FR3013166A1 - Dispositif et procede de recharge d’un stockeur d’energie electrique d’un vehicule automobile - Google Patents

Dispositif et procede de recharge d’un stockeur d’energie electrique d’un vehicule automobile Download PDF

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Abstract

Ce dispositif de recharge d'un véhicule automobile comporte un moyen (208) de connexion électrique, interface utilisateur pour le raccordement à un réseau de distribution électrique extérieur au véhicule. Le dispositif comporte aussi un premier stockeur d'énergie électrique (200) présentant à ses bornes une tension maximale supérieure à 50 V et un premier convertisseur (206) de tension pour transférer de l'énergie entre ce moyen (208) de connexion et le premier stockeur (200). La tension (u1) aux bornes du moyen (208) de connexion a une valeur maximale strictement inférieure à 50 V.

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE DE RECHARGE D'UN STOCKEUR D'ENERGIE ELECTRIQUE D'UN VEHICULE AUTOMOBILE La présente invention se rapporte à un dispositif et à un procédé de recharge d'un stockeur d'énergie électrique d'un véhicule automobile, ainsi qu'à un véhicule automobile muni d'un tel dispositif. L'invention appartient au domaine des véhicules dits « plug-in », tels que les véhicules électriques ou hybrides rechargeables. On appelle véhicule « plug-in » un véhicule comportant au moins un stockeur d'énergie électrique, aussi appelé batterie dans la suite du document, pouvant être rechargé via un raccordement à un réseau de distribution d'électricité extérieur à ce véhicule. Ce réseau de distribution est par exemple un réseau électrique domestique fournissant un courant alternatif sous une tension électrique de 110 V ou de 230 V.
Habituellement, une batterie comporte des cellules électrochimiques comprenant tous types de technologies, ou encore des condensateurs (ou capacités électriques). Ces cellules ou condensateurs sont regroupés en un ou plusieurs modules et sont connectés entre eux en série ou en parallèle. Les véhicules plug-in comportent généralement deux batteries : une batterie de servitude et une batterie de traction. La batterie de servitude permet l'alimentation des organes du véhicule consommateurs d'électricité de faible puissance, généralement de l'ordre de quelques centaines de watts. Elle délivre un courant continu et la tension à ses bornes est relativement basse, usuellement 12 V.
La batterie de traction permet d'alimenter une machine électrique pour entraîner des roues motrices du véhicule. Cette batterie délivre un courant continu sous une tension plus élevée, généralement comprise entre 36 et 400 V. On connaît du document FR-A-2 963 997 un dispositif pour la recharge d'un véhicule sur un réseau de distribution électrique. La figure 1 illustre un tel dispositif, connu de l'art antérieur, pour la recharge d'un véhicule plug-in. Un réseau de distribution électrique, extérieur au véhicule, comporte une prise électrique 116. Par prise électrique, on entend un connecteur mâle 35 ou femelle permettant de raccorder un ou plusieurs appareils consommateurs de courant électrique à une source de tension électrique.
La prise électrique 116 peut être raccordée à une prise électrique 108 du véhicule au moyen d'un câble de recharge 110. Le câble de recharge 110 est muni à ses extrémités de prises électriques 112 et 114. Le véhicule comporte en outre un premier stockeur d'énergie électrique 100, appelé batterie de traction, et un second stockeur d'énergie électrique 102, appelé batterie de servitude. Un premier convertisseur de tension 106 est relié électriquement à la batterie de traction 100 et à la batterie de servitude 102. Il permet d'adapter la tension et d'échanger de l'énergie électrique entre la batterie de traction 100 et la batterie de servitude 102. Un second convertisseur de tension 104 est connecté à la prise 108 pour adapter la tension et échanger de l'énergie électrique entre cette prise 108 et la batterie de traction 100. Ce dispositif de recharge nécessite que l'utilisateur du véhicule manipule un câble de recharge 110 délivrant un courant alternatif sous une tension électrique supérieure à 50 V, ce qui peut présenter un danger d'électrisation grave pour l'utilisateur du véhicule. L'invention a pour but de remédier aux inconvénients précités de l'art antérieur.
Dans ce but, la présente invention propose un dispositif de recharge d'un véhicule automobile, ce dispositif comportant : - un moyen de connexion électrique, interface utilisateur pour le raccordement à un réseau de distribution électrique extérieur au véhicule ; - un premier stockeur d'énergie électrique présentant à ses bornes une tension maximale supérieure à 50 V ; - un premier convertisseur de tension adapté à transférer de l'énergie entre le moyen de connexion et le premier stockeur ; ce dispositif étant remarquable en ce que le moyen de connexion présente à ses bornes une tension dont la valeur maximale est strictement inférieure à 50 V. Ainsi, l'invention permet à l'utilisateur de recharger un premier stockeur d'énergie électrique en raccordant le véhicule à un réseau électrique de distribution au moyen d'une prise dont la tension ne présente pas de danger d'électrisation grave pour cet utilisateur.
Selon une caractéristique particulière, le dispositif comporte en outre un second stockeur d'énergie électrique, la tension aux bornes du second 3013 166 3 stockeur étant, lors de la recharge du véhicule, égale à la tension aux bornes du moyen de connexion mentionné plus haut. L'invention permet ainsi de recharger, sans danger d'électrisation grave pour l'utilisateur du véhicule, un second stockeur d'énergie électrique. 5 Selon une caractéristique particulière, le dispositif comporte en outre un second convertisseur de tension extérieur au véhicule, pour transférer de l'énergie au moyen de connexion. L'invention permet ainsi d'adapter la tension du réseau électrique à celle plus basse, ne présentant pas de danger d'électrisation grave, du 10 moyen de connexion du véhicule. Selon une caractéristique particulière, le second convertisseur comporte un moyen de protection adapté à limiter la tension aux bornes du moyen de connexion à une valeur inférieure à 16 V. Selon une caractéristique particulière, la tension appliquée par le 15 second convertisseur aux bornes du moyen de connexion est comprise entre 9V et 15 V. Selon une caractéristique particulière, le second convertisseur est adapté à appliquer un courant continu aux bornes du moyen de connexion mentionné plus haut. 20 Selon une caractéristique particulière, le premier convertisseur présente une puissance nominale inférieure à 150 W.L'invention a également pour objet un procédé de recharge d'un véhicule automobile, ce procédé étant remarquable en ce qu'il comporte des étapes adaptées à mettre en oeuvre un dispositif tel que brièvement décrit plus haut. 25 Les avantages du procédé sont similaires à ceux du dispositif et ne sont pas rappelés ici. Dans le même but, l'invention a aussi pour objet un véhicule automobile comportant un dispositif de recharge tel que brièvement décrit plus haut. 30 L'invention sera mieux comprise et d'autres aspects et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple nullement limitatif et en référence aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels : - la figure 1, déjà décrite, est un schéma d'un dispositif de recharge 35 d'un véhicule conforme à l'art antérieur ; - la figure 2 est un schéma d'un dispositif de recharge d'un véhicule conforme à l'invention.
La figure 2 illustre un dispositif de recharge d'un véhicule automobile comportant une prise de recharge 208 et un premier stockeur d'énergie électrique 200, dit batterie de traction. La prise de recharge 208 permet de connecter le véhicule à un réseau de distribution électrique extérieur au véhicule. La batterie de traction 200 permet d'alimenter une machine électrique (non représentée) par l'intermédiaire d'un onduleur (non représenté) pour entraîner des roues motrices (non représentées) du véhicule. Cette batterie de traction 200, par exemple de technologie lithium-ion, délivre un courant continu. La tension aux bornes de la batterie de traction 200 est supérieure à 36 V, généralement inférieure à 400 V et est par exemple comprise dans une plage de fonctionnement de 180 à 260 V. Conformément à l'invention, la tension maximale de la batterie de traction 200 est supérieure à 50 V.
Un second stockeur d'énergie électrique 202, dit batterie de servitude, est installé dans le véhicule pour l'alimentation d'organes électriques du véhicule consommant une faible puissance. Par exemple, la batterie de servitude 202 est de type L3 / 76 A.h (Ampère.heure). Le niveau d'énergie dans la batterie de servitude 202 peut être surveillé par un estimateur de charge (non illustré). La tension aux bornes de la batterie de servitude 202 varie selon les conditions de roulage du véhicule et est généralement comprise entre 6 et 16 V. Elle est par exemple égale à 12,3 V lorsque la batterie 202 n'est pas sollicitée et est généralement égale à 14,4 V lorsque le véhicule se déplace.
Avantageusement, la tension aux bornes de la batterie de servitude 202 est limitée à une valeur maximale de 16 V pour éviter d'endommager les composants électriques des organes alimentés par cette batterie. Par ailleurs, une tension supérieure à 16 V présenterait un risque d'endommagement et d'accélération du vieillissement de cette batterie 202.
Un premier convertisseur de tension 206 est installé dans le véhicule pour relier électriquement la batterie de servitude 202 et la batterie de traction 200. Le premier convertisseur 206 permet de transférer de l'énergie entre la batterie de servitude 202 et la batterie de traction 200 et d'adapter la tension entre ces deux batteries.
La prise 208 est liée électriquement à la batterie de servitude 202 au moyen d'un câble électrique. La tension aux bornes de la prise 208 est donc égale, lors de la recharge, à la tension aux bornes de la batterie de servitude 202, aux pertes électriques en ligne près dans ce câble. Ainsi, le premier convertisseur 206 permet de transférer de l'énergie entre la prise de recharge 208 et la batterie de traction 200.
La batterie de traction 200 et le premier convertisseur 206 peuvent comporter chacun un calculateur électronique de contrôle. Par exemple, le calculateur de contrôle du premier convertisseur 206 surveille la tension et/ou le courant aux bornes de ce convertisseur et le calculateur de contrôle de la batterie de traction 200 surveille la tension et/ou le courant aux bornes de cette batterie. Le réseau de distribution électrique, extérieur au véhicule, comporte une prise de raccordement 216. Ce réseau de distribution est par exemple un réseau domestique délivrant un courant alternatif de 16 A (Ampère) au maximum, sous une tension de 110 V ou de 230 V.
La prise 216 peut être raccordée à la prise de recharge 208, interface utilisateur pour le raccordement du véhicule au réseau de distribution électrique, au moyen d'un câble de recharge 210. Le câble de recharge 210 est muni d'un second convertisseur 204 de tension extérieur au véhicule. Le second convertisseur 204 de tension comporte à ses extrémités des prises électriques 212 et 214. Le second convertisseur 204 de tension permet de transférer de l'énergie entre la prise 216 du réseau de distribution et la prise de recharge 208. Pour la recharge de la batterie de traction 200 et de la batterie de servitude 202, le câble de recharge 210 est connecté à la prise 216 du réseau de distribution électrique et à la prise 208 du véhicule. Le second convertisseur 204 peut comporter un moyen de protection, logiciel et/ou matériel, pour limiter la tension à une valeur inférieure à 16 V aux bornes de la prise 208.
Conformément à l'invention, le second convertisseur 204 de tension permet de délivrer à la prise 208 du véhicule, un courant continu i1, sous une tension ul dont la valeur maximale est strictement inférieure à 50 V. Cette tension, délivrée en courant continu, ne présente pas de danger d'électrisation grave pour l'utilisateur du véhicule.
Par exemple, la tension ul est comprise entre 9 V et 15 V. Dans le cas particulier où la batterie de servitude est déchargée, la tension ul est plus faible. Elle est par exemple comprise entre 6 et 10 V. 3013 166 6 En variante, le second convertisseur 204 peut délivrer à la prise 208 un courant alternatif, sous une tension strictement inférieure à 50 V. Cela permet d'assurer la sécurité de l'utilisateur du véhicule en courant alternatif en le préservant des risques d'électrocution. 5 Afin d'éviter la projection de métal lors d'un débranchement sous charge, le moyen de protection du second convertisseur 204 peut limiter la valeur du courant il à une valeur maximale de 32 A. Le courant il délivré par le convertisseur 204 au niveau de la prise 208 permet de recharger la batterie de servitude 202 et de fournir au premier 10 convertisseur 206 un courant pour la recharge de la batterie de traction 200. Pour éviter d'endommager la batterie de servitude 202, le courant il dépend de la puissance de recharge du véhicule et ne doit pas dépasser 20% à 25% de l'ampérage capacitaire de cette batterie. Par exemple, pour une batterie de servitude de type L3 / 76 A.h, on peut intégrer au second 15 convertisseur 204 une limitation du courant il à 17,3 A. La puissance nominale appliquée par le second convertisseur 204 aux bornes de la prise 208 est inférieure à 2300 W. Par puissance nominale, on entend la puissance maximale pouvant être délivrée aux bornes de la prise 208 en régime permanent. 20 Avantageusement, une puissance nominale inférieure à 1000 W permet de recharger en 2 à 6 heures (par exemple la nuit) les batteries 200 et 202 du véhicule. L'énergie utile des batteries 200 et 202 est généralement comprise entre 50 et 3000 W.h (Watt.heure). Avantageusement, pour la recharge de batteries ayant une énergie 25 utile faible, une puissance nominale inférieure à 250 W peut être suffisante. Pour répondre à d'autres besoins électriques du véhicule, cette puissance nominale peut dans certains cas être comprise entre 250 W et 2300 W. Une partie de la puissance de recharge étant utilisée pour recharger la 30 batterie de servitude 202, dans certains cas, la puissance maximale du premier convertisseur 206 peut être limitée à 150 W, ce qui est suffisant pour la recharge de la batterie de traction 200. Lorsuque, la batterie de traction 200 et/ou le premier convertisseur 206 comportent des calculateurs, ces derniers sont actifs durant la recharge. 35 L'alimentation des autres calculateurs du véhicule est coupée pour limiter les risques liés au vieillissement de leurs composants électroniques. En effet, ces composants ont une durée de vie en fonctionnement de l'ordre de 10 000 heures, inférieure à la durée cumulée des recharges du véhicule, de l'ordre de 50 000 heures.. L'alimentation de l'onduleur et par conséquent de la machine électrique de traction, est coupée pour éviter le déplacement du véhicule durant la recharge. La durée de recharge est définie pour que le niveau d'énergie maximum de la batterie de servitude 202 ne soit pas durablement dépassé durant la recharge. Par exemple, pour une batterie de servitude de type L3 / 76 A.h, une durée de recharge égale à 6 heures est bien adaptée.
Lors de la recharge, les convertisseurs 204 et 206, de même que les batteries 200 et 202, fonctionnent avec une puissance limitée et ne nécessitent donc pas d'être refroidis par un système de refroidissement actif, consommateur de puissance. Par exemple, en considérant une puissance de 150 W dans le premier convertisseur 206 de tension et un rendement de 90%, les pertes électriques sont de l'ordre de 15 W. Ces pertes sont facilement évacuées sous forme de chaleur dans l'air ambiant, par convection naturelle du convertisseur 206. Pour limiter l'échauffement des convertisseurs 204 et 206, un système de déclassement (en anglais « derating ») peut être intégré à ces convertisseurs. Ce système de « derating » limite le courant dans les convertisseurs lorsque des seuils de température sont atteints. Ainsi, un dispositif ou un procédé de recharge d'un véhicule automobile suivant l'invention permet à un utilisateur de ce véhicule de le raccorder à un réseau électrique de distribution au moyen d'une prise électrique dont la tension ne présente pas de danger d'électrisation grave pour cet utilisateur.

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif de recharge d'un véhicule automobile, ledit dispositif comportant : - un moyen (208) de connexion électrique, interface utilisateur pour le raccordement à un réseau de distribution électrique extérieur audit véhicule ; un premier stackeur -d'énergie électrique (200) présentant à ses bornes une tension maximale sterieure à 50 V ; un premier convertisseur {206) de tension adapté à transférer de l'énergie entre ledit moyen (208) de connexion et ledit premier stockeur (200) ; ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre un second convertisseur (204) de tension, pour transférer de l'énergie audit moyen (208) de connexion, ledit second convertisseur (204) délivrant aux bornes dudit moyen (208) de connexion une tension (u1) dont la valeur maximale est strictement inférieure à 50 V.
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un second stockeur d'énergie électrique (202), la tension aux bornes dudit second stockeur (202) étant, lors de la recharge dudit véhicule, égale à la tension (u1) aux bornes dudit moyen (208) de connexion.
  3. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit second convertisseur (204) comporte un moyen de protection adapté à limiter la tension (u1) aux bornes dudit moyen (208) de connexion à une valeur inférieure à 16 V.
  4. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tension (u1) appliquée par ledit second convertisseur (204) aux bornes dudit moyen (208) de connexion est comprise entre 9 V et 15 V.
  5. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit second convertisseur (204) est adapté à appliquer un courant continu aux bornes dudit moyen (208) de connexion.
  6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier convertisseur (206) présente une puissance nominale inférieure à 150 W.
  7. 7. Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de recharge selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.
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