).
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