FR3148197A1 - Procédé de détermination d’une plage d’utilisation d’une batterie de véhicule automobile hybride - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un procédé de pilotage d’un groupe motopropulseur d’un véhicule automobile hybride, ledit groupe motopropulseur comprenant un moteur à combustion interne et une machine électrique alimentée en courant par une batterie d’accumulateurs, le procédé comprenant des étapes de :
- acquisition d’une première donnée relative à une température (Text) dans ou autour du véhicule automobile,
- acquisition d’une seconde donnée relative au vieillissement de la batterie d’accumulateurs,
- détermination d’une plage d’utilisation (Pu) de la batterie d’accumulateurs, en fonction de la première donnée et de la seconde donnée, et
- commande du groupe motopropulseur en fonction de la plage d’utilisation déterminée.
Selon l’invention, ladite plage d’utilisation comporte au moins deux zones de niveau de charge (BSOC) de la batterie d’accumulateurs distinctes, dont une zone (III) préférée et une zone (I) inférieure, et, lorsque le niveau de charge de la batterie d’accumulateurs est situé dans la zone inférieure, le groupe motopropulseur est commandé en désactivant au moins une fonction d’agrément du groupe motopropulseur et en laissant active au moins une fonction primaire du groupe motopropulseur
Figure pour l’abrégé : Fig.2
Description
La présente invention concerne de manière générale le domaine des véhicules hybrides, c’est-à-dire des véhicules comportant un groupe motopropulseur équipé d’une machine électrique alimentée en courant électrique par une batterie d’accumulateurs dite de traction, et d’un moteur à combustion interne alimenté en carburant.
L’invention concerne plus particulièrement un procédé de pilotage d’un tel groupe motopropulseur, permettant de maintenir le niveau de charge de la batterie de traction dans une plage d’utilisation adéquate.
L’invention trouve une application particulièrement avantageuse dans les véhicules hybrides à autonomie électrique limitée, c’est-à-dire dans les véhicules équipés de batterie de traction ayant des capacités réduites, typiquement de moins de 10kWh.
Un véhicule hybride comporte une chaîne de traction thermique conventionnelle (avec un moteur à combustion interne et un réservoir de carburant) et une chaîne de traction électrique (avec une machine électrique et une batterie d’accumulateurs).
Un tel véhicule hybride est susceptible d’être tracté par sa seule chaîne de traction thermique, ou simultanément par ses deux chaînes de traction électrique et thermique.
La batterie d’accumulateurs présente une plage d’utilisation qui est restreinte par rapport à l’ensemble de la plage qui pourrait théoriquement être utilisée. A titre d’exemple, il n’est pas souhaitable, sauf à détériorer la batterie de traction, de la décharger complètement.
La détermination de cette plage d’utilisation résulte d’un compromis entre différents paramètres tels que l’énergie totale que l’on souhaite rendre disponible (on souhaite maximiser la borne supérieure et minimiser la borne inférieure de cette plage), la durée de vie espérée de la batterie (il faut alors minimiser la borne supérieure pour optimiser cette durée de vie), la puissance électrique minimum que l’on souhaite que la batterie puisse développer à tout moment (il faut alors augmenter la borne inférieure pour que cette puissance électrique disponible reste supérieure à un seuil)…
Ce compromis doit en outre garantir des prestations satisfaisantes tant en termes de dépollution que de gain de consommation de carburant, pendant toute la durée de vie du véhicule.
Dans l’éventualité où la batterie est utilisée pour démarrer le moteur à combustion interne, ce compromis doit également prendre en compte le fait que ce démarrage doit être possible dans toutes les situations, même après un stationnement prolongé du véhicule à une température faible.
C’est dans ce cadre que le document FR3025663 propose un procédé selon lequel le niveau de charge minimal de la batterie est déterminé de façon à augmenter lorsque la batterie vieillit.
La présente invention propose de réaliser le compromis précité de façon différente.
Plus particulièrement, on propose selon l’invention un procédé de pilotage d’un groupe motopropulseur de véhicule automobile hybride, comprenant des étapes de :
- acquisition d’une première donnée relative à une température dans ou autour du véhicule automobile,
- acquisition d’une seconde donnée relative au vieillissement de la batterie d’accumulateurs,
- détermination d’une plage d’utilisation de la batterie d’accumulateurs, en fonction de la première donnée et de la seconde donnée, cette plage d’utilisation comportant au moins deux zones de niveau de charge de la batterie d’accumulateurs distinctes, dont une zone préférée et une zone inférieure, et
- commande du groupe motopropulseur de façon différente en fonction de la plage d’utilisation déterminée, de telle sorte que, lorsque le niveau de charge de la batterie d’accumulateurs est situé dans la zone inférieure, le groupe motopropulseur est commandé en désactivant au moins une fonction d’agrément du groupe motopropulseur et en laissant active au moins une fonction primaire du groupe motopropulseur.
- acquisition d’une première donnée relative à une température dans ou autour du véhicule automobile,
- acquisition d’une seconde donnée relative au vieillissement de la batterie d’accumulateurs,
- détermination d’une plage d’utilisation de la batterie d’accumulateurs, en fonction de la première donnée et de la seconde donnée, cette plage d’utilisation comportant au moins deux zones de niveau de charge de la batterie d’accumulateurs distinctes, dont une zone préférée et une zone inférieure, et
- commande du groupe motopropulseur de façon différente en fonction de la plage d’utilisation déterminée, de telle sorte que, lorsque le niveau de charge de la batterie d’accumulateurs est situé dans la zone inférieure, le groupe motopropulseur est commandé en désactivant au moins une fonction d’agrément du groupe motopropulseur et en laissant active au moins une fonction primaire du groupe motopropulseur.
Au contraire, toutes les fonctions primaires et d’agrément sont laissées actives lorsque le niveau de charge de la batterie d’accumulateurs est situé dans la zone préférée.
Ainsi, grâce à l’invention, la zone inférieure forme une zone tampon entre la zone d’utilisation courante de la batterie et la zone dans laquelle la batterie n’est pas utilisable. Cette zone tampon se distingue de la zone préférée en ce sens que lorsque le niveau de charge de la batterie de traction s’y trouve, le groupe motopropulseur est commandé de façon particulière. De cette manière, lorsque le niveau de charge de la batterie de traction baisse, il n’est pas prévu d’interrompre brutalement l’usage de cette batterie mais il est au contraire prévu de désactiver progressivement certains de ses usages. Cette solution s’avère plus confortable pour l’utilisateur et offre de meilleures prestations en termes de gain de carburant et de dépollution.
Cette solution permet même d’abaisser le seuil minimal de charge de la batterie puisque seuls les usages essentiels seront autorisés à tirer du courant de la batterie lorsque son niveau de charge se trouvera dans la zone tampon.
D’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du procédé conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes :
- la machine électrique étant adaptée à démarrer le moteur à combustion interne, la fonction primaire consiste à autoriser le démarrage du moteur à combustion interne ;
- la fonction d’agrément consiste à autoriser la machine électrique à propulser le véhicule automobile ;
- la seconde donnée comporte l’âge de la batterie d’accumulateurs ;
- ladite étape de détermination est opérée à l’aide d’au moins deux cartographies distinctes dans chacune desquelles une plage d’utilisation prédéfinie varie en fonction de la première donnée uniquement, les deux cartographies correspondant à des secondes données distinctes ;
- la plage d’utilisation est déterminée en lisant dans au moins deux cartographies des bornes de la plage d’utilisation prédéfinie associée à la première donnée acquise, puis en calculant des bornes de la plage d’utilisation en fonction des bornes lues et de la seconde donnée ;
- la zone préférée présente une limite inférieure de niveau de charge qui passe par un point défini de telle sorte que lorsque la température à l’extérieur du véhicule automobile est de -10°C et que la batterie d’accumulateurs délivre une puissance prédéterminée pendant une durée prédéterminée, le niveau de charge n’atteigne pas la zone inférieure ;
- la zone préférée présente une limite supérieure de niveau de charge qui passe par un point défini de telle sorte que lorsque la température à l’extérieur du véhicule automobile est de 10°C et que la batterie d’accumulateurs reçoit une puissance prédéterminée pendant une durée prédéterminée, le niveau de charge initialement sur la limite supérieure ne sorte pas de la plage d’utilisation ;
- ladite plage d’utilisation comporte une zone supérieure et, lorsque le niveau de charge de la batterie d’accumulateurs est situé dans cette zone supérieure, le groupe motopropulseur est commandé de manière que la machine électrique propulse le véhicule automobile ;
- ladite plage d’utilisation comporte une zone intermédiaire située entre la zone préférée et la zone et, lorsque le niveau de charge de la batterie d’accumulateurs est situé dans cette zone intermédiaire, le groupe motopropulseur est commandé de manière que le moteur à combustion interne recharge la batterie d’accumulateurs lorsqu’il se trouve dans une gamme de points de fonctionnement à haut rendement.
- la machine électrique étant adaptée à démarrer le moteur à combustion interne, la fonction primaire consiste à autoriser le démarrage du moteur à combustion interne ;
- la fonction d’agrément consiste à autoriser la machine électrique à propulser le véhicule automobile ;
- la seconde donnée comporte l’âge de la batterie d’accumulateurs ;
- ladite étape de détermination est opérée à l’aide d’au moins deux cartographies distinctes dans chacune desquelles une plage d’utilisation prédéfinie varie en fonction de la première donnée uniquement, les deux cartographies correspondant à des secondes données distinctes ;
- la plage d’utilisation est déterminée en lisant dans au moins deux cartographies des bornes de la plage d’utilisation prédéfinie associée à la première donnée acquise, puis en calculant des bornes de la plage d’utilisation en fonction des bornes lues et de la seconde donnée ;
- la zone préférée présente une limite inférieure de niveau de charge qui passe par un point défini de telle sorte que lorsque la température à l’extérieur du véhicule automobile est de -10°C et que la batterie d’accumulateurs délivre une puissance prédéterminée pendant une durée prédéterminée, le niveau de charge n’atteigne pas la zone inférieure ;
- la zone préférée présente une limite supérieure de niveau de charge qui passe par un point défini de telle sorte que lorsque la température à l’extérieur du véhicule automobile est de 10°C et que la batterie d’accumulateurs reçoit une puissance prédéterminée pendant une durée prédéterminée, le niveau de charge initialement sur la limite supérieure ne sorte pas de la plage d’utilisation ;
- ladite plage d’utilisation comporte une zone supérieure et, lorsque le niveau de charge de la batterie d’accumulateurs est situé dans cette zone supérieure, le groupe motopropulseur est commandé de manière que la machine électrique propulse le véhicule automobile ;
- ladite plage d’utilisation comporte une zone intermédiaire située entre la zone préférée et la zone et, lorsque le niveau de charge de la batterie d’accumulateurs est situé dans cette zone intermédiaire, le groupe motopropulseur est commandé de manière que le moteur à combustion interne recharge la batterie d’accumulateurs lorsqu’il se trouve dans une gamme de points de fonctionnement à haut rendement.
L’invention porte aussi sur un véhicule automobile hybride, comprenant :
- un groupe motopropulseur qui comprend un moteur à combustion interne et une machine électrique alimentée en courant par une batterie d’accumulateurs, et
- un calculateur programmé pour mettre en œuvre un procédé de pilotage tel que précité.
- un groupe motopropulseur qui comprend un moteur à combustion interne et une machine électrique alimentée en courant par une batterie d’accumulateurs, et
- un calculateur programmé pour mettre en œuvre un procédé de pilotage tel que précité.
Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée.
Sur les dessins annexés :
Sur la , on a représenté un véhicule automobile 1.
Ce véhicule automobile pourrait être d’un type quelconque (camion, car, navire, avion…). Il s’agit ici d’une voiture qui comporte classiquement des roues 11, 12 et un châssis qui supporte notamment un groupe motopropulseur 15, des éléments de carrosserie et des éléments d’habitacle.
Ce véhicule automobile 1 est du type hybride. Dès lors, le groupe motopropulseur 15 comporte une chaîne de traction thermique et une chaîne de traction électrique.
La chaîne de traction thermique comporte notamment un réservoir de carburant 17A, un circuit d’alimentation en carburant qui prend naissance dans le réservoir, et un moteur à combustion interne 17 alimenté en carburant par le circuit d’alimentation.
La chaîne de traction électrique comporte quant à elle une batterie d’accumulateurs 16A (dite « batterie de traction ») et au moins une machine électrique 16 alimentée en courant électrique par la batterie de traction.
On pourrait envisager différentes configurations de groupes motopropulseurs.
Ici, cette configuration est telle que le véhicule hybride est susceptible d’être tracté par sa seule chaîne de traction thermique (en mode tout-thermique) ou simultanément par ses deux chaînes de traction électrique et thermique.
Cette configuration est telle qu’il est possible de régénérer la batterie de traction 16A, c’est-à-dire de la recharger, de deux manières différentes.
La première consiste à réaliser un freinage récupératif, c’est-à-dire un freinage lors duquel l’énergie cinétique du véhicule est transformée en énergie électrique de recharge de la batterie.
La seconde consiste à utiliser le moteur à combustion interne 17. Cette seconde manière de régénérer la batterie de traction est de préférence employée sur des plages de fonctionnement du moteur à combustion interne dans lesquelles le rendement de ce dernier est élevé.
Ici, la machine électrique 16 est couplée au moteur à combustion interne 17 par une boîte 18 telle qu’elle peut servir d’alternateur pour ce moteur.
Dans le mode de réalisation ici envisagé, il s’agit donc d’un alterno-démarreur qui a pour fonction de :
- réaliser la régénération de la batterie de traction,
- démarrer le moteur à combustion interne (il n’est pas prévu de démarreur dédié), et de
- tracter au besoin le véhicule automobile 10 (conjointement avec le moteur à combustion interne).
- réaliser la régénération de la batterie de traction,
- démarrer le moteur à combustion interne (il n’est pas prévu de démarreur dédié), et de
- tracter au besoin le véhicule automobile 10 (conjointement avec le moteur à combustion interne).
La batterie de traction peut être d’un type quelconque, par exemple du type Lithium-Ion. Elle comprend un boîtier qui loge des cellules électrochimiques. Elle présente une tension à ses bornes limitée, préférentiellement inférieure à 100 V (ici de l’ordre de 50 V). Elle présente en outre une capacité réduite, typiquement inférieure à 10kWh. Du fait de ces caractéristiques, elle ne permettra pas de tracter à elle seule le véhicule automobile 10, mais pourra en revanche aider le moteur à combustion interne.
Cette batterie de traction présente un niveau de charge BSOC, qui sera ici défini comme rapport entre la capacité instantanée de la batterie sur sa capacité nominale. Ce niveau de charge s’exprime en pourcentage.
Elle présente un état de vieillissement qui pourrait s’exprimer de différentes manières. Ici, il sera exprimé en nombre d’années d’utilisation de la batterie. En variante ou en complément, il pourrait s’exprimer à l’aide d’un paramètre référencé SOHE (State Of Health Energy), relatif au rapport de l’énergie (c’est-à-dire de la capacité) maximale que la batterie de traction peut stocker à un instant courant sur l’énergie maximale que la batterie pouvait stocker en début de vie.
Cette batterie de traction comporte également une unité de contrôle BMS (de l’anglais « Battery Management System ») qui permet notamment de mesurer les caractéristiques des cellules et de la batterie (tension aux bornes, niveau de charge BSOC…).
Le véhicule automobile comprend par ailleurs une unité électronique de commande, appelée ici calculateur, permettant notamment de commander les deux chaînes de traction précitées (notamment les puissances développées par la machine électrique et par le moteur à combustion interne).
Le calculateur comprend un processeur, une unité de mémorisation (appelée ci-après mémoire), et une interface de communication.
Grâce à son interface, le calculateur est adapté à communiquer avec l’unité de contrôle BMS et avec des capteurs, pour déterminer notamment la température extérieure Text(définie comme la température instantanée sur la face extérieure de la batterie mais il pourrait s’agir d’une température autre, par exemple à l’extérieur du véhicule automobile). Il est en outre adapté à commander le moteur à combustion interne 17 et la machine électrique 16.
La mémoire enregistre des données utilisées dans le cadre du procédé décrit ci-dessous.
Elle enregistre notamment une application informatique, constituée de programmes d’ordinateur comprenant des instructions dont l’exécution par le processeur permet la mise en œuvre par le calculateur du procédé décrit ci-après.
A ce stade, on peut définir la notion de « cycle de contrôle des émissions du groupe motopropulseur ».
Un tel cycle correspond à un protocole de tests permettant d’évaluer les émissions polluantes d’un véhicule dans des conditions de roulage prédéterminées.
On connaît ainsi le cycle WLTC (de l’anglais « Woldwide Harmonized light Vehicles test Cycles », également appelé cycle WLTP), qui consiste à faire rouler un véhicule à quatre vitesses prédéterminées pendant 30 minutes, sur une distance de 23,2 km et à mesurer ses émissions polluantes. Ce test est réalisé une première fois avec une batterie initialement chargée, et une seconde fois avec une batterie initialement déchargée.
On connaît également le cycle RDE (de l’anglais « Real driving emission »). Selon ce cycle, il est prévu deux phases de test, une première phase de roulage sur route ouverte, selon un parcours prédéfini qui combine des cycles en ville, en zone interurbaine et sur autoroute, et une seconde phase de roulage sur bancs d’essais.
Dans la suite de cet exposé, une plage d’utilisation de la batterie de traction sera définie comme une plage de niveaux de charge BSOC au sein de laquelle la batterie de traction pourra être utilisée conformément à l’invention et en dehors de laquelle le niveau de charge ne devra jamais se trouver.
Comme le montre la , la plage d’utilisation théorique de la batterie de traction est comprise entre un niveau de charge égal à 0% et un niveau de charge égal à 100%.
En pratique, la plage d’utilisation Pu de la batterie de traction sera comprise entre une borne inférieure BSOCmin et une borne supérieure BSOCmax distinctes de 0 et 100%, de manière à garantir la durabilité de la batterie et un niveau de prestations suffisant.
En pratique, ces bornes varient en fonction de la température extérieure Textet du vieillissement de la batterie de traction.
Sur la , on a représenté les variations de ces bornes inférieure BSOCmin et borne supérieure BSOCmax en fonction de la température extérieure Text.
Ainsi, cette représente une cartographie Cart0de ces bornes pour un état de vieillissement donné de la batterie (ici en début de vie de la batterie).
La illustre une cartographie Cart15similaire, établie pour un autre état de vieillissement donné de la batterie (ici en fin de vie de la batterie, c’est-à-dire après 15 ans d’utilisation).
Bien que pour la mise en œuvre du procédé décrit supra, deux cartographies suffiraient, il en est ici établi davantage. Il en est plus précisément établi trois, la troisième cartographie Cart8étant établie à mi-vie de la batterie, c’est-à-dire après 8 ans d’utilisation. Cette troisième cartographie Cart8n’est pas illustrée sur les figures.
Entre ces trois âges de batterie, on réalisera une interpolation linéaire pour déterminer la plage d’utilisation de la batterie compte tenu de l’âge exact de la batterie.
Comme le montre la , la plage d’utilisation Pu de la batterie de traction 16A est donc comprise entre deux courbes illustrant les variations des borne inférieure BSOCmin et borne supérieure BSOCmax en fonction de la température extérieure Text.
Entre ces courbes, on considérera différentes zones I, II, III, IV au sein desquelles le groupe motopropulseur sera piloté de manière différente, comme cela sera exposé en détail ci-après. Ces quatre zones sont séparées par des courbes qui représentent des bornes intermédiaires BSOC1, BSOC2, BSOC3 et qui varient également en fonction de la température extérieure Textet de l’état de vieillissement de la batterie de traction.
A ce stade, on peut d’ores et déjà préciser que la zone III correspond à la plage privilégiée d’utilisation de la batterie de traction, tandis que les zones I et IV (et la zone II dans une moindre mesure) correspondent à des plages de sécurité au sein desquelles la batterie restera utilisable mais au sein desquelles le groupe motopropulseur sera commandé de façon à faire revenir autant que possible le niveau de charge dans la zone III.
On notera que toutes les bornes illustrées sur la varient en fonction de la température extérieure Text, entre -30°C et 10°C. Au-delà de 10°C, elles présenteront des valeurs constantes identiques à celles qu’elles présentent à 10°C. On ne s’intéressera par ailleurs pas ici à des températures en deçà de -30°C.
Par simplification, ces bornes varient toutes sous la forme de fonctions affines par morceaux ayant un premier coefficient directeur entre -30°C et -10°C, et un second coefficient directeur entre -10°C et 10°C. Bien entendu, d’autres formes de fonctions auraient pu être envisagées mais cette forme-là a l’avantage d’être simple et de fournir de bons résultats notamment lors des cycles de contrôle des émissions du groupe motopropulseur.
On peut maintenant décrire plus en détail comment les bornes sont définies.
La borne inférieure BSOCmin est telle que la batterie d’accumulateurs 16A soit toujours en mesure de démarrer le moteur à combustion interne 17, quelle que soit la température extérieure Text(pour autant que cette dernière soit supérieure à -30°C). Il n’est donc pas autorisé d’utiliser la batterie de traction dans la zone située sous cette borne puisque la puissance disponible ne permettrait pas de démarrer le moteur à combustion interne.
Il se trouve que la puissance disponible pour alimenter la machine électrique 16 diminue lorsque le niveau de charge BSOC de la batterie d’accumulateurs 16A diminue, lorsque la température extérieure Textbaisse et lorsque la batterie vieillit.
Cette borne inférieure BSOCmin présente donc des coefficients directeurs négatifs et/ou nuls.
Pour paramétrer cette borne inférieure BSOCmin, on utilise ici un premier point pivot P1 (voir ) à partir duquel les segments représentatifs de la variation de la borne inférieure BSOCmin s’étendent.
Ce premier point pivot P1 correspond au niveau de charge nécessaire pour démarrer le moteur à combustion interne 17 à la température extérieure la plus contraignante pour cela, qui est ici de -30°C.
En pratique, ce niveau de charge est choisi de façon à ce que la batterie de traction puisse délivrer une puissance électrique suffisante pour ce démarrage, pendant une durée prédéterminée. Cette puissance est ici au minimum de 3kW pendant 2 secondes.
En pratique, le niveau de charge BSOC de ce premier point pivot P1 est ici de :
- 57% en début de vie, ce qui lui permet de délivrer 8kW,
- 53% à mi-vie, ce qui lui permet de délivrer 5kW,
- 47% en fin de vie, ce qui lui permet de délivrer 3kW.
- 57% en début de vie, ce qui lui permet de délivrer 8kW,
- 53% à mi-vie, ce qui lui permet de délivrer 5kW,
- 47% en fin de vie, ce qui lui permet de délivrer 3kW.
On observe ici que le point pivot P1 pourrait, en début et à mi-vie de la batterie, avoir une valeur de niveau de charge plus réduite. Toutefois, il a été choisi de ne pas trop réduire ce niveau de charge minimum en début de vie pour préserver aussi longtemps que possible l’état de santé de la batterie et pour que la capacité de la batterie ne varie pas exagérément au cours de sa durée de vie. De plus, le haut niveau de charge BSOC utile pour la batterie en début de vie permet d'augmenter le niveau de performance global de la batterie d’accumulateurs, permettant ainsi de tirer plus de puissance en décharge.
La borne supérieure BSOCmax est pour sa part paramétrée de telle sorte que l’utilisation de la batterie en-deçà de cette borne ne la détériore pas et que la batterie soit toujours utilisée dans une plage de niveau de charge où elle présente de bonnes performances.
Ici la borne supérieure BSOCmax présente une valeur d’environ :
- 85% entre -30°C et -10°C, puis une valeur qui décroit au-delà, en début de vie et à mi-vie,
- 80% à -30°C et qui augmente jusqu’à 85% à -10°C, puis une valeur qui est constante au-delà, en fin de vie.
- 85% entre -30°C et -10°C, puis une valeur qui décroit au-delà, en début de vie et à mi-vie,
- 80% à -30°C et qui augmente jusqu’à 85% à -10°C, puis une valeur qui est constante au-delà, en fin de vie.
La borne BSOC1, la plus proche de la borne inférieure BSOCmin, délimite avec celle-ci une zone de désactivation I.
L’idée est que lorsque le niveau de charge BSOC de la batterie de traction se trouve dans cette zone, le calculateur mette tout en œuvre pour augmenter ce niveau de charge.
En pratique, dans cette zone, le calculateur 13 pilotera le groupe motopropulseur de façon à ce que le moteur à combustion interne 17 entraîne la machine électrique 16 et régénère la batterie de traction 16A dès que cela s’avère possible.
En outre, dans cette zone, le calculateur 13 pilotera le groupe motopropulseur de façon à désactiver au moins une fonction d’agrément de ce groupe motopropulseur 15 et à laisser active au moins une fonction primaire du groupe motopropulseur 15.
La chaîne de traction électrique permet en effet d’offrir différentes fonctions dont certaines sont qualifiées d’agrément et d’autres de primaire, en ce sens que les fonctions primaires sont plus importantes (voire essentielles) que les fonctions d’agrément.
Typiquement, une fonction primaire consiste à autoriser la machine électrique 16 à consommer de l’énergie électrique stockée dans la batterie d’accumulateurs 16A pour démarrer le moteur à combustion interne, et l’amener directement à 1000 tours par minute avant de démarrer l’injection de carburant 17.
D’autres fonctions primaires seraient par exemple la fonction décrit ci-après de « peak-shaving », les fonctions connues sous les appellations d’ « overboost », de « shifting », et de « torque split » : assistance du démarreur BSG de type alterno-démarreur) au moteur à combustion interne, la fonction de recharge de fin de mission qui permet d’assurer la fonction de dépollution au roulage suivant, la fonction « e-cat » d’alimentation de grilles chauffantes au pot catalytique (fonction dépollution)…
Une fonction d’agrément consiste par exemple à autoriser la machine électrique 16 à consommer de l’énergie électrique stockée dans la batterie d’accumulateurs 16A pour propulser le véhicule en mode hybride, afin d’offrir au véhicule de plus fortes accélérations.
D’autres fonctions d’agrément seraient par exemple la fonction dite d’engine lag (assistance fournie par le démarreur BSG vers le moteur à combustion interne lorsque ce dernier tourne à faibles tours-minute (800-2000rpm)), la fonction dite de « ICE restart » (à savoir de rapide redémarrage après un arrêt du moteur du à une fonction de « coasting stop » ou de « sailing stop »), la fonction de chauffage du pare-brise.
Ainsi, dans la zone de désactivation I, les fonctions d’agrément ne peuvent plus être utilisées, alors que les fonctions primaires restent utilisables au besoin.
On comprend ainsi que grâce à la zone de désactivation I, lorsque le niveau de charge BSOC de la batterie de traction 16A baissera progressivement, le calculateur n’interdira pas brutalement l’usage de cette batterie.
En pratique, la plage ΔIde niveau de charge, qui correspond à l’écart entre les deux bornes BSOCmin et BSOC1, présente une valeur constante quelle que soit la température extérieure Textet quel que soit l’âge de la batterie de traction, laquelle correspond à une quantité d’énergie de 60 Wh.
Aussi est-il possible de tracer la courbe représentative de la borne BSOC1 sur cette base, pour chaque cartographie Cart0, Cart8, Cart15.
La borne BSOC2 délimite avec la borne BSOC1 une zone de marge de sécurité II.L’idée est que lorsque le niveau de charge BSOC de la batterie de traction 16A se trouve dans cette zone, le calculateur tente d’augmenter ce niveau de charge lorsque les conditions sont favorables.
En pratique, dans cette zone, le calculateur 13 pilotera le groupe motopropulseur 15 de façon à régénérer la batterie de traction 16A au moyen du moteur à combustion interne 17 dès que des conditions favorables seront réunies (en pratique, lorsque le moteur à combustion interne se trouvera dans une plage de fonctionnement à haut rendement).
En pratique, cette zone de marge de sécurité II s’étend sur une plage ΔIIde niveau de charge telle que la batterie de traction 16A puisse rester dans cette zone sur l’ensemble d’un cycle RDE, lorsqu’au début de ce cycle le niveau de charge BSOC était situé sur la courbe représentative de la borne BSOC2.
Pour paramétrer la courbe représentative de la borne BSOC2, on a alors considéré les informations suivantes.
La règlementation Euro7 est très contraignante mais ne devrait concerner que les températures extérieures supérieures à -10°C. Une solution pour la respecter consisterait à utiliser la machine électrique 16 en mode moteur lorsque les conditions d’utilisation du moteur à combustion interne 17 génèrent le plus d’émissions polluantes. En pratique, ces conditions interviennent notamment lors d’un démarrage à froid du moteur.
Par exemple, lors d’un tel démarrage, si le conducteur appuie sur l’accélérateur de telle sorte qu’une demande de puissance de 100kW est requise, on peut prévoir que 90kW soient fournis par le moteur à combustion interne et que les 10kW restant le soient par la machine électrique, laquelle puise son énergie dans la batterie d’accumulateurs. Ainsi, il convient de définir dans quelle mesure la machine électrique 16 doit épauler le moteur à combustion interne 17 afin de réduire les émissions polluantes de ce dernier au cours d’un cycle RDE. Cette fonction est connue sous l’appellation anglaise de « peak-shaving » (ou écrêtage des pics). Le but est de limiter l'émission de polluants lorsque cette fonction est activée, après un démarrage à froid par exemple. Dans cet exemple, le système de traitement des polluants n'est pas capable de traiter ceux émis par le moteur à combustion interne lorsque ce dernier développe 100kW.
Une fois ces conditions définies, il est donc possible de déterminer les coordonnées d’un point P2 défini à -10°C (température la plus contraignante dans la norme Euro7). Ici, l’ordonnée de ce point est définie pour assurer une décharge à une puissance d’au moins 9kW pendant 10 secondes.
En pratique, la plage ΔIIde niveau de charge, qui correspond à l’écart entre les deux bornes BSOC1 et BSOC2, présente une valeur constante quelle que soit la température extérieure Textau-dessus de -10°C et quel que soit l’âge de la batterie, laquelle correspond à une quantité d’énergie de 80 Wh. De cette façon, la batterie pourra fournir une puissance, à -10°C de :
- 14kW en début de vie,
- 12kW à mi-vie, et
- 9kW en fin de vie, ce qui sera plus faible que souhaité mais suffisant toutefois.
- 14kW en début de vie,
- 12kW à mi-vie, et
- 9kW en fin de vie, ce qui sera plus faible que souhaité mais suffisant toutefois.
On notera que cette quantité d’énergie sera constante également en deçà de la température de -10°C sur les cartographies Cart0, Cart8de début et milieu de vie de la batterie, mais qu’elle sera de plus en plus faible lorsque la température extérieure diminuera de -10°C à -30°C sur la cartographie Cart15de fin de vie de batterie.
Aussi est-il possible de tracer la courbe représentative de la borne BSOC2 sur cette base, pour chaque cartographie Cart0, Cart8, Cart15.
Les deux bornes BSOC2 et BSOC3 délimitent entre elles la zone nominale III.
Cette zone nominale III est celle à l’intérieure de laquelle on souhaite que le niveau de charge BSOC de la batterie de traction demeure le plus souvent possible puisque c’est dans cette zone que ses performances sont les meilleures. En d’autres termes, lorsque la batterie de traction 16A présente un niveau de charge BSOC situé dans cette zone, il est possible de piloter le groupe motopropulseur de façon à réduire autant que possible la consommation en carburant du moteur à combustion interne.
En effet, dans cette zone, l’énergie issue des phases de régénération utilisant l’énergie cinétique du véhicule peut ensuite être utilisée pour alimenter la machine électrique 16 en courant de façon à réduire la puissance que le moteur à combustion interne 17 doit développer.
En pratique, cette zone nominale III s’étend sur une plage ΔIIIde niveau de charge telle que la batterie de traction puisse rester dans cette zone sur l’ensemble d’un cycle WLTC.
Cette plage, qui correspond à l’écart entre les deux bornes BSOC2 et BSOC3, présente une valeur qui croît avec la température extérieure Text, du fait des contraintes dépollution.
Cette plage est ici :
- en début de vie, de 141Wh à 10°C, 60Wh à -10°C et 57Wh à -30°C,
- à mi-vie, de 130Wh à 10°C, 56Wh à -10°C et 55Wh à -30°C,
- en fin de vie, de 132Wh à 10°C, 53Wh à -10°C et 53Wh à -30°C,
- en début de vie, de 141Wh à 10°C, 60Wh à -10°C et 57Wh à -30°C,
- à mi-vie, de 130Wh à 10°C, 56Wh à -10°C et 55Wh à -30°C,
- en fin de vie, de 132Wh à 10°C, 53Wh à -10°C et 53Wh à -30°C,
On observe que ces valeurs varient peu (de moins de 10%) en fonction de l’âge de la batterie, mais varient fortement avec la température extérieure Text.
Aussi est-il possible de tracer la courbe représentative de la borne BSOC3 sur cette base, pour chaque cartographie Cart0, Cart8, Cart15.
La borne BSOC3, la plus proche de la borne supérieure BSOCmax, délimite avec celle-ci la zone de sécurité IV.
Cette zone de sécurité IV est celle à l’intérieure de laquelle on souhaite moduler la régénération. En effet, lorsque le niveau de charge BSOC de la batterie est élevée, il peut arriver que la régénération ne soit plus possible pour ne pas passer au-delà de la borne supérieure BSOCmax.
En pratique, cette zone de sécurité IV s’étend sur une plage ΔIVde niveau de charge, qui correspond à l’écart entre les deux bornes BSOC3 et BSOCmax, et qui présente une valeur constante quelle que soit la température extérieure Textet quel que soit l’âge de la batterie de traction.
Cet écart est ici de 30Wh. Il est choisi de la manière suivante.
Lorsque la batterie présente un niveau de charge BSOC situé sur la borne BSOC3, il doit demeurer possible de recharger la batterie pendant une phase de régénération de quelques secondes, ici 10 secondes, à une puissance élevée (qui dépend des caractéristiques du véhicule et de son groupe motopropulseur). Cette puissance est ici d’au moins 8kW. L’idée est que le système soit capable d'absorber la valeur de puissance maximale en fin de cycle WLTC lors d’un lever de pied (le cycle se termine par une décélération de 130 km/h à 0 km/h).
Ces données permettent donc de définir un point pivot P3 à une température de 10°C (température où la recharge est la plus efficace) permettant de satisfaire ces conditions.
De cette façon, la batterie pourra recevoir une puissance, à 10°C de :
- 14kW en début de vie,
- 11kW à mi-vie, et
- 8kW en fin de vie.
- 14kW en début de vie,
- 11kW à mi-vie, et
- 8kW en fin de vie.
A ce stade, les trois cartographie Cart0, Cart8, Cart15sont donc bien définies.
On peut donc décrire comment, en pratique, le groupe motopropulseur 15 est piloté en fonction des conditions rencontrées.
Ce procédé est mis en œuvre en boucle, c’est-à-dire de manière récursive à intervalles de temps réguliers.
Il comporte plusieurs étapes.
La première étape consiste pour le calculateur à acquérir une première donnée de température. Il pourra par exemple s’agir de la température de la batterie notée Text.
La seconde étape consiste à acquérir une seconde donnée relative au vieillissement de la batterie d’accumulateurs 16A. Comme cela a été évoqué supra, il s’agit ici de l’âge de la batterie.
La troisième étape consiste à en déduire la plage d’utilisation Pu de la batterie d’accumulateurs 16A à cette température et pour cet âge.
En pratique, ici, le calculateur 13 commence pour cela par acquérir les deux cartographies Cart0, Cart8, Cart15associées aux âges les plus proches de l’âge de la batterie. A titre d’exemple, si la batterie de traction 16A est utilisée depuis 10 ans, le calculateur acquiert les deux cartographies Cart8et Cart15.
Il lit ensuite, dans ces deux cartographies, les valeurs des bornes BSOCmin, BSOC1, BSOC2, BSOC3, BSOCmax associées à la température extérieure Textmesurée.
Il peut alors en déduire, par régression linéaire, la valeur de ces mêmes bornes compte tenu de l’âge exact de la batterie. Dans l’exemple ci-dessus, si les valeurs de la borne inférieure BSOCmin sont de 52% dans la cartographie Cart8et de 45% dans la cartographie Cart15, la valeur retenue de la borne inférieure sera de 50%.
Une fois la plage d’utilisation de la batterie bien définie par l’ensemble de ces bornes, le calculateur commande le groupe motopropulseur 15 de manière différente selon la zone dans laquelle se trouve le niveau de charge BSOC de la batterie.
Comme cela a été expliqué supra :
- dans la zone I, les fonctions d’agrément du groupe motopropulseur 15 sont désactivées et la batterie est régénérée à l’aide du moteur à combustion interne 17 dès que cela est possible,
- dans la zone II, toutes les fonctions du groupe motopropulseur 15 sont activées et la batterie est régénérée à l’aide du moteur à combustion interne 17 dès que ce dernier fonctionne sur une plage à haut rendement,
- dans la zone III, toutes les fonctions du groupe motopropulseur 15 sont activées et le groupe motopropulseur 15 est utilisé pour réduire au mieux les émissions polluantes et la consommation du moteur à combustion interne, et
- dans la zone IV, la fonction de freinage récupératif est surveillée afin de s’assurer que le niveau de charge BSOC ne dépasse pas la borne supérieure BSOCmax, et la machine électrique 16 est activée en mode moteur pour réduire ce niveau de charge BSOC.
- dans la zone I, les fonctions d’agrément du groupe motopropulseur 15 sont désactivées et la batterie est régénérée à l’aide du moteur à combustion interne 17 dès que cela est possible,
- dans la zone II, toutes les fonctions du groupe motopropulseur 15 sont activées et la batterie est régénérée à l’aide du moteur à combustion interne 17 dès que ce dernier fonctionne sur une plage à haut rendement,
- dans la zone III, toutes les fonctions du groupe motopropulseur 15 sont activées et le groupe motopropulseur 15 est utilisé pour réduire au mieux les émissions polluantes et la consommation du moteur à combustion interne, et
- dans la zone IV, la fonction de freinage récupératif est surveillée afin de s’assurer que le niveau de charge BSOC ne dépasse pas la borne supérieure BSOCmax, et la machine électrique 16 est activée en mode moteur pour réduire ce niveau de charge BSOC.
La présente invention n’est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté, mais l’homme du métier saura y apporter toute variante conforme à l’invention.
Claims (11)
- Procédé de pilotage d’un groupe motopropulseur (15) d’un véhicule automobile (10) hybride, ledit groupe motopropulseur (15) comprenant un moteur à combustion interne (17) et une machine électrique (16) alimentée en courant par une batterie d’accumulateurs (16A), le procédé comprenant des étapes de :
- acquisition d’une première donnée relative à une température (Text) dans ou autour du véhicule automobile (10),
- acquisition d’une seconde donnée relative au vieillissement de la batterie d’accumulateurs (16A),
- détermination d’une plage d’utilisation (Pu) de la batterie d’accumulateurs (16A), en fonction de la première donnée et de la seconde donnée, et
- commande du groupe motopropulseur (15) en fonction de la plage d’utilisation (Pu) déterminée,
caractérisé en ce que ladite plage d’utilisation (Pu) comporte au moins deux zones de niveau de charge (BSOC) de la batterie d’accumulateurs (16A) distinctes, dont une zone (III) préférée et une zone (I) inférieure, et
en ce que, lorsque le niveau de charge (BSOC) de la batterie d’accumulateurs (16A) est situé dans la zone (I) inférieure, le groupe motopropulseur (15) est commandé en désactivant au moins une fonction d’agrément du groupe motopropulseur (15) et en laissant active au moins une fonction primaire du groupe motopropulseur (15). - Procédé de pilotage selon la revendication 1, dans lequel, la machine électrique (16) étant adaptée à démarrer le moteur à combustion interne (17), la fonction primaire consiste à autoriser le démarrage du moteur à combustion interne (17).
- Procédé de pilotage selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la fonction d’agrément consiste à autoriser la machine électrique (16) à propulser le véhicule automobile (10).
- Procédé de pilotage selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la seconde donnée comporte l’âge de la batterie d’accumulateurs (16A).
- Procédé de pilotage selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel ladite étape de détermination est opérée à l’aide d’au moins deux cartographies (Cart0, Cart15) distinctes dans chacune desquelles une plage d’utilisation prédéfinie (Pu) varie en fonction de la première donnée uniquement, les deux cartographies (Cart0, Cart15) étant associées à des secondes données distinctes.
- Procédé de pilotage selon la revendication 5, dans lequel la plage d’utilisation (Pu) est déterminée en lisant dans au moins deux cartographies (Cart0, Cart15) des bornes de la plage d’utilisation prédéfinie (Pu) associée à la première donnée acquise, puis en calculant des bornes de la plage d’utilisation (Pu) en fonction des bornes lues et de la seconde donnée.
- Procédé de pilotage selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la zone (III) préférée présente une limite inférieure (BSOC2) de niveau de charge (BSOC) qui passe par un point (P2) défini de telle sorte que lorsque ladite température (Text) est de -10°C et que la batterie d’accumulateurs (16A) délivre une puissance prédéterminée pendant une durée prédéterminée, le niveau de charge (BSOC) n’atteigne pas la zone (I) inférieure.
- Procédé de pilotage selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel la zone (III) préférée présente une limite supérieure (BSOC3) de niveau de charge (BSOC) qui passe par un point (P3) défini de telle sorte que lorsque la température (Text) à l’extérieur du véhicule automobile (10) est de 10°C et que la batterie d’accumulateurs (16A) reçoit une puissance prédéterminée pendant une durée prédéterminée, le niveau de charge initialement sur la limite supérieure (BSOC3) ne sorte pas de la plage d’utilisation (Pu).
- Procédé de pilotage selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel ladite plage d’utilisation (Pu) comporte une zone (IV) supérieure et dans lequel, lorsque le niveau de charge (BSOC) de la batterie d’accumulateurs (16A) est situé dans la zone (IV) supérieure, le groupe motopropulseur (15) est commandé de manière que la machine électrique propulse le véhicule automobile (10).
- Procédé de pilotage selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel ladite plage d’utilisation (Pu) comporte une zone (II) intermédiaire située entre la zone (III) préférée et la zone (I) et dans lequel, lorsque le niveau de charge (BSOC) de la batterie d’accumulateurs (16A) est situé dans la zone (II) intermédiaire, le groupe motopropulseur (15) est commandé de manière que le moteur à combustion interne (17) recharge la batterie d’accumulateurs (16A) lorsqu’il se trouve dans une gamme de points de fonctionnement à haut rendement.
- Véhicule automobile (10) hybride, comprenant un groupe motopropulseur (15) qui comprend un moteur à combustion interne (17) et une machine électrique (16) alimentée en courant par une batterie d’accumulateurs (16A), et un calculateur (13) programmé pour mettre en œuvre un procédé de pilotage conforme à l’une des revendications 1 à 10.
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Citations (5)
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2024
- 2024-04-22 WO PCT/EP2024/060961 patent/WO2024223497A1/fr not_active Ceased
- 2024-04-22 EP EP24721928.0A patent/EP4701897A1/fr active Pending
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