Brevet FR2757806A1 — publié le 19980703

DISPOSITIF D'ALIMENTATION ELECTRIQUE D'UN MOTEUR ELECTRIQUE DE VEHICULE L'invention concerne les véhicules électriques, hybrides ou non, et plus particulièrement, un dispositif d'alimentation électrique du moteur électrique d'un tel véhicule. Un véhicule électrique comprend principalement un moteur électrique qui entraîne en rotation les roues du véhicule, une source d'énergie électrique constituée habituellement par une batterie d'accumulateurs et un système électronique qui pilote un dispositif électronique de puissance réalisant l'alimentation électrique du moteur à partir de la source d'énergie électrique. Dans le cas d'un véhicule électrique pur, la batterie d'accumulateurs constitue la seule source d'énergie et de puissance du véhicule. Pour un véhicule hybride, la batterie d'accumulateurs est couplée avec une autre source d'énergie utilisant par exemple un moteur thermique. Qu'il s'agisse d'un véhicule électrique pur ou d'un véhicule hybride, la gestion et le dimensionnement de la source d'énergie à bord du véhicule par rapport aux performances demandées sont difficiles à maîtriser. En effet, pour les accumulateurs électriques, le rendement dépend principalement de la puissance demandée par rapport à la puissance spécifique définie par construction. Par ailleurs, l'énergie spécifique diminue fortement quand la puissance spécifique augmente et le prix de l'accumulateur augmente avec la puissance spécifique. Dans un véhicule électrique pur, la source d'énergie est définie par divers paramètres que sont sa masse, son volume, sa durée de vie, son prix, sa facilité d'entretien et surtout sa puissance spécifique et son énergie spécifique. De ces deux derniers termes vont en partie dépendre deux des principales caractéristiques du véhicule : l'autonomie et les performances en accélération et en récupération freinage. Pour augmenter l'autonomie, il faut une énergie spécifique élevée tandis qu'il faut une puissance spécifique élevée pour augmenter les performances en accélération, ce qui ne peut être obtenu par une même batterie d'accumulateurs. Pour échapper à ce dilemme, il a été proposé d'utiliser, sur un même véhicule, un certain type d'accumulateur pour obtenir une grande énergie spécifique et un autre type d'accumulateur pour obtenir une grande puissance spécifique. Une telle dualité des accumulateurs sur un même véhicule est difficile à mettre en oeuvre, notamment en ce qui concerne leur charge. I1 a été proposé d'utiliser, selon différents montages, des "supercondensateurs" pour réaliser la source de puissance spécifique tout en gardant la batterie d'accumulateurs pour source d'énergie spécifique. De tels supercondensateurs sont par exemple décrits dans l'article intitulé "Improved Electric Vehicle Performance with Pulsed Power Capacities" et publié dans SAE TECHNICAL PAPER SERIES NO 93.1010 en mars 1993 par Messieurs Anthony P. TRIPPE, Andrew F. BURKE et Edward BLANK. Selon un premier montage, la batterie d'accumulateurs et les supercondensateurs sont connectés en parallèle direct sans aucun circuit d'interface entre les deux sources. Dans un tel montage, la demande de puissance ou la récupération d'énergie en freinage sont partagées entre les deux sources selon leur différence de résistance interne et dans les meilleures conditions, seule la moitié de l'énergie stockée dans les supercondensateurs est accessible et ils ne sont jamais déchargés. Selon un deuxième montage, la batterie d'accumulateurs et les supercondensateurs sont connectés en parallèle indirect et un circuit interface gère soit les supercondensateurs (brevet US-A- 5 260 637) soit la batterie d'accumulateurs (brevet US-A-5 446 365). Ce montage permet de récupérer 75 % de l'énergie stockée dans les supercondensateurs au prix d'un circuit interface qui doit supporter une puissance importante dans le cas où il gère les supercondensateurs qui fournissent la puissance. Un but de la présente invention est donc de réaliser un dispositif d'alimentation électrique d'un moteur électrique de véhicule du type à batterie d'accumulateurs et batterie de supercondensateurs qui permet une décharge complète des supercondensateurs et donc de bénéficier de toute l'énergie qui y est stockée. Un autre but de la présente invention est aussi de réaliser un tel dispositif d'alimentation électrique en mettant en oeuvre un circuit interface simple et ne consommant que peu de puissance. Encore un autre but de la présente invention est de réaliser un tel dispositif d'alimentation électrique qui permet de recharger les supercondensateurs. L'invention concerne donc un dispositif d'alimentation électrique d'un moteur électrique comprenant une batterie d'accumulateurs caractérisé en ce qu'il comprend, en outre - une batterie de supercondensateurs qui est connectée en série avec ladite batterie d'accumulateurs, - des moyens pour déterminer le sens du courant T circulant dans le dispositif d'alimentation électrique et la valeur de la tension U aux bornes de ladite batterie de supercondensateurs, et - des moyens de commutation pour alimenter le moteur électrique soit avec une tension prise aux bornes de la batterie d'accumulateurs, soit aux bornes de la batterie d'accumulateurs et de la batterie de supercondensateurs assemblées en série, en fonction du sens du courant I et de la valeur de la tension U aux bornes de la batterie de supercondensateurs. Les moyens de commutation comprennent - un commutateur à deux positions pour connecter dans une première position (b) le moteur électrique à la batterie d'accumulateurs et dans une deuxième position (a) le moteur électrique à la batterie d'accumulateurs et à la batterie de supercondensateurs, - un circuit logique de commande dudit commutateur de manière à le mettre en position (b) dans le cas où les supercondensateurs sont déchargés ou sont chargés à leur valeur maximale Umax, le mettre en position (a) dans les cas de freinage récupératif, d'accélération si la tension U est comprise entre zéro et la valeur maximale Umax. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante d'un exemple particulier de réalisation, ladite description étant faite avec le dessin joint dans lequel la figure unique est un schéma fonctionnel d'un dispositif d'alimentation électrique d'un moteur électrique de véhicule selon l'invention. Un véhicule électrique comprend une source d'énergie électrique 10 qui alimente un moteur électrique 12 par l'intermédiaire d'un circuit électronique de puissance 14 commandé par un circuit électronique de commande 16. Le moteur électrique 12 entraîne en rotation deux roues 18A et 18B du véhicule. Le moteur électrique 12 est un moteur réversible, c'est-à-dire qu'il absorbe de l'énergie électrique fournie par la source d'énergie 10 pendant les moments de traction ou propulsion et fournit de l'énergie électrique à la source d'énergie 10 pendant les moments de freinage. Les éléments 12, 14 et 16 sont parfaitement connus et ne seront pas décrits de manière plus détaillée. Toutefois, il est rappelé que le circuit électronique de puissance 14 admet une tension maximale de fonctionnement et régule le courant de freinage récupératif de manière que la tension mesurée à ses bornes ne dépasse pas cette tension maximale. Selon l'invention, la source d'énergie électrique 10 comprend une batterie d'accumulateurs 20, de résistance interne Rb, dont une borne B, par exemple la borne négative, est connectée à une première borne de sortie du circuit électronique de puissance 14 et dont l'autre borne A est connectée à une borne d'une batterie de supercondensateurs 22, de résistance interne Rsc, qui est connectée en série avec la batterie d'accumulateurs 20. L'autre borne C des supercondensateurs 22 est connectée à la deuxième borne de sortie du circuit électronique de puissance 14 par l'intermédiaire d'un relais 24 en position (a) ou, plus généralement, un commutateur. Dans l'autre position (b) du relais 24, la deuxième borne de sortie du circuit électronique de puissance 14 est connectée au point commun A de la batterie d'accumulateurs 22 et des supercondensateurs 22. Les deux positions (a) et (b) du relais 24 sont obtenues par un enroulement 26 alimenté par un circuit logique de commande 28. Ce circuit logique 28 détermine les deux états (a) et (b) du relais 24 en fonction de la tension U aux bornes de la batterie de supercondensateurs 22 et du sens du courant I (circuit 36) traversant la batterie d'accumulateurs 20. A titre indicatif, I est noté positif s'il sort par le pôle positif de la batterie d'accumulateurs. Le circuit 36 est connecté de manière à mesurer les courants circulant dans l'ensemble 10, y compris le courant de recharge Ich de la batterie de supercondensateurs 22, par exemple entre le point B et une borne de sortie du circuit électronique de puissance 14. Des diodes 30 et 32 sont branchées aux bornes des contacts du relais 24 ; l'une 30 a son anode qui est connectée à la deuxième borne de sortie du circuit électronique de puissance et sa cathode connectée à la borne C des supercondensateurs 22 ; l'autre diode 32 a sa cathode qui est connectée à la deuxième borne de sortie du circuit électronique de puissance 14 et son anode connectée au point A. La batterie d'accumulateurs 20 est chargée par un dispositif de charge (38) qui est connecté aux points A et B par l'intermédiaire des conducteurs 40 et 42 qui aboutissent à deux bornes d'entrée 44 et 46 du dispositif d'alimentation 10. Ce dispositif de charge 38 est un chargeur embarqué sur le véhicule ou externe à ce dernier et il est prévu pour être connecté à un circuit d'alimentation électrique, par exemple le réseau électrique alternatif. Selon l'invention, un dispositif de charge 34 de la batterie de supercondensateurs 22 est connecté entre les points A, B et C de manière à fournir le courant de charge Ich. Le circuit logique 28 réalise les fonctions suivantes selon les valeurs de la tension U et du sens du courant I. - Relais en position (b) si U S 0 et I > 0, c'est-à-dire dans le cas où les supercondensateurs sont déchargés après une demande de puissance au dispositif d'alimentation 10, ou si U > Umax et I les supercondensateurs sont chargés après une fourniture de puissance au dispositif d'alimentation électrique 10. Cette dernière partie de la fonction ne doit pas être atteinte pour un courant I différent de zéro car cette condition entraînerait une variation trop rapide aux bornes du circuit électronique de puissance 14. - Relais en position (a) si O ou si U puissance au dispositif d'alimentation électrique 10, ou encore si U > Umax et I > 0, dans le cas d'une demande de puissance au dispositif d'alimentation électrique 10. En général, l'énergie en freinage n'est pas suffisante pour recharger les supercondensateurs à leur valeur maximale et ainsi obtenir une bonne efficacité du dispositif. Aussi, selon l'invention, un circuit de charge 34 des supercondensateurs est connecté entre les points B et C pour que la batterie d'accumulateurs 20 fournisse le courant de charge Ich des supercondensateurs 22. Ce circuit de charge est du type convertisseur Continu/Continu et fournit le courant Ich dont la valeur est déterminée par les caractéristiques des supercondensateurs 22. Le circuit de charge 34 est commandé de la façon suivante - si 0 zéro, sinon Ich = 0. I = 0 signifie que I est suffisamment faible pour ne plus pouvoir être considéré comme un courant de traction ou de freinage. Les diodes 30 et 32 ont pour but d'écouler les surintensités au moment de la commutation du contact du relais. Le branchement du système de recharge 38 du véhicule par un chargeur embarqué ou externe se fait directement sur la batterie d'accumulateurs des bornes 44, 46, des conducteurs 40 et 42 et par l'intermédiaire du circuit 36. Les avantages du dispositif d'alimentation électrique qui vient d'être décrit sont les suivants - une utilisation de la totalité de la plage de tension des supercondensateurs et donc de toute l'énergie qu'ils contiennent - une mise en oeuvre d'un circuit logique de commande 28 qui est très simple à réaliser - des suppléments de masse et de volume correspondant essentiellement à ceux des supercondensateurs - une grande souplesse dans le dimensionnement des supercondensateurs en ce qui concerne le choix de leur tension totale et leur capacité - un meilleur rendement du dispositif car il n'y a pas de circuit interface de puissance, et - pas de variation brutale de la tension aux bornes de l'ensemble du dispositif d'alimentation électrique 10. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alimentation électrique (10) d'un moteur électrique (12) comprenant une batterie d'accumulateurs (20) caractérisé en ce qu'il comprend, en outre - une batterie de supercondensateurs (22) qui est connectée en série avec ladite batterie d'accumulateurs (20), - des moyens (36) pour déterminer le sens du courant (I) circulant dans le dispositif d'alimentation électrique et la valeur de la tension (U) aux bornes de ladite batterie de supercondensateurs (22), et - des moyens de commutation (24, 28) pour alimenter le moteur électrique (12) soit avec une tension prise aux bornes (A, B) de la batterie d'accumulateurs (20), soit aux bornes (B, C) de la batterie d'accumulateurs (20) et de la batterie de supercondensateurs (22), assemblées en série, en fonction du sens du courant (I) et de la valeur de la tension (U) aux bornes de la batterie de supercondensateurs (22). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commutation (24, 28) comprennent - un commutateur (24) à deux positions pour connecter dans une première position (b) le moteur électrique (12) à la batterie d'accumulateurs (20) et dans une deuxième position (a) le moteur électrique (12) à la batterie d'accumulateurs (20) et à la batterie de supercondensateurs (22), - un circuit logique (28) de commande dudit commutateur (24) de manière à . le mettre en position (b) si U 0 et I > 0, c'est-à-dire dans le cas où les supercondensateurs sont déchargés après une demande de puissance au dispositif d'alimentation électrique (in), ou si U > Umax et I les supercondensateurs sont chargés après une fourniture de puissance au dispositif d'alimentation électrique (10) le mettre en position (a) si O U ou si U puissance au dispositif d'alimentation électrique (10) ou encore si U > Umax et I > 0, dans le cas d'une demande de puissance au dispositif d'alimentation électrique (10). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un circuit de charge (34) de la batterie de supercondensateurs (22) qui est connecté aux bornes (A, B et C) de la batterie d'accumulateurs (20) et de la batterie de supercondensateurs (22) de manière à dériver un courant de charge (Ich) à partir de la batterie d'accumulateurs (22) dans le cas où 0