FR3125480A1 - Véhicule comprenant une batterie rechargeable et des moyens de détermination d’une puissance maximale admissible pour la batterie lors d’une phase de charge - Google Patents

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Abstract

Ce système d’alimentation d’une batterie d’accumulation électrique rechargeable pour véhicule automobile à propulsion électrique ou hybride, comprend des moyens de détermination d’une puissance maximale admissible pour la batterie (BATPIN(t)) en fonction d’une première puissance maximale (BATPINPOWERMAP(t)) correspondant à une phase de régénération et d’une deuxième puissance maximale (BATPCHGPOWERMAP(t)) correspondant à une phase de charge de la batterie. Figure pour l’abrégé : Fig 3A

Description

Véhicule comprenant une batterie rechargeable et des moyens de détermination d’une puissance maximale admissible pour la batterie lors d’une phase de charge
L’invention a pour objet les systèmes de gestion de batteries électriques, et en particulier les systèmes de gestion de batteries électriques embarquées et destinées à propulser un véhicule automobile électrique ou hybride.
Techniques antérieures
Les batteries de véhicule automobile peuvent soit être rechargées sur des bornes électriques lorsque le véhicule est à l’arrêt, soit être rechargées en récupérant, au travers du moteur électrique, une partie de l’énergie cinétique du véhicule lorsque celui-ci décélère. Une telle récupération d’énergie est couramment appelée freinage régénératif.
Les batteries peuvent se détériorer ou vieillir et ainsi réduire leur capacité à stocker de l’énergie. Ce vieillissement dépend des conditions dans lesquelles les batteries sont utilisées lorsqu’un véhicule roule.
Afin de préserver l’intégrité de la batterie, il est proposé de limiter la puissance de sa charge.
Cette limitation est d’autant plus importante lorsque l’état de charge de la batterie (« State of charge » en anglais) est élevé.
La capacité de charge chute progressivement vers zéro en se rapprochant de la charge complète de la batterie.
De même, quand la température de la batterie est typiquement sous 0°C.
De plus, lorsque la puissance de charge dépasse un seuil prédéterminé en fonction au moins de la nature chimique et des dimensions des cellules de la batterie, cette dernière perd de son intégrité.
Par ailleurs, lorsque la batterie est en Lithium-Ion, il a été observé un dépôt de couches de lithium sur ses électrodes lors de puissances de charge trop conséquentes. La capacité de charge de la batterie se trouve fortement réduite pour limiter ce phénomène.
En conséquence, les fabricants de telles batteries fournissent une cartographie indiquant la puissance maximale admissible pour la batterie en fonction de sa température et de son état de charge lors d’une phase de charge au moyen d’une borne d’alimentation.
La batterie est par ailleurs également rechargeable pendant une phase de roulage, lors d’une phase de freinage ou de lever de pied, dite phase de régénération.
La puissance maximale admissible est ici plus élevée mais ne peut toutefois être appliquée que pendant une durée plus courte de l’ordre d’une dizaine de secondes afin de ne pas endommager la batterie.
Les fabricants ont alors élaboré une deuxième cartographie de la puissance maximale admissible pour la batterie en fonction de sa température et de son état de charge lors d’une phase de régénération.
Cependant, si la phase de régénération s’avère plus longue que la durée définie par ladite deuxième cartographie, la batterie est susceptible d’être endommagée.
Une stratégie dite de modulation, décrite dans le brevet portant la référence FR2994027, est alors mise en œuvre par un système de gestion de batterie BMS (pour « Battery Management System » en anglais) afin de limiter progressivement la quantité de puissance fournie à la batterie.
Une telle stratégie consiste en une limitation de la puissance maximale admissible, à chaque instant de la phase de régénération, qui dépend à la fois d’une valeur lue dans la première cartographie de valeurs de puissances maximales admissibles lors de la phase de charge et d’une valeur lue dans la deuxième cartographie de valeurs de puissances maximales admissibles lors de la phase de régénération.
Autrement dit, il s’agit de basculer progressivement d’une limitation de la valeur de puissance maximale admissible issue de la deuxième cartographie vers une limitation de la valeur de puissance maximale admissible lue dans la première cartographie.
Or, cette stratégie n’est employée qu’au cours de la phase de régénération mais en aucun cas pendant la phase de charge.
La batterie est alors privée d’une puissance de charge élevée, qui lorsqu’elle est autorisée pendant un laps de temps prédéfini, n’endommage pas la batterie. Le potentiel de charge de la batterie lors de la phase de charge n’est donc que partiellement exploité.
Le but de l’invention est donc d’améliorer les systèmes d’alimentation électrique de la batterie de véhicule automobile lors des phases de charge.
Au vu de ce qui précède, l’invention a pour objet un système d’alimentation d’une batterie d’accumulation électrique rechargeable pour véhicule automobile à propulsion électrique ou hybride, la batterie étant rechargeable lors de phases de régénération et lors de phases de charge, le système comprenant des moyens de détermination d’une puissance maximale admissible pour la batterie.
Les moyens de détermination de la puissance maximale admissible pour la batterie comprennent une première cartographie permettant de lire une première puissance maximale à partir de la température et de l’état de charge de la batterie, une deuxième cartographie permettant de lire une deuxième puissance maximale à partir de la température et de l’état de charge de la batterie, la première cartographie comprenant des valeurs de première puissance maximale correspondant à une phase de régénération et la deuxième cartographie comprenant des valeurs de deuxième puissance maximale correspondant à une phase de charge de la batterie, et des moyens de calcul de ladite puissance maximale admissible pour la batterie lors de la phase de charge en fonction de la première puissance maximale et de la deuxième puissance maximale.
En d’autres termes, les moyens de calcul sont configurés pour exploiter la première cartographie et la deuxième cartographie pour mettre en œuvre la stratégie de modulation pendant la phase de charge de la batterie.
La stratégie de modulation permet alors d’augmenter progressivement la puissance de charge jusqu’à atteindre une première valeur de puissance de charge maximale admissible issue de la première cartographie et correspondant à l’état de charge et à la température de la batterie à l’instant t.
Ainsi, à température et état de charge équivalents, la première valeur de puissance de charge maximale admissible est supérieure à une deuxième valeur de puissance de charge maximale correspondante qui est issue de la deuxième cartographie.
L’évolution de la puissance de charge maximale admissible suivra ensuite sensiblement les valeurs issues de la première cartographie pendant une durée prédéterminée avant de diminuer graduellement pour atteindre une deuxième valeur de puissance maximale issue de la deuxième cartographie.
Enfin, dès que la puissance maximale admissible ait atteint la deuxième valeur, la puissance maximale admissible suivra sensiblement les valeurs de puissance maximale indiquées dans la deuxième cartographie au fur et à mesure de la charge.
Avantageusement, les moyens de calcul sont configurés pour calculer la somme de la première puissance affectée d’un premier coefficient α(t) compris entre 0 et 1 et de la deuxième puissance affectée d’un deuxième coefficient égal à 1- α(t).
Le premier coefficient α(t) est choisi de manière à obtenir une limitation choisie entre la première puissance maximale (s’il est égal à un), la deuxième puissance maximale (s’il est égal à 0) et une pondération de ces deux puissances s’il est compris entre 0 et 1.
De préférence, les moyens de calcul sont configurés pour ajuster la valeur de la première puissance de manière à être inférieure ou égale à une valeur seuil prédéterminée lorsque le premier coefficient α(t) est égal à 1.
La durabilité de la batterie est affectée lorsqu’il existe un écart important entre la première puissance de charge et la deuxième puissance de charge à température et à état de charge équivalents.
Il est alors proposé de maintenir la valeur de la puissance de charge maximale admissible inférieure ou égale à ladite valeur seuil prédéterminée.
Préférentiellement, les moyens de calcul sont configurés pour maintenir le premier coefficient α(t) à 1 pendant une durée prédéterminée.
Autrement dit, il s’agit de calculer ladite puissance maximale admissible pour la batterie uniquement en fonction de la première puissance maximale pendant ladite durée prédéterminée.
Avantageusement, la batterie est composée d’une ou de plusieurs cellules, le système comprenant des moyens de mesure de la tension aux bornes d’une cellule et des moyens de limitation de la puissance maximale admissible pour la batterie fournissant une troisième valeur de puissance maximale calculée en fonction d’une valeur maximale de tension et de la tension de la cellule mesurée.
Calculer une troisième valeur de puissance maximale en fonction de ces deux paramètres permet de protéger la batterie.
L’invention a encore pour objet un véhicule automobile à propulsion électrique ou hybride comprenant une batterie d’accumulation électrique rechargeable, un système de freinage permettant la récupération d’énergie, la batterie étant rechargeable lors de phases de régénération et lors de phases de charge, et un système d’alimentation de ladite batterie tel que défini ci-dessus.
L’invention a également pour objet un procédé de régulation de la charge d’une batterie d’accumulation électrique rechargeable de véhicule automobile à propulsion électrique ou hybride comprenant un système de freinage permettant la récupération d’énergie, la batterie étant rechargeable lors de phases de régénération et lors de phases de charge.
Le procédé comprend une étape de détermination d’une première puissance maximale correspondant à une phase de régénération, une étape de détermination d’une deuxième puissance maximale correspondant à une phase de charge de la batterie, et une étape de calcul de la puissance maximale admissible pour la batterie lors de la phase de charge en fonction de la première puissance maximale et de la deuxième puissance maximale.
Avantageusement, le calcul de ladite puissance maximale admissible comprend une sommation de la première puissance affectée d’un premier coefficient α(t) compris entre 0 et 1 et de la deuxième puissance affectée d’un deuxième coefficient égal à 1 – α(t).
De préférence, on ajuste la valeur première puissance de manière à être inférieure ou égale à une valeur seuil prédéterminée lorsque le premier coefficient α(t) est égal à 1.
Préférentiellement, on maintient le premier coefficient α(t) à 1 pendant une durée prédéterminée.
Avantageusement, lorsque la batterie est composée d’une ou de plusieurs cellules, on mesure la tension aux bornes d’une cellule et on limite la puissance maximale admissible pour la batterie à partir d’une troisième valeur de puissance maximale calculée en fonction d’une valeur maximale de tension et de la tension de la cellule mesurée.
D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins indexés sur lesquels :
illustre une première cartographie et une deuxième cartographie comprenant des valeurs de puissance maximale respectivement lors d’une phase de régénération et lors d’une phase de charge d’une batterie d’un véhicule automobile selon l’état de la technique.
représente de manière schématique un système d’alimentation 2 de la batterie selon un mode de réalisation de l’invention et,
et
représentent un premier graphique et un deuxième graphique de l’évolution de la puissance maximale admissible pour la batterie lors de la phase de charge selon deux modes de mise en œuvre de l’invention.
Exposé détaillé des modes de réalisation de l’invention
Pour une batterie de véhicule automobile comprenant une ou plusieurs cellules individuelles, l’élaboration de cartographies de puissances maximales admissibles peut être mise en œuvre au moyen de cartographies de la résistance interne d’une cellule de batterie par exemple.
Ces cartographies peuvent être obtenues par des étapes préalables de calibration et permettent de lire cette résistance en fonction de l’état de charge de la batterie et de sa température.
L’état de charge de la batterie dépend directement des tensions de circuit ouvert de cellules OCV (pour « Open Circuit Voltage » en anglais) et peut donc être mesuré au moyen de capteurs de tensions.
On peut également obtenir par calibration la tension maximale autorisée VLimitePINpour une cellule traversée par un courant lors d’une phase de régénération avec récupération d’énergie, et la tension maximale autoriséeVLimitePCHGpar une cellule traversée par un courant lors d’une phase de charge.
L’ensemble de ces données permet de déterminer les puissances maximales admissibles pour la batterie lors de la phase de charge et lors de la phase de régénération au moyen de l’équation 1 :
EQ. 1
Avec :
: Première puissance maximale autorisée lors de la phase de régénération, et
: Deuxième puissance maximale autorisée lors de la phase de charge.
On peut ensuite former, tel qu’illustré dans la figure 1, une première cartographie C1 comprenant des premières valeurs de puissance maximale en fonction de l’état de charge de la batterie SOC exprimé en pourcentage.
La figure 1 illustre en outre une deuxième cartographie C2 comprenant des deuxièmes valeurs de puissance maximale en fonction de l’état de charge de la batterie SOC.
On obtient ainsi, à chaque instant (noté t) une puissance maximale admissible pour la batterie avec l’équation 2 :
EQ.2
Avec :
BATPIN(t) : Puissance maximale admissible pour la batterie à l’instant t,
BATPINPOWERMAP(t) : Première puissance maximale admissible en phase de régénération à l’instant t obtenue sur la première cartographie C1 ;
BATPCHGPOWERMAP(t) : Deuxième puissance maximale admissible en phase de charge à l’instant t obtenue sur la deuxième cartographie C2 ;
α(t) : Premier coefficient compris entre zéro et un.
Ainsi, si le premier coefficient α(t) est égal 1, la puissance maximale admissible BATPIN(t) pour la batterie est la première puissance maximale admissible en phase de régénération BATPINPOWERMAP(t), qui est une valeur élevée.
Au contraire, si le premier coefficient α(t) est égal à zéro, la puissance maximale admissible BATPIN(t) pour la batterie est la deuxième puissance maximale admissible en phase de charge BATPCHGPOWERMAP(t), qui est une valeur faible et qui peut être appliquée longtemps sans endommager la batterie.
Sur la , on a représenté un système d’alimentation 2 comprenant des moyens de détermination de la puissance maximale admissible BATPIN(t) lors de la phase de charge de la batterie.
De tels moyens de détermination de la puissance maximale admissible BATPIN(t) sont configurés pour mettre en œuvre le calcul de l’équation 2.
En utilisant d’une part la première cartographie C1 comprenant les premières valeurs de puissance maximales admissibles BATPINPOWERMAP(t) correspondant aux phases de régénération et d’autre part la deuxième cartographie C2 comprenant les deuxièmes valeurs de puissance maximales admissibles BATPCHGPOWERMAP(t) correspondant aux phases de charge, on peut utiliser des moyens de calcul ou de modulation 5 destinés à fournir la valeur de la puissance de charge maximale admissible BATPIN(t) pour la batterie.
Ainsi, tel qu’illustré sur la , la première courbe V1 en trait plein représente l’évolution de la puissance de charge maximale admissible BATPIN(t), exprimée en Watt, en fonction de l’état de charge SOC de la batterie ou de la tension pour une température donnée.
La stratégie de modulation permet ici d’augmenter progressivement la puissance de charge maximale admissible BATPIN(t) jusqu’à atteindre une première valeur de puissance de charge P1 issue la première cartographie C1 et correspondant à l’état de charge SOC à l’instant t.
Ainsi, à température et état de charge équivalents, la première valeur de puissance de charge maximale admissible P1 est supérieure à une deuxième valeur de puissance de charge maximale admissible correspondante P2 issue de la deuxième cartographie C2.
L’évolution de la puissance de charge maximale admissible BATPIN(t) suivra ensuite sensiblement les valeurs BATPINPOWERMAP(t) issues de la première cartographie C1 pendant une première durée prédéterminée D1 avant de diminuer graduellement pour atteindre une troisième valeur de puissance maximale P3 issue de la deuxième cartographie C2.
A titre d’exemple, la première durée prédéterminée D1 est comprise entre 10 secondes et quelques minutes.
Enfin, dès que la puissance maximale admissible BATPIN(t) ait atteint la troisième valeur P3, celle-ci suivra sensiblement les deuxièmes valeurs de puissance maximale BATPCHGPOWERMAP(t) indiquées dans la deuxième cartographie C2 au fur et à mesure de la charge de la batterie.
Par ailleurs, il est à noter que la durabilité de la batterie peut être altérée lorsqu’il existe un écart important entre la première puissance de charge BATPINPOWERMAP(t) et la deuxième puissance de charge BATPCHGPOWERMAP(t) à température et à état de charge SOC équivalents.
A titre d’exemple, l’écart peut être de l’ordre de plusieurs dizaines de kilowatts (kW).
Les moyens de calcul 5 peuvent alors être configurés pour ajuster la valeur de la première puissance maximale BATPINPOWERMAP(t) de manière à être inférieure ou égale à une valeur seuil prédéterminée P4 lorsque le coefficient α(t) est égal à 1.
Dans ce cas, c’est une deuxième courbe V2 en trait plein qui représente l’évolution de la puissance de charge maximale admissible BATPIN(t) en fonction de l’état de charge SOC de la batterie.
Il est à noter que la stratégie de modulation peut être appliquée à toutes les valeurs de température.
En variante, tel qu’illustré dans la , les moyens de calcul 5 sont configurés pour maintenir le coefficient α(t) à 1 pendant une deuxième durée prédéterminée D2, comprise entre quelques secondes et quelques minutes, pour prémunir la batterie contre une forte variabilité de la puissance de charge BATPIN(t) lors de la phase de charge.
Par ailleurs, l’invention n’est pas limitée à ces modes de réalisation et de mise en œuvre mais en embrasse toutes les variantes.
L’invention concerne par exemple les applications munies de batteries dont le ratio entre le courant et la capacité de charge (« C-rate en anglais ») est supérieur à 1.

Claims (11)

  1. Système d’alimentation (2) d’une batterie d’accumulation électrique rechargeable pour véhicule automobile à propulsion électrique ou hybride, la batterie étant rechargeable lors de phases de régénération et lors de phases de charge, le système comprenant des moyens de détermination d’une puissance maximale admissible pour la batterie (BATPIN(t)), caractérisé en ce que les moyens de détermination de la puissance maximale admissible pour la batterie comprennent une première cartographie (C1) permettant de lire une première puissance maximale (BATPINPOWERMAP(t)) à partir de la température et de l’état de charge de la batterie (SOC), une deuxième cartographie (C2) permettant de lire une deuxième puissance maximale (BATPCHGPOWERMAP(t)) à partir de la température et de l’état de charge de la batterie (SOC), la première cartographie (C1) comprenant des valeurs de première puissance maximale (BATPINPOWERMAP(t)) correspondant à une phase de régénération et la deuxième cartographie (C2) comprenant des valeurs de deuxième puissance maximale (BATPCHGPOWERMAP(t)) correspondant à une phase de charge de la batterie, et des moyens de calcul (5) de ladite puissance maximale admissible (BATPIN(t)) pour la batterie lors de la phase de charge en fonction de la première puissance maximale (BATPINPOWERMAP(t)) et de la deuxième puissance maximale (BATPCHGPOWERMAP(t)).
  2. Système d’alimentation (2) selon la revendication 1, dans lequel les moyens de calcul (5) sont configurés pour calculer la somme de la première puissance (BATPINPOWERMAP(t)) affectée d’un premier coefficient α(t) compris entre 0 et 1 et de la deuxième puissance (BATPCHGPOWERMAP(t)) affectée d’un deuxième coefficient égal à 1- α(t).
  3. Système d’alimentation (2) selon la revendication 2, dans lequel les moyens de calcul (5) sont configurés pour ajuster la valeur de la première puissance (BATPINPOWERMAP(t)) de manière à être inférieure ou égale à une valeur seuil prédéterminée (P4) lorsque le premier coefficient α(t) est égal à 1.
  4. Système d’alimentation (2) selon la revendication 2, dans lequel les moyens de calcul (5) sont configurés pour maintenir le premier coefficient α(t) à 1 pendant une durée prédéterminée (D2).
  5. Système d’alimentation (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la batterie est composée d’une ou de plusieurs cellules, le système (2) comprenant des moyens de mesure de la tension aux bornes d’une cellule et des moyens de limitation de la puissance maximale admissible pour la batterie fournissant une troisième valeur de puissance maximale calculée en fonction d’une valeur maximale de tension et de la tension de la cellule mesurée.
  6. Véhicule automobile à propulsion électrique ou hybride comprenant une batterie d’accumulation électrique rechargeable, un système de freinage permettant la récupération d’énergie, la batterie étant rechargeable lors de phases de régénération et lors de phases de charge, et un système d’alimentation (2) de ladite batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 5.
  7. Procédé de régulation de la charge d’une batterie d’accumulation électrique rechargeable de véhicule automobile à propulsion électrique ou hybride comprenant un système de freinage permettant la récupération d’énergie, la batterie étant rechargeable lors de phases de régénération et lors de phases de charge, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de détermination d’une première puissance maximale (BATPINPOWERMAP(t)) correspondant à une phase de régénération, une étape de détermination d’une deuxième puissance maximale (BATPCHGPOWERMAP(t)) correspondant à une phase de charge de la batterie, et une étape de calcul de la puissance maximale admissible (BATPIN(t)) pour la batterie lors de la phase de charge en fonction de la première puissance maximale (BATPINPOWERMAP(t)) et de la deuxième puissance maximale (BATPCHGPOWERMAP(t)).
  8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel le calcul de ladite puissance maximale admissible (BATPIN(t)) comprend une sommation de la première puissance (BATPINPOWERMAP(t)) affectée d’un premier coefficient α(t) compris entre 0 et 1 et de la deuxième puissance (BATPCHGPOWERMAP(t)) affectée d’un deuxième coefficient égal à 1 – α(t).
  9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel on ajuste la valeur première puissance (BATPINPOWERMAP(t)) de manière à être inférieure ou égale à une valeur seuil prédéterminée (P4) lorsque le premier coefficient α(t) est égal à 1.
  10. Procédé selon la revendication 8, dans lequel on maintient le premier coefficient α(t) à 1 pendant une durée prédéterminée (D2).
  11. Procédé selon l’une quelconque des revendications 7 à 10, dans lequel, lorsque la batterie est composée d’une ou de plusieurs cellules, on mesure la tension aux bornes d’une cellule et on limite la puissance maximale admissible pour la batterie à partir d’une troisième valeur de puissance maximale calculée en fonction d’une valeur maximale de tension et de la tension de la cellule mesurée.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010005079A1 (fr) * 2008-07-11 2010-01-14 トヨタ自動車株式会社 Dispositif de commande de charge/décharge de batterie et véhicule hybride utilisant celui-ci
WO2013094057A1 (fr) * 2011-12-22 2013-06-27 日立ビークルエナジー株式会社 Dispositif de commande de batterie et système de batterie
FR2994027A1 (fr) 2012-07-27 2014-01-31 Renault Sa Vehicule comprenant une batterie et des moyens de determination d'une puissance maximale admissible pour la batterie, et procede correspondant

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