Brevet FR2933356A1 — publié le 20100108

Dispositif de stockage d'énergie pour véhicules automobiles de type hybride ou électrique et procédé de gestion d'énergie électrique associé [1]. La présente invention concerne un dispositif de stockage d'énergie pour véhicules automobiles de type hybride ou électrique et un procédé de gestion d'énergie électrique associé. L'invention a notamment pour but d'améliorer le compromis entre le coût, les performances et la durée de vie d'un tel dispositif de stockage d'énergie. [2]. Un véhicule hybride comporte un moteur thermique utilisé en io association avec un système de traction électrique, tel qu'une machine électrique. Le principe général de fonctionnement de ce type de véhicule est de faire fonctionner soit la machine électrique seule (mode électrique pur), lorsque le véhicule roule à une vitesse inférieure à une vitesse seuil (de l'ordre de 60 km/h par exemple), notamment en zone urbaine ; soit le moteur 15 thermique seul (mode thermique), lorsque le véhicule roule à une vitesse supérieure à la vitesse seuil, hors zone urbaine. [3]. Lorsque la machine électrique assure la traction du véhicule, elle prélève de l'énergie contenue dans un dispositif de stockage d'énergie. Dans des phases de récupération, notamment lors des phases de freinage du 20 véhicule, l'énergie cinétique du véhicule est transformée en énergie électrique stockée à l'intérieur du dispositif de stockage. [4]. Ces véhicules comportent un réseau de bord électrique comprenant l'ensemble des éléments consommateurs d'énergie du véhicule, tels que les phares, la radio, les essuie-glaces ou la climatisation, relié au 25 dispositif de stockage afin d'y prélever de l'énergie pour son fonctionnement. [5]. On connaît des dispositifs de stockage d'énergie prenant la forme de batteries à couple électrochimique qui transforment de l'énergie électrique en énergie chimique (et réciproquement) grâce aux réactions électrochimiques de leurs électrodes. On connaît ainsi les batteries de type 30 oxyde de plomb-acide sulfurique, Nickel-hydrure métallique, Li-ion, lithium polymère, ou autres. [006]. Parmi les batteries à couple électrochimique, on distingue des batteries de type � énergétique � et des batteries de type � puissance �. Les batteries énergétiques présentent une résistance interne plus élevée que les batteries de puissance et permettent de délivrer une quantité d'énergie pendant une durée plus longue que les batteries énergétiques ; en revanche compte tenu de leur résistance interne plus élevée, les batteries énergétiques délivrent une puissance moins importante que les batteries de puissance. io [007]. Le typage � énergétique � ou � puissance � de la batterie est effectué au moment de la fabrication de la batterie. En effet, plus on recouvre de matière active les électrodes de la batterie, plus sa capacité de stockage est importante, et plus sa résistance interne est importante, ce qui implique une puissance délivrée faible. A l'inverse, moins on recouvre de matière 15 active les électrodes de la batterie, moins sa capacité de stockage est importante, et moins sa résistance interne est importante, ce qui implique une puissance délivrée élevée. [8]. Toutefois, du fait de la résistance interne relativement élevée des batteries électrochimiques, il est nécessaire d'utiliser de nombreux 20 accumulateurs afin d'obtenir des batteries répondant à la sollicitation en puissance du véhicule, ce qui engendre un encombrement trop important. [9]. Par ailleurs, on connaît les supercondensateurs, appelés aussi supercapacités, constitués de deux électrodes imprégnées d'électrolyte, qui sont séparées par une membrane isolante et poreuse (pour assurer la 25 conduction ionique). Les charges électriques s'accumulant sur les électrodes, l'électrolyte assure la compensation, d'un point de vue électrique, de cette accumulation de charges. [10]. Ces supercondensateurs sont capables de délivrer une puissance importante pendant une durée relativement courte. Par rapport aux batteries 30 à couple électrochimique (de type � énergétique � ou � puissance �), les 2 supercondensateurs présentent une capacité de stockage bien inférieure mais un rendement et une puissance bien supérieurs. [11]. Le principe de l'invention repose sur l'association de ces différentes technologies de stockage d'énergie afin de tirer partie de leurs avantages respectifs. [12]. Ainsi dans l'invention, on utilise un premier élément de stockage d'énergie électrique et un deuxième élément de stockage couplés entre eux par l'intermédiaire d'un organe de couplage électrique assurant l'adaptation des niveaux de tension du premier élément de stockage vers les niveaux de io tension du deuxième élément de stockage et réciproquement. Un des deux éléments de stockage comprend une batterie à couple électrochimique, tandis que l'autre élément de stockage comprend un supercondensateur. [13]. Dans l'invention, la batterie à couple électrochimique permet de maintenir le supercondensateur dans un état de charge fonctionnel, c'est à 15 dire un état de charge tel que le supercondensateur peut emmagasiner de l'énergie si le véhicule entre dans une phase de récupération, ou en fournir si le véhicule entre dans une phase de fonctionnement électrique. [14]. A cet effet, si au cours d'une phase de récupération d'énergie, la tension du supercondensateur atteint une tension correspondant à un état 20 chargé du supercondensateur, la batterie prélève de l'énergie au supercondensateur à un courant adapté pour faire redescendre l'état de charge du supercondensateur, afin de lui permettre d'emmagasiner encore de l'énergie si besoin. [15]. Si au cours d'une phase de traction électrique pure du véhicule, la 25 tension du supercondensateur atteint une tension correspondant à un état déchargé du supercondensateur, la batterie fournit de l'énergie au supercondensateur à un courant adapté pour faire remonter l'état de charge du supercondensateur, afin de lui permettre de fournir encore de l'énergie à la machine électrique si besoin. [16]. L'invention autorise l'utilisation d'une batterie électrochimique de dimension réduite, ce qui implique la diminution à la fois de la masse de la batterie, de son encombrement, de sa puissance électrique, ainsi que de sa capacité. En outre, l'invention permet une réduction des courants, et donc une limitation de l'échauffement thermique du dispositif de stockage. [17]. L'invention concerne donc un dispositif de stockage d'énergie électrique pour véhicules automobiles de type hybride ou électrique, caractérisé en ce qu'il comporte : - un bus d'alimentation haute tension destiné à être connecté à un système io de traction électrique et/ou à un réseau de bord électrique, - un premier élément de stockage d'énergie électrique connecté audit bus d'alimentation, caractérisé en ce qu'il comporte en outre : - un deuxième élément de stockage connecté au bus d'alimentation haute 15 tension par l'intermédiaire d'un organe de couplage électrique assurant l'adaptation des niveaux de tension du premier élément de stockage vers les niveaux de tension du deuxième élément de stockage et réciproquement, - le deuxième élément de stockage étant connecté au bus en parallèle par rapport au premier élément de stockage, 20 - un des deux éléments de stockage comprenant une batterie à couple électrochimique, tandis que l'autre élément de stockage comprend un supercondensateur. [22]. Selon une réalisation, le premier élément de stockage connecté au bus comprend un supercondensateur, et le deuxième élément de stockage 25 comprend une batterie à couple électrochimique. [23]. Selon une réalisation, le premier élément de stockage comprend un supercondensateur délivrant une tension comprise entre 80 à 150 Volts et apte à fournir une puissance comprise entre 15 et 35 kW. [24]. Selon une réalisation, le deuxième élément de stockage comprend 30 une batterie à couple électrochimique délivrant une tension comprise entre 12 et 60 Volts et présentant une capacité de stockage comprise entre 2 et 20 Méga Joules. [21]. Selon une réalisation, l'organe de couplage est un convertisseur continu-continu (DC/DC) réversible de puissance comprise entre 1 et 5kW. [22]. L'invention concerne en outre un véhicule automobile de type hybride ou électrique muni d'un dispositif de stockage d'énergie selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comporte : - un réseau de bord connecté au bus haute tension par l'intermédiaire d'un deuxième organe de couplage électrique, et - un système de traction électrique connecté au bus haute tension par io l'intermédiaire d'un convertisseur alternatif/continu. [023]. Selon une réalisation, le convertisseur accepte des tensions comprises entre 80 à 150 Volts et présente une puissance d'environ 40 kW, tandis que le convertisseur continu/continu supporte une puissance de l'ordre de 1 kW environ. 15 [024]. L'invention concerne en outre un procédé de gestion d'énergie électrique dans un véhicule électrique ou hybride selon l'invention, caractérisé en ce que, dans une phase de traction électrique pure, le système de traction électrique prélève de l'énergie aux bornes du supercondensateur pour assurer la traction du véhicule, tandis que de 20 l'énergie électrique est transférée de la batterie vers le supercondensateur par l'intermédiaire de l'organe de couplage afin de compenser ce prélèvement d'énergie. [25]. Selon une mise en oeuvre, dans une phase de récupération d'énergie électrique, le supercondensateur emmagasine l'énergie issue du 25 système de traction électrique ; tandis que de l'énergie électrique est transférée du supercondensateur vers la batterie par l'intermédiaire de l'organe de couplage pour ralentir la charge du supercondensateur. [26]. Selon une mise en oeuvre, si à l'issue d'une phase de récupération d'énergie (respectivement à l'issue d'une phase de traction électrique pure), 5 le supercondensateur est dans un état chargé (respectivement dans un état déchargé), alors on effectue, de préférence lors d'une phase de traction thermique pure, un transfert d'énergie du supercondensateur vers la batterie (respectivement de la batterie vers le supercondensateur), de sorte que le niveau de charge du supercondensateur soit tel, que le supercondensateur peut emmagasiner l'énergie électrique issue du système de traction électrique si le véhicule entre dans une phase de récupération d'énergie ; ou fournir de l'énergie au système de traction électrique si le véhicule fonctionne en mode électrique. io [027]. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. Elles montrent : [28]. Figure 1 : une représentation schématique du principe général du 15 dispositif de stockage d'énergie électrique selon l'invention ; [29]. Figure 2: une représentation schématique d'un mode de réalisation préféré du dispositif de stockage selon l'invention connecté à un système de traction électrique et à un réseau de bord électrique du véhicule ; [30]. Figure 3 : des diagrammes temporels de la tension aux bornes des 20 éléments de stockage, des échanges de puissance entre ces éléments, et de la puissance de la machine électrique d'un véhicule hybride muni d'un dispositif de stockage selon la figure 2. [31]. Les éléments identiques conservent la même référence d'une figure à l'autre. 25 [032]. La figure 1 montre un dispositif 1 de stockage comportant un bus 2 d'alimentation à courant continu haute tension destiné à être connecté à un système de traction électrique du véhicule, tel qu'une machine électrique, et/ou à un réseau de bord électrique dudit véhicule. [33]. Un premier élément 3 de stockage d'énergie électrique est connecté à ce bus 2. Un deuxième élément 4 de stockage d'énergie électrique est connecté au bus 2 par l'intermédiaire d'un organe 5 de couplage électrique. Ce deuxième élément 4 de stockage est connecté au bus 2 via l'organe 5 en parallèle par rapport au premier élément 3. [34]. L'organe 5 de couplage est un convertisseur continu/continu réversible assurant l'adaptation des niveaux de tension du premier élément 3 de stockage vers les niveaux de tension du deuxième élément 4 de stockage et réciproquement. io [035]. Dans un mode de réalisation de l'invention, on combine à la fois un élément de stockage 3 ou 4 de faible résistance interne tel qu'un supercondensateur avec un élément de stockage 3 ou 4 de forte capacité de stockage, tel qu'une batterie à couple électrochimique de type énergétique ou de puissance. Cet agencement permet de répondre aux sollicitations 15 élevées en puissance du bus 2 du véhicule sur une durée optimale. [36]. En variante, un des éléments de stockage 3 ou 4 prend la forme d'une batterie de puissance, tandis que l'autre élément 3 ou 4 de stockage prend la forme d'une batterie énergétique. [37]. La figure 2 montre un exemple de réalisation préféré du dispositif 1 20 de stockage selon l'invention. [38]. Selon cette réalisation, le premier élément 3 de stockage comprend un supercondensateur délivrant une tension comprise entre 80 à 150 Volts apte à fournir une puissance comprise entre 15 et 35 kW. [39]. Le deuxième élément 4 de stockage comprend une batterie à 25 couple électrochimique délivrant une tension comprise entre 12 et 60 Volts et présentant une capacité de stockage comprise entre 2 et 20 MJ (Méga Joules), cette capacité de stockage pouvant aller jusqu'à 60 ou 100MJ dans certaines réalisations. [40]. L'organe 5 de couplage est un convertisseur continu-continu (DC/DC) réversible de puissance comprise entre 1 et 5kW. [41]. Par ailleurs, un système 7 de traction, tel qu'une machine électrique, est connecté au bus 2 par l'intermédiaire d'un organe 8 de couplage électrique prenant la forme d'un convertisseur alternatif-continu (AC/DC). Cet organe 8 accepte des tensions comprises entre 80 à 150 V et présente une puissance d'environ 40 kW. Lorsque la machine 7 fonctionne en mode générateur, l'organe 8 fonctionne en mode redresseur, de manière à convertir une tension alternative délivrée par la machine 7 en une tension io continue appliquée sur le bus 2. Lorsque la machine 7 fonctionne en mode moteur, l'organe 8 fonctionne en mode onduleur, de manière à convertir la tension continue du bus 2 en une tension alternative triphasée appliquée sur les phases de la machine 7. [42]. En outre, le bus 9 d'un réseau de bord électrique du véhicule est 15 connecté au bus 2 par l'intermédiaire d'un convertisseur 10 continu/continu supportant une puissance de l'ordre de 1 kW environ. On entend par réseau de bord électrique un réseau électrique comprenant l'ensemble des composants consommateurs électriques du véhicule branchés en série ou en parallèle au bus 9. Ces consommateurs électriques sont notamment les 20 phares, la radio, la climatisation, les essuie-glaces, etc. Le convertisseur 10 adapte les niveaux de tension observables sur le réseau de bord aux niveaux de tension observables sur le bus 2, et réciproquement. La tension sur le réseau de bord est maintenue aux alentours de 12V. [43]. Le dispositif 1 de l'invention comporte en outre une unité de 25 commande (non représentée) apte à piloter les différents éléments 3, 4 et 5 du dispositif 1 pour mettre en oeuvre le procédé de gestion de l'énergie selon l'invention illustré par les diagrammes temporels de la figure 3. [44]. Plus précisément, la figure 3 représente des graphes illustrant l'évolution temporelle des tensions UCAP et VBAT respectivement aux 30 bornes du supercondensateur 3 et de la batterie 4 du dispositif 1 de stockage selon la figure 2, des échanges de puissance PDC/DC entre le supercondensateur 3 et la batterie 4, et de la puissance PMEL de la machine électrique 7, lors de différentes phases de fonctionnement 11-15 d'un véhicule hybride selon l'invention. [45]. Lorsque le transfert d'énergie est effectué de la batterie 4 vers le supercondensateur 3, on considère que l'échange de puissance PDC/DC est positif ; tandis que lorsque le transfert d'énergie est effectué du supercondensateur 3 vers la batterie 4, on considère que l'échange de puissance PDC/DC est négatif. [46]. Lorsque la machine 7 électrique fonctionne en mode moteur, la io puissance PMEL est positive ; tandis que lorsque la machine 7 électrique fonctionne en mode générateur, la puissance PMEL est négative. [47]. Lors d'une phase 11 de fonctionnement, lorsque la machine 7 électrique fonctionne en mode moteur (PMEL positif), la machine 7 électrique prélève de l'énergie aux bornes du supercondensateur 3 pour assurer la 15 traction du véhicule, de sorte que la tension UCAP aux bornes du supercondensateur 3 diminue. Par ailleurs, de l'énergie électrique est transférée de la batterie 4 vers le supercondensateur 3 (PDC/DC positif), afin de compenser ce prélèvement d'énergie, de sorte que la tension VBAT aux bornes de la batterie 4 diminue également. A l'issue de cette phase 11, le 20 supercondensateur 3 présente une tension Vd correspondant à un état de décharge. Pour un véhicule hybride, cette phase 11 peut être mise en oeuvre en combinaison avec une phase de traction thermique (mode Boost). [48]. Lors d'une phase 12 de fonctionnement, alors que le véhicule fonctionne en mode thermique, le supercondensateur 3 et la batterie 4 ne 25 sont pas sollicités. La batterie 4 se relaxe et reprend alors une tension Vo proche de sa tension à courant nul. La tension UCAP aux bornes du supercondensateur 3 demeure sensiblement inchangée. [49]. Lors d'une phase 13 de fonctionnement, alors que le véhicule fonctionne en mode thermique, un transfert d'énergie électrique est effectué 30 de la batterie 4 vers le supercondensateur 3 en déchargeant un courant électrique à partir de la batterie 4 vers le supercondensateur 3 par l'intermédiaire du convertisseur 5. Ce transfert d'énergie a pour but de relever la tension UCAP du supercondensateur 3 de Vd à un niveau Vf tel, qu'il lui sera possible de fournir de l'énergie électrique à la machine 7 si le véhicule entre dans une phase de traction électrique ultérieure, ou d'emmagasiner de l'énergie issue de la machine 7 si le véhicule entre dans une phase de récupération d'énergie. Autrement dit, dans cette phase 13, on relève la tension du supercondensateur 3 afin de maintenir ledit supercondensateur 3 dans un état le plus fonctionnel possible. io [050]. Lors d'une phase 14 de freinage récupératif, le véhicule décélère et utilise la machine 7 électrique en tant que générateur électrique (PMEL négatif), afin de transformer l'énergie cinétique du véhicule en énergie électrique. Le supercondensateur 3 emmagasine alors l'énergie issue de la machine 7 électrique, de sorte que la tension UCAP à ses bornes augmente. 15 A l'issue de cette phase 14, le supercondensateur 3 présente une tension Vc correspondant à son état de charge. Il est possible mais pas obligatoire de transférer de l'énergie électrique du supercondensateur 3 vers la batterie 4 par l'intermédiaire du convertisseur 5 pour ralentir la charge du supercondensateur 3 (PDC/DC négatif). 20 [051]. Lors d'une phase 15 de fonctionnement, alors que le véhicule fonctionne en mode thermique, un transfert d'énergie est effectué du supercondensateur 3 vers la batterie 4 (PDC/DC négatif), en déchargeant un courant électrique depuis le supercondensateur 3 vers la batterie 4 par l'intermédiaire du convertisseur 5 afin d'abaisser la tension du 25 supercondensateur 3 de la tension Vc à un niveau Vf tel, que le supercondensateur 3 pourra de nouveau récupérer de l'énergie au prochain freinage, ou fournir de l'énergie à la machine 7 électrique si le véhicule entre dans une phase de traction électrique. Autrement dit, dans cette phase 15, comme dans la phase 13 précédente, on fait évoluer la tension du 30 supercondensateur 3 afin de maintenir ledit supercondensateur 3 dans un état le plus fonctionnel possible. Dans un exemple les niveaux de tension Vf et Vf peuvent être sensiblement égaux. REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de stockage d'énergie électrique pour véhicules automobiles de type hybride ou électrique, caractérisé en ce qu'il comporte : - un bus (2) d'alimentation haute tension destiné à être connecté à un système (7) de traction électrique et/ou à un réseau de bord électrique, - un premier élément (3) de stockage d'énergie électrique connecté audit bus (2) d'alimentation, caractérisé en ce qu'il comporte en outre : - un deuxième élément (4) de stockage connecté au bus (2) io d'alimentation haute tension par l'intermédiaire d'un organe (5) de couplage électrique assurant l'adaptation des niveaux de tension du premier élément (3) de stockage vers les niveaux de tension du deuxième élément (4) de stockage et réciproquement, - le deuxième élément (4) de stockage étant connecté au bus (2) en 15 parallèle par rapport au premier élément (3) de stockage, - un des deux éléments (3, 4) de stockage comprenant une batterie à couple électrochimique, tandis que l'autre élément (3, 4) de stockage comprend un supercondensateur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier 20 élément (3) de stockage connecté au bus comprend un supercondensateur, et le deuxième élément (4) de stockage comprend une batterie à couple électrochimique. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier élément (3) de stockage comprend un supercondensateur délivrant une 25 tension comprise entre 80 à 150 Volts et apte à fournir une puissance comprise entre 15 et 35 kW. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le deuxième élément (4) de stockage comprend une batterie à couple électrochimique délivrant une tension comprise entre 12 et 60 Volts et 30 présentant une capacité de stockage comprise entre 2 et 20 Méga Joules. 5. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'organe de couplage (5) est un convertisseur continu-continu (DC/DC) réversible de puissance comprise entre 1 et 5kW. 6. Véhicule automobile de type hybride ou électrique muni d'un dispositif de stockage d'énergie défini selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte : - un réseau de bord connecté au bus (2) haute tension par l'intermédiaire d'un deuxième organe (10) de couplage électrique, et - un système de traction (7) électrique connecté au bus (2) haute io tension par l'intermédiaire d'un convertisseur (8) alternatif/continu. 7. Véhicule selon la revendication 6, caractérisé en ce que le convertisseur (8) accepte des tensions comprises entre 80 à 150 Volts et présente une puissance d'environ 40 kW, tandis que le convertisseur (10) continu/continu supporte une puissance de l'ordre de 1 kW environ. 15 8. Procédé de gestion d'énergie électrique dans un véhicule électrique ou hybride défini selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que, dans une phase de traction électrique pure, le système (7) de traction électrique prélève de l'énergie aux bornes du supercondensateur (3) pour assurer la traction du véhicule, tandis que de l'énergie électrique est transférée de la 20 batterie (4) vers le supercondensateur (3) par l'intermédiaire de l'organe (5) de couplage afin de compenser ce prélèvement d'énergie. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que, dans une phase de récupération d'énergie électrique, le supercondensateur (3) emmagasine l'énergie issue du système (7) de traction électrique ; tandis 25 que de l'énergie électrique est transférée du supercondensateur (3) vers la batterie (4) par l'intermédiaire de l'organe (5) de couplage pour ralentir la charge du supercondensateur (3). 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que si à l'issue d'une phase de récupération d'énergie (respectivement à l'issue d'une 30 phase de traction électrique pure), le supercondensateur est dans un état chargé (respectivement dans un état déchargé), alors on effectue, depréférence lors d'une phase de traction thermique pure, un transfert d'énergie du supercondensateur (3) vers la batterie (4) (respectivement de la batterie (4) vers le supercondensateur (3)), de sorte que le niveau de charge (Vf, Vf') du supercondensateur (3) soit tel, que le supercondensateur (3) peut emmagasiner l'énergie électrique issue du système (7) de traction électrique si le véhicule entre dans une phase de récupération d'énergie ; ou fournir de l'énergie au système (7) de traction électrique si le véhicule fonctionne en mode électrique.