Brevet FR2911015A1 — publié le 20080704

PROCEDE DE GESTION DES FLUX ENERGETIQUES DANS UN DISPOSITIF D'ALIMENTATION ELECTRIQUE La présente invention concerne la gestion d'un dispositif d'alimentation électrique, notamment destiné à être installé dans un véhicule. Dans les systèmes nécessitant une alimentation électrique capable de fournir des puissances et énergies électriques importantes, notamment les véhicules automobiles, les dispositifs d'alimentation comprennent généralement un ou plusieurs types de stockeurs d'énergie. Ces stockeurs sont, par exemple, des batteries électrochimiques ou des supercapacités. Lorsque plusieurs éléments de stockage sont présents, il est connu d'utiliser l'un des ces éléments, appelé dispositif principal, pour fournir effectivement l'énergie nécessaire au fonctionnement du système à alimenter. Dans ce cas, le ou les élément(s) secondaires sont utilisés pour charger ou décharger le dispositif principal, afin de lui permettre d'assurer une alimentation optimale du système. Toutefois, il a été constaté que, dans certains cas, le dispositif principal n'est pas suffisamment dimensionné pour 20 pouvoir fournir toute l'énergie requise par le système. Par ailleurs, il a également été constaté que, pour obtenir un fonctionnement optimal d'un système d'alimentation électrique, il était nécessaire que les échanges d'énergie ayant lieu entre les différents dispositifs de stockage soient adaptés selon l'état de charge du dispositif principal. L'invention propose ainsi un procédé de gestion des flux énergétiques dans un dispositif d'alimentation électrique comprenant au moins un dispositif de stockage d'énergie principal et un dispositif de stockage secondaire, permettant d'améliorer l'optimisation du fonctionnement d'un tel système d'alimentation, en terme de flexibilité et de performances. Le procédé comprenant les étapes suivantes : - Une étape au cours de laquelle on répartit, lorsque le dispositif d'alimentation électrique reçoit une sollicitation en puissance électrique, de la demande en puissance entre le dispositif principal et le dispositif secondaire, - une étape au cours de laquelle on mesure l'état de charge du dispositif de stockage principal, et - , une étape au cours de laquelle on commande, à partir de cette mesure, d'un échange d'énergie électrique entre le stockeur d'énergie principal et le stockeur d'énergie secondaire. Le dispositif de stockage d'énergie principal est généralement un dispositif dit de puissance , c'est-à-dire un dispositif ayant la capacité de fournir ou d'emmagasiner une grande puissance sur un temps très court. Le dispositif secondaire, quant à lui, est généralement un dispositif dit d'énergie ; il peut donc être utilisé pour fournir de l'énergie pendant une plus longue durée. Toutes les caractéristiques et modes de réalisation 35 présentés par la suite seront préférentiellement mis en oeuvre en utilisant un dispositif de puissance et un dispositif d'énergie ainsi que définis ci-dessus. Dans toute la suite de la description, le terme stockeur sera équivalent au terme dispositif de stockage . Ces dispositifs sont, par exemple, sous la forme d'une batterie électrochimique de type Oxyde de Plomb-Acide sulfurique, Nickel-Hydrure ou encore Lithium-ion. Il existe deux types de batteries à couple électrochimique : les batteries de type puissance , qui peuvent, par exemple, être utilisées pour le dispositif de stockage principal, et les batteries de type énergie , utilisables pour le dispositif secondaire. La différence entre ces deux types réside dans la quantité de matière active contenue dans ces batteries. En effet, plus une batterie contient de matière active, plus elle est à même de fournir ou d'emmagasiner de l'énergie mais, en contrepartie, elle est d'autant plus encombrante. Ainsi, les batteries de type énergie , qui contiennent une grande quantité de matière active, peuvent fournir une énergie de l'ordre de 40 à 100 ampères par heure. Les batteries de type puissance , quant à elles, sont moins encombrantes et ont une capacité de l'ordre de quelques ampères seulement. En revanche, elles permettent de fournir une forte puissance pendant un temps très court. Le dispositif d'alimentation électrique est destiné à être installé dans le, ou à proximité du, système qu'il alimente, par exemple un véhicule. Ainsi, le procédé de gestion ici décrit peut s'inscrire dans un procédé global d'alimentation en énergie d'un système, notamment un véhicule automobile hybride. Ce procédé, ainsi que mentionné précédemment, est mis 35 en oeuvre dans un dispositif d'alimentation électrique comportant deux dispositifs de stockage distincts. Le but de ce procédé est d'utiliser principalement celui des deux dispositifs de stockage ayant la puissance spécifique la plus grande, et de n'utiliser le second dispositif que pour maintenir le premier dispositif en état de fonctionnement et, éventuellement, pour fournir ou emmagasiner une partie de l'énergie requise par le système alimenté par ce dispositif d'alimentation. Cet objectif peut être atteint en mettant en oeuvre différentes stratégies d'utilisation qui dépendent, notamment, 10 des caractéristiques des deux dispositifs de stockage. Une première stratégie consiste, dans le cas où le dimensionnement du dispositif principal permet de répondre à tout appel de puissance en provenant du système alimenté, à 15 laisser ce dispositif principal fournir ou emmagasiner tout le courant demandé. Dans ce cas, le dispositif secondaire n'est utilisé que pour maintenir le dispositif principal en état de fournir et d'emmagasiner, à tout instant, le maximum de courant que lui autorise sa capacité. 20 A cet effet, dans une réalisation, on répartit la demande de puissance de façon telle que seul le dispositif de stockage principal est sollicité pour répondre à cette demande. Dans une seconde stratégie, avantageusement utilisée 25 lorsque le dimensionnement du dispositif principal est insuffisant pour répondre à tout appel de puissance en provenance du système alimenté, le dispositif secondaire est utilisé pour fournir ou emmagasiner une partie de la puissance demandée. 30 Dans ce cas, il est nécessaire de répartir la puissance entre les dispositifs de stockage. Un exemple de répartition possible est une limitation sous forme d'un écrêtage de la sollicitation en puissance subie par le système de 35 stockage. A cet effet, dans une réalisation, la répartition est effectuée en fixant un seuil de limitation de la puissance fournie par le dispositif principal, le dispositif secondaire fournissant une quantité de puissance correspondant à la différence entre ce seuil de limitation et la quantité demandée. La valeur de ce seuil est, par exemple fixée en fonction d'au moins un paramètre compris dans le groupe comprenant la taille des dispositifs de stockage principal et secondaire, l'état de charge du dispositif secondaire, des paramètres représentatifs de l'état des éléments formant les dispositifs de stockage, et l'état de fonctionnement du système alimenté par le dispositif d'alimentation. Cette répartition par écrêtage sera décrite en détail ultérieurement à l'aide de graphes d'évolution des puissances 15 dans les deux dispositifs de stockage. Les paramètres représentatifs de l'état des éléments formant les dispositifs de stockage sont, par exemple, l'état d'usure de ces éléments, ou leur température. 20 Dans le cas où le procédé est mis en oeuvre dans un dispositif d'alimentation installé dans un véhicule, l'état de fonctionnement du système correspond, par exemple, à des phases de vie du véhicule telles qu'une phase de roulage à rapport de vitesse constant, une phase de changement de rapport de vitesse, 25 ou encore une phase d'arrêt. Cet état de fonctionnement peut également tenir compte du mode d'alimentation du véhicule, par exemple pour un véhicule hybride qui peut fonctionner soit en mode électrique pur, soit en mode thermique, soit les deux. 30 Par ailleurs, indépendamment du choix de la stratégie, il est nécessaire que les deux dispositifs de stockage soient maintenus dans un état de fonctionnement optimal, notamment en terme de charge et de décharge, afin d'optimiser les performances du dispositif d'alimentation. Ainsi, lors de la mise en oeuvre du procédé, des échanges d'énergie ont lieu entre le dispositif de stockage principal et le dispositif secondaire. Ces échanges d'énergie doivent être effectués en tenant compte de l'état de charge de chacun des dispositifs afin, par exemple, de recharger le dispositif principal si son état de charge est insuffisant pour garantir un bon fonctionnement du dispositif d'alimentation. A cet effet, il est donc nécessaire de mesurer l'état de charge des dispositifs de stockage. Dans une réalisation, cette mesure est réalisée en déterminant le pourcentage d'énergie emmagasinée dans ce dispositif par rapport à la quantité maximale pouvant être stockée. Dans le cas où un dispositif de stockage prend la forme d'une supercapacité, cette détermination est, notamment, effectuée en mesurant la tension aux bornes de cette supercapacité. Après avoir mesuré l'état de charge du dispositif principal, il est intéressant d'utiliser des données prédéterminées pour déterminer l'échange d'énergie à commander entre les dispositifs. A cet effet, dans une réalisation, le procédé comprend l'étape de déterminer, à partir de la mesure de l'état de charge et d'une loi de variation prédéterminée, l'échange d'énergie à commander entre le dispositif principal et le dispositif secondaire. Des exemples de lois de variation seront donnés ultérieurement. Ces lois de variations sont établies, par exemple, à partir de tests effectués au préalable sur différents éléments de stockage, en fonction d'au moins un paramètre compris dans le groupe comprenant : la taille des dispositifs de stockage principal et secondaire, l'état de charge du dispositif secondaire, des paramètres représentatifs de l'état des éléments formant les dispositifs de stockage, et l'état de fonctionnement du système alimenté par le dispositif d'alimentation. Dans une réalisation, le procédé est tel que lorsque l'état du dispositif principal est inférieur à une valeur prédéterminée, on commande un échange d'énergie correspondant à une charge du dispositif principal et à une décharge du dispositif secondaire. L'invention concerne également un dispositif destiné à mettre en oeuvre le procédé défini précédemment. Ce dispositif comprend : - un dispositif de stockage d'énergie principal, - un dispositif de stockage d'énergie secondaire, - des moyens de mesure de l'état de charge d'un dispositif de stockage, et - des moyens de commande et de répartition des flux 15 énergétiques. Les moyens de commande et de répartition prennent par exemple, la forme d'un microprocesseur. Ainsi, dans une réalisation, les lois de variation utilisées pour déterminer les échanges d'énergie à commander sont enregistrées dans une 20 mémoire reliée au microprocesseur. Dans une réalisation, ces moyens de commande et de répartition sont sous la forme d'un organe de couplage électrique. Dans une réalisation préférentielle, le dispositif de stockage principal et le dispositif de stockage secondaire sont distincts et sont compris dans le groupe comprenant : une batterie électrochimique de type puissance , une batterie électrochimique de type énergie , et une supercapacité. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, cette description étant effectuée à titre non limitatif à l'aide des figures sur lesquelles : 25 30 - les figures la et lb représentent des exemples d'architecture d'un dispositif d'alimentation conforme à l'invention, - les figures 2a, 2b et 2c représentent la conséquence de la mise en oeuvre d'un écrêtage sur les signaux de puissance vus par un dispositif selon l'invention, -les figures 3a, 3b, 3c, 3d, et 3e représentent des lois de variation pouvant être utilisées pour déterminer les échanges d'énergie à commander au cours d'un procédé conforme à l'invention. Les figures la et lb présentent des architectures de dispositif d'alimentation électrique comprenant un dispositif de stockage principal 10a (resp.l0b) et un dispositif de stockage 15 secondaire 12a (resp. 12b). Ces dispositifs, principal et secondaire, sont couplés par un organe de couplage électrique 14a (resp. 14b). Cet organe de couplage 14a (resp. 14b) est, par exemple constitué d'un organe de commutation, ou d'un 20 convertisseur courant continu/ courant continu (DC/DC), ou encore d'une association de plusieurs convertisseurs courant continu/ courant continu (DC/DC). L'organe de couplage est utilisé pour coupler le dispositif principal et secondaire, mais également pour répartir 25 la demande en puissance entre ces deux dispositifs, notamment en fonction du dimensionnement des dispositifs. Cet organe est également utilisé, dans certaines réalisations, pour commander les échanges d'énergie entre le dispositif principal et le dispositif secondaire. 30 Ainsi que décrit précédemment, les dispositifs de stockage principal 10a (resp. 10b) et secondaire 12a (resp. 12b), sont distincts et chacun compris dans le groupe comprenant : une batterie électrochimique de type puissance , 10 une batterie électrochimique de type énergie , et une supercapacité. Ainsi, on utilise des combinaisons de type : - batterie puissance /batterie énergie , - batterie puissance /supercapacité, - batterie énergie /supercapacité. La réalisation illustrée sur la figure la est avantageusement utilisée pour mettre en oeuvre la première stratégie d'alimentation décrite précédemment. En effet, dans cette première stratégie, on laisse le dispositif de stockage principal répondre à tout appel de puissance. Or, sur la figure la, il apparaît que l'organe de couplage 14a est placé de façon telle que le dispositif de stockage principal 10a est relié en permanence au système à alimenter, l'organe 14a étant utilisé uniquement pour gérer les contributions du dispositif secondaire 12a. En revanche, il a été mentionné précédemment qu'un moyen de mise en oeuvre de la seconde stratégie d'alimentation consistait à réaliser un écrêtage de la sollicitation en puissance afin de répartir la demande sur les deux dispositifs de stockage. Ce processus d'écrêtage est illustré par les graphes apparaissant sur les figures 2a, 2b et 2c. Le graphe de la figure 2a représente l'évolution de la sollicitation en puissance reçue par un dispositif conforme à l'invention, au cours d'un cycle de fonctionnement. Cette sollicitation correspond, par exemple, aux besoins en énergie d'un véhicule automobile, et les variations dans la sollicitation sont donc représentatives des différentes phases de vie du véhicule (phase de roulage à rapport de vitesse constant, phase de changement de rapport de vitesse, et phase d'arrêt). Le dimensionnement du dispositif principal exige 35 parfois que l'on limite la sollicitation en puissance à destination de ce dispositif. Pour cela, il est utile de disposer d'un seuil de limitation permettant de répartir la demande entre les deux dispositifs. Ce seuil est, par exemple, déterminé au préalable en fonction des caractéristiques du dispositif, et inscrit dans une mémoire d'un microprocesseur utilisé pour mettre en oeuvre le procédé. Ainsi, une quantité d'énergie inférieure ou égale au seuil de limitation sera fournie par le dispositif principal, et la quantité manquante sera, le cas échéant, fournie par le dispositif secondaire. Ainsi, dans le cas représenté sur les figures 2a à 2c, le seuil de limitation est fixé à 10000 W en valeur absolue. Ainsi, la demande en puissance est répartie de façon telle que le dispositif de stockage principal répond à une sollicitation conforme à celle représentée sur la figure lb, c'est à dire une sollicitation qui reste inférieure, en valeur absolue, au seuil de limitation de 10000 W. Or, sur le graphe 2a, on constate, par exemple aux points 20a et 22a, que la sollicitation globale du système alimenté dépasse cette valeur absolue de 10 000 W (entre un seuil min - 5000 W, et un seuil max + 5000 W). Dans ce cas, le dispositif principal fournit ou emmagasine la quantité maximum, à savoir 10 000 W. en valeur absolue (20b et 22b, fig. 2b), et le complément est fourni ou emmagasiné par le dispositif secondaire (20c et 22c, fig. 2c) En revanche, lorsque la sollicitation reste inférieure à ce seuil de limitation, le dispositif principal peut fournir ou emmagasiner toute l'énergie requise, et dans ce cas le dispositif secondaire ne fournit qu'une quantité très faible, voire une quantité nulle, d'énergie. Par ailleurs, quelle que soit la stratégie d'alimentation utilisée, il est utile que les deux dispositifs de stockage soient maintenus dans un état optimal pour pouvoir répondre à toute sollicitation. A cet effet, des échanges d'énergie ont lieu entre le dispositif principal et le dispositif secondaire. Ces échanges d'énergie sont, par exemple, régis par des lois de variation telles qu'illustrées sur les figures 3a à 3e. Ces lois de variations représentent, en fonction de l'état de charge 35 du dispositif principal, exprimé en pourcentage, la puissance échangée entre les dispositifs. Cette puissance échangée correspond à la puissance électrique pouvant transiter entre les deux dispositifs. Les points 30 et 32 représentés sur les graphes 3a à 3d définissent respectivement des zones de fonctionnement optimal du dispositif d'alimentation. Le graphe 3e illustre un cas dans lequel la zone de 15 fonctionnement optimale est réduite à un point 33. En effet, à tout instant, le dispositif principal doit être capable de répondre à une sollicitation de la part du système alimenté, et pour cela il est utile qu'il soit à un état de charge correspondant de préférence, mais pas obligatoirement, 20 à une demi-charge pour pouvoir aussi bien fournir ou emmagasiner de l'énergie. Ainsi, sur ces courbes, les demi-plans supérieurs, définis par un état de charge du dispositif principal supérieur à 50%, correspondent à une décharge de ce stockeur principal en 25 direction du dispositif secondaire qui se charge alors. De la même façon, les demi-plans inférieurs correspondent à une décharge du dispositif secondaire en direction du dispositif principal qui se charge alors. Sur ces graphiques, les valeurs 34 et 36 représentent 30 les valeurs maximums acceptées en charge et en décharge par les dispositifs de stockage d'énergie. Les valeurs 34 et 36, ainsi que les positions des points 30 et 32 peuvent être, dans certaines réalisations, variables en fonction de paramètres représentants des 35 caractéristiques techniques des dispositifs de stockage. La figure 3e représente le cas particulier d'une loi de variation dans laquelle la zone de fonctionnement optimal du système est réduite à un point 33. Ainsi, lors de la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention, on mesure l'état de charge 35 du dispositif principal de stockage et, à partir de cette mesure et d'une loi de variation, par exemple telle que l'une de celles présentées sur les figures 3a à 3e, on détermine les échanges d'énergie qui doivent être effectués entre le dispositif principal et le dispositif secondaire. REVENDICATIONS 1. Procédé de gestion des flux énergétiques dans un dispositif d'alimentation électrique comprenant au moins un dispositif de stockage d'énergie principal (10a, 10b) et un dispositif de stockage secondaire (12a, 12b), le procédé comprenant les étapes suivantes : - on répartit, lorsque le dispositif d'alimentation électrique reçoit une sollicitation en puissance électrique, la demande en puissance entre le dispositif principal(10a, 10b) et le dispositif secondaire (12a, 12b), - on mesure l'état de charge du dispositif de stockage principal (10a, 10b), à partir de cette mesure, on commande un échange d'énergie électrique entre le stockeur d'énergie principal (10a, 10b) et le stockeur d'énergie secondaire (12a, 12b). 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on répartit la demande de puissance de façon telle que seul le dispositif de stockage principal (10a, 10b) est sollicité pour répondre à cette demande. 3. Procédé selon les revendications 1 ou 2 dans lequel la répartition de puissance est effectuée en fixant un seuil de limitation de la puissance fournie par le dispositif principal (10a, 10b), le dispositif secondaire (12a, 12b) fournissant une quantité de puissance correspondant à la différence entre ce seuil de limitation et la quantité demandée. 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel la valeur du seuil de limitation est prédéterminée en fonction d'au moins un paramètre compris dans le groupe comprenant : la taille des dispositifs de stockage principal (10a, 10b) et secondaire (12a, 12b), l'état de charge du dispositif secondaire (12a, 12b), des paramètres représentatifs del'état des éléments formant les dispositifs de stockage, et l'état de fonctionnement du système alimenté par le dispositif d'alimentation. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel, pour mesurer l'état de charge du dispositif principal, on détermine le pourcentage d'énergie stockée dans ce dispositif par rapport à la quantité maximale pouvant être stockée dans ce dispositif. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 comprenant l'étape de déterminer, à partir de la mesure de l'état de charge (35) et d'une loi de variation prédéterminée, l'échange d'énergie à commander entre le dispositif principal (10a, 10b) et le dispositif secondaire (12a, 12b). 7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel la loi de variation est déterminée au préalable en fonction d'au moins un paramètre compris dans le groupe comprenant : la taille des dispositifs de stockage principal (10a, 10b) et secondaire (12a, 12b), l'état de charge du dispositif secondaire, des paramètres représentatifs de l'état des éléments formant les dispositifs de stockage, et l'état de fonctionnement du système alimenté par le dispositif d'alimentation. 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7 dans lequel la loi de variation est telle que lorsque l'état de charge (35) du dispositif principal (10a, 10b) est inférieur à une valeur prédéterminée, on commande un échange d'énergie correspondant à une charge du dispositif principal (10a, 10b) et à une décharge du dispositif secondaire (12a, 12b). 9. Dispositif destiné à mettre en oeuvre un procédé selon l'une des revendications précédentes, ce dispositif comprenant : - un dispositif de stockage principal (10a, 10b), - un dispositif de stockage secondaire (12a, 12b),- des moyens de mesure de l'état de charge (35) d'un dispositif de stockage (10a, 10b), et - des moyens de commande et de répartition des échanges électriques. 10. Dispositif selon la revendication 9 dans lequel le dispositif de stockage principal (10a, 10b) et le dispositif de stockage secondaire (12a, 12b) sont distincts et sont chacun compris dans le groupe comprenant : une batterie électrochimique de type puissance , une batterie électrochimique de type énergie , et une supercapacité.