Brevet FR2913825A1 — publié le 20080919

Procédé et dispositif de recharge d'un stockeur d'énergie électrique d'un véhicule [0001 La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour la 5 recharge d'un stockeur d'énergie électrique d'un véhicule. 2] Les véhicules automobiles sont de plus en plus souvent équipés d'une source d'énergie électrique supplémentaire, pour le stockage d'électricité, en plus de la batterie classique de 12 Volts qui alimente le réseau de bord du véhicule. Ce stockeur d'énergie électrique permet de 10 réaliser certaines fonctions comme la traction électrique pour les véhicules hybrides, l'arrêt et le redémarrage automatiques du moteur thermique lorsque le véhicule est à l'arrêt, la récupération d'énergie électrique lors des phases de freinage et une assistance à la traction. Certaines de ces fonctions nécessitent l'emploi d'un alternateur réversible capable de fournir 15 de l'énergie mécanique. 3] La figure 1 montre une architecture classique avec deux sources d'énergie électrique. Un stockeur d'énergie électrique 10 est connecté, en série avec un convertisseur DC/DC 11, à une batterie 12 généralement de 12 Volts alimentant des appareils connectés au réseau de bord du véhicule 20 (par exemple les phares ou les essuie-glaces), la connexion aux appareils étant symbolisée par la flèche 13. Le stockeur 10 peut être par exemple un supercondensateur. Ce type de condensateur permet de stocker une quantité d'énergie importante et de la restituer plus rapidement qu'avec une batterie. L'une 14 des deux bornes de la batterie 12 est reliée à la terre, 25 l'autre borne 15 étant reliée au convertisseur 11. La borne 16 du stockeur 10 est reliée à la terre, l'autre borne 17 étant connectée au convertisseur 11 et à une machine électrique 18, par exemple un alternateur réversible couplé au vilebrequin du moteur thermique du véhicule. Lorsque ce dernier est en marche, l'alternateur alimente en courant électrique le stockeur 10 et la 30 batterie 12. 2 4] Lorsque la machine électrique 18 est un alternateur réversible, l'architecture représentée sur la figure 1 permet : • le redémarrage du moteur thermique : l'alternateur réversible 18 transforme l'énergie électrique fournie par le stockeur d'énergie électrique 10 en énergie mécanique. Cette énergie mécanique permet d'entraîner le moteur thermique afin d'assurer un redémarrage. • la fourniture d'énergie mécanique d'appoint au moteur thermique: l'alternateur réversible 18 transforme l'énergie électrique fournie par le stockeur 10 en énergie mécanique. Cette énergie mécanique ainsi fournie s'ajoute à celle fournie par le moteur thermique. La puissance transmise aux roues du véhicule est donc plus importante. • la récupération d'énergie lors des phases de freinage du véhicule : l'alternateur réversible 18 transforme l'énergie mécanique fournie par le moteur thermique en énergie électrique. Cette énergie électrique est emmagasinée dans le stockeur 10 ou la batterie 12V 12.. • l'alimentation du réseau de bord du véhicule : l'énergie électrique est fournie au réseau de bord, lorsque le moteur thermique est en marche, par l'alternateur réversible 18 et le convertisseur DC/DC 11, et lorsque le moteur thermique est arrêté (phase de Stop) par le stockeur d'énergie 10 ou la batterie 12. • La tension aux bornes du stockeur d'énergie 10 évolue en fonction de l'énergie qu'il contient. Ainsi, cette tension augmente lorsque le stockeur d'énergie 10 se charge : le stockeur est alimenté par une autre source d'énergie électrique (la batterie 12 via le convertisseur DC/DC ou ou la machine électrique 18). La tension aux bornes du stockeur baisse lorsque le stockeur d'énergie 10 se décharge à cause du débit de courant vers un appareil consommateur électrique (flèche 13) alimenté par le stockeur 3 d'énergie électrique 10 ou parce que l'on décide volontairement de décharger le stockeur pour des raisons de sécurité ou de durée de vie des composants. Cette tension baisse également en raison de l'auto décharge du stockeur d'énergie 10: même si le stockeur n'alimente aucun appareil consommateur d'électricité (débit en courant nul), le phénomène d'auto décharge entraîne une baisse de la tension aux bornes du stockeur. Sur une durée de plusieurs jours, cette tension peut tendre vers 0 Volt (stockeur quasiment déchargé). La tension aux bornes du stockeur d'énergie peut donc être proche de 0 Volts. [0005] Sur certaines applications, le fonctionnement correct du véhicule nécessite une tension du stockeur d'énergie supérieure à un seuil dès que le moteur thermique commence à fonctionner, soit un temps très court après le réveil du véhicule. La possibilité d'avoir une tension proche de OV en phase d'arrêt prolongé du véhicule est incompatible avec le besoin de tension minimum au démarrage du moteur thermique. [0006] Selon l'invention, on réalise une pré-charge du stockeur d'énergie électrique à l'aide d'une autre source d'énergie dès le réveil des calculateurs du véhicule. Ce réveil a lieu en général par l'envoi d'un signal caractéristique d'une utilisation imminente du véhicule, par exemple l'action de déverrouillage des portes du véhicule à l'aide d'une télécommande (appelée également plip ). [0007] La demande de brevet FR 2 791 481 propose un procédé selon lequel une unité centrale d'un véhicule procède à une charge anticipée d'un accumulateur d'appoint lorsqu'elle détecte un signal représentatif de l'intention du conducteur de procéder au démarrage du véhicule. [0008] Cependant, comme la charge de l'accumulateur ou du super condensateur par l'alternateur ne commence qu'après une action sur le système de démarrage du moteur thermique (par exemple, action sur la clé de contact ), la tension aux bornes du super condensateur ne peut atteindre une valeur seuil minimale souhaitée qu'après un certain temps, au minimum 4 plusieurs secondes. C'est ce qui se produit si la charge du stockeur d'énergie est réalisée par exemple à l'aide de l'alternateur puisque ce dernier ne fonctionne que si le moteur thermique est démarré. Tant que le stockeur d'énergie n'est pas rechargé, certaines fonctions ne sont pas disponibles, en particulier le convertisseur DC/DC ne peut pas transmettre l'énergie de la machine électrique (l'alternateur) et les consommateurs d'énergie 13 (comme par exemple les éléments d'éclairage ou de climatisation) ne sont alimentés que sur la batterie, au risque de voir se produire des chutes de tension. L'architecture représentée sur la figure 1 est donc difficilement compatible avec une utilisation confortable du véhicule. [0009] De plus, si le stockeur d'énergie 10 est rechargé à l'aide de la batterie 12, par l'intermédiaire du convertisseur 11, la tension de charge est limitée à la tension de la batterie (12 Volts), diminuée de la différence de tension entre l'entrée et la sortie du convertisseur. On ne peut donc pas charger le stockeur d'énergie 10 à une tension supérieure, au maximum, à la tension de la batterie 12. [0010] La présente invention propose un procédé de recharge du stockeur d'énergie supprimant, au moins en partie, les inconvénients de l'art antérieur. Selon l'invention, le procédé consiste à diviser ledit stockeur en au moins deux modules de stockage d'énergie électrique, à connecter en série lesdits modules lors de leur utilisation pour la fourniture d'énergie électrique et à les connecter en parallèle pour la recharge dudit stockeur à l'aide d'une source d'énergie électrique, une batterie par exemple. Le stockeur d'énergie électrique peut être par exemple divisé en deux modules de capacités de stockage sensiblement identiques. [0011] Selon l'invention, le procédé consiste à diviser ledit stockeur (21) en n modules de stockage d'énergie électrique (25-26), chaque module i de stockage ayant, à pleine charge, une tension à ces bornes U;max, caractérisé en ce que l'on connecte les modules en série pour obtenir l'équivalent d'un stockeur dont la tension aux bornes, à pleine charge, est égale à i=1 ui max et on connecte les modules en parallèle pour obtenir l'équivalent d'un circuit comportant n stockeurs d'énergie électrique d'une tension à pleine charge égale à u;max. 5 [0012] Ainsi, lorsque les modules sont connectés en parallèles, ils peuvent être rechargés à pleine charge par la batterie, rapidement, jusqu'à l'obtention d'un état de charge dans lequel la tension à leurs bornes est par exemple d'environ les 2/3 de leur tension max, et à partir de ce moment, être connectés en série, de sorte qu'ils sont alors capables de fournir une tension égale à la somme des tensions de chaque module. [0013] Dans une variante préférée, les modules sont des super-condensateurs et sont au nombre de deux, chacun étant aptes à fournir une tension max de l'ordre de 15 Volts. [0014] Le procédé selon l'invention est tout particulièrement avantageux si le véhicule a été laissé à l'arrêt pendant une période assez longue, de sorte que les stockeurs d'énergie sont totalement déchargés. La connexion en parallèle des modules peut avantageusement être commandée par un signal représentatif de l'intention de démarrer le véhicule û avec dès lors une recharge des super-condensateurs jusqu'à une tension d'environ 10 Volts qui peut donc être obtenue très rapidement avec une batterie de 12 Volts. Dès que cette recharge est terminée, les modules sont connectés en série et sont dès lors capables de fournir une tension d'environ 20 Volts, suffisantes pour redémarrer le véhicule donc par exemple de fonctionner de suite en mode Stop and Start. [0015] De préférence, la recharge du stockeur d'énergie par la batterie s'effectue à travers un convertisseur DC/DC. [0016] L'invention concerne également un dispositif pour la charge d'un stockeur d'énergie électrique d'un véhicule comportant une source d'énergie électrique et un convertisseur DC/DC connecté en série entre ledit stockeur 6 d'énergie électrique et ladite source. Selon l'invention, ledit stockeur est constitué par au moins deux modules de stockage d'énergie électrique et le dispositif comporte des moyens de connexion en série ou en parallèle desdits modules, lesdits moyens de connexion pouvant être constitués par des commutateurs. [0017] Ladite source d'énergie peut être une batterie. [0018] Lesdits modules de stockage d'énergie électrique peuvent être constitués par des batteries ou par des super-condensateurs. [0019] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés et sur lesquels : • la figure 1 représente l'architecture électrique utilisée habituellement pour les dispositifs de l'art antérieur, • la figure 2 montre le schéma électrique du dispositif selon l'invention, • les figures 3 et 4 représentent le schéma du dispositif selon l'invention lorsque le stockeur est en position d'utilisation normale (figure 3) et en position de recharge spécifique (figure 4). [0020] Sur la figure 2, une machine électrique 20 d'un véhicule, telle qu'un alternateur, de préférence réversible, est mis en fonctionnement lorsque le moteur thermique (non représenté) du véhicule est en marche. Dans ce cas, la machine électrique 20 alimente en courant électrique un stockeur d'énergie électrique 21 et une source d'énergie électrique telle qu'une batterie 22. Un convertisseur de courant DC/DC 23 est placé entre le stockeur d'énergie 21 et la batterie 22. Cette dernière a l'une 14 de ses deux bornes connectée à un potentiel de référence (la terre) et l'autre borne 15 au convertisseur 23 et aux différents appareils consommateurs de courant, alimentés par le réseau de bord (alimentation symbolisée par la flèche 24). Selon l'invention, le stockeur d'énergie électrique 21 se compose de 7 plusieurs modules de stockage d'énergie électrique, dans l'exemple de la figure 2 de deux modules 25 et 26. Ces modules peuvent être par exemples des supercondensateurs ou des batteries. Des commutateurs 27 et 28 permettent de connecter ces modules, soit en série, soit en parallèle. Chacun des deux commutateurs a deux pôles : pour le commutateur 27, un premier pôle 29 connecté à la terre et un deuxième pôle 30 connecté à l'une des deux bornes du premier module 25, l'autre borne étant reliée à la machine électrique 20. Les deux pôles 31 et 32 du commutateur 28 sont reliés respectivement à la machine électrique 20 et à l'une des deux bornes du stockeur 26, l'autre borne étant reliée à la terre. Un élément conducteur 33, permet de relier entre eux les pôles 30 et 32 de façon à connecter les modules 25 et 26 en série. 1] La figure 3 montre le schéma électrique de la figure 2 avec les modules 25 et 26 connectés en série, les deux commutateurs 27 et 28 étant fermés sur l'élément conducteur 33. On remarque que, dans ce cas, les deux modules 25 et 26 forment en fait un stockeur d'énergie équivalent au stockeur 10 de la figure 1. Cette disposition est utilisée lorsque le stockeur n'est pas en position de recharge spécifique, par exemple lorsqu'il fournit du courant à un appareil (par exemple à l'alternateur réversible 20 pour le démarrage du moteur thermique ou pour fournir un supplément de traction au véhicule. 2] La figure 4 montre les deux modules 25 et 26 connectés en parallèle, pour la recharge spécifique du stockeur d'énergie. Les deux modules peuvent être rechargés à l'aide de la batterie de 12 Volts. Si l'on fait abstraction de la chute de tension aux bornes du convertisseur 23, les deux modules sont chargés chacun à une tension égale à celle de la batterie (12 Volts). Lorsque l'on bascule les commutateurs 27 et 28 pour connecter en série les modules 25 et 26 (figure 3), les tensions aux bornes des modules 25 et 26 s'ajoutent : on dispose alors d'une tension de deux fois douze Volts, soit 24 Volts, aux bornes du stockeur d'énergie électrique constitué par les 8 deux modules connectés en série. On dispose ainsi d'une recharge suffisante pour, par exemple, démarrer le moteur thermique (lorsque la machine électrique 20 est un alternateur réversible). 3] Les commutateurs 27 et 28 peuvent êtres électromécaniques, électriques ou électroniques. Les deux modules de stockage d'énergie 25 et 26 peuvent être des super-condensateurs ou une batterie de 24V séparée en 2 modules de 12V ou deux batteries de 12 Volts chacune. La commande des commutateurs 27 et 28 est avantageusement activée par un signal caractéristique de la volonté du conducteur d'utiliser le véhicule, par exemple par une action sur la télécommande du véhicule ou par l'ouverture d'une portière. La commande des commutateurs 27 et 28 est gérée par un contrôle électronique en fonction des informations du véhicule (mesures de tensions aux bornes de la batterie 22 et des modules 25 et 26 de stockage d'énergie, en fonction de l'état du convertisseur, ...), le contrôle électronique pouvant également piloter le convertisseur. Ce contrôle électronique peut être assuré par le contrôleur central du véhicule ou par un microprocesseur spécialement programmé pour commander la recharge du stockeur d'énergie. Cette dernière peut être effectuée périodiquement pendant l'arrêt du véhicule par un réveil du contrôle électronique (par exemple tous les 3 ou 4 jours en cas d'arrêt prolongé du véhicule). 4] L'architecture avec commutateurs, qui vient d'être décrite en regard des figures 2-4, permet la recharge quasi-complète (supérieure à 15 volts) du stockeur d'énergie électrique avec une batterie de 12 Volts, avant le démarrage du véhicule. L'alternateur n'a plus à effectuer de recharge complémentaire après le démarrage et toutes les fonctions possibles avec un alternateur réversible (Stop & Start, récupération d'énergie au freinage, fourniture d'énergie supplémentaire au moteur thermique) sont disponibles immédiatement. 9 5] D'autres modes de réalisation que celui décrit et représenté peuvent être conçus par l'homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention. Par exemple, le stockeur d'énergie électrique 10 a été scindé en deux modules, mais il aurait pu l'être en un nombre plus élevé. Le mot recharge utilisé précédemment pour le stockeur d'énergie électrique inclus également la charge du stockeur. REVENDICATIONS 1. Procédé de recharge d'un stockeur d'énergie électrique (21) d'un véhicule comprenant une source d'énergie électrique (22) et un alternateur, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à diviser ledit stockeur (21) en n modules de stockage d'énergie électrique (25-26), chaque module i de stockage ayant, à pleine charge, une tension à ces bornes U;max, caractérisé en ce que l'on connecte les modules en série pour obtenir l'équivalent d'un stockeur dont la tension aux bornes, n à pleine charge, est égale à li=1 ui max et on connecte les modules en parallèle pour obtenir l'équivalent d'un circuit comportant n stockeurs d'énergie électrique d'une tension à pleine charge égale à u;max. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la connexion en parallèle est commandée lorsque l'état de charge du stockeur d'énergie est inférieur à une tension seuil minimale. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la connexion en parallèle desdits modules est commandée par un signal représentatif de l'intention de démarrer le véhicule. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le stockeur d'énergie électrique (21) est divisé en deux modules (25-26) de capacités de stockage sensiblement identiques. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la source d'énergie électrique (22) est une batterie et la recharge du stockeur d'énergie par la batterie s'effectue à travers un convertisseur DC/DC (23). 6. Dispositif pour la charge d'un stockeur d'énergie électrique (21) d'un véhicule comportant une source d'énergie électrique (22) et un 10 11 convertisseur DC/DC (23) connecté en série entre ledit stockeur d'énergie électrique et ladite source, caractérisé en ce que ledit stockeur est constitué par au moins deux modules de stockage d'énergie électrique (25-26) et en ce que le dispositif comporte des moyens de connexion (27-28-33) en série ou en parallèle desdits modules. 7. Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que lesdits moyens de connexion sont constitués par des commutateurs (27-28). 8. Dispositif selon l'une des revendications 6 et 7 caractérisé en ce que lesdits modules de stockage d'énergie électrique sont constitués par des batteries. 9. Dispositif selon l'une des revendications 6 et 7 caractérisé en ce que lesdits modules de stockage d'énergie électrique sont constitués par des super-condensateurs. 10. Dispositif selon l'une des l'une des revendications 6 et 9 caractérisé en ce que ladite source d'énergie électrique est une batterie.20