Brevet FR2934929A1 — publié le 20100212

SYSTEME DE STOCKAGE D'ENERGIE ELECTRIQUE POUR VEHICULE AUTOMOBILE ET PROCEDE DE GESTION D'ENERGIE DANS UN TEL SYSTEME Domaine de l'invention L'invention concerne un système de stockage d'énergie électrique pour un véhicule automobile de type électrique ou hybride. Elle concerne également un procédé pour gérer l'énergie électrique fournie par un tel système de stockage. L'invention trouve des applications dans le domaine de l'automobile et, en particulier, dans le domaine de l'alimentation en énergie électrique des véhicules électriques ou des véhicules hybrides. Etat de la technique Dans le domaine de l'automobile, les véhicules automobiles classiques, ou véhicules à carburant, fonctionnent uniquement au moyen d'un moteur thermique, présentant des inconvénients relatifs à leur pollution aussi bien atmosphérique que sonore ainsi qu'au coût de leur consommation en carburant. Pour pallier ces inconvénients, certains constructeurs automobiles fabriquent des véhicules électriques, c'est-à-dire des véhicules comportant un moteur électrique. Ces véhicules à moteur électrique ont l'avantage, non seulement de ne pas polluer l'atmosphère, mais également d'être relativement silencieux et de fonctionner à l'électricité, sensiblement moins cher que le carburant. Certains constructeurs automobiles ont développé également des véhicules hybrides . Généralement, un véhicule hybride comporte un moteur thermique associé à un moteur électrique. Le principe de fonctionnement d'un tel véhicule hybride est généralement le suivant : le moteur électrique récupère de l'énergie lors de la décélération du véhicule, cette énergie étant ensuite réinjectée en phase de traction pour diminuer la consommation de carburant. Dans ces véhicules, partiellement ou totalement électriques, la machine électrique est couplée à un dispositif de stockage électrique sous forme d'une batterie électrochimique, par exemple de type Oxyde de Plomb- Acide sulfurique, Nickel-MétalHydrure ou encore Lithium-ion. Il existe deux types de batteries électrochimiques : les batteries de type � puissance �, et les batteries de type � énergie �. Une batterie électrochimique, qu'elle soit de type � puissance � ou de type � énergie �, permet de fournir une grande énergie pendant une longue durée, mais elle présente l'inconvénient de disposer d'une résistance interne élevée, ce qui conduit, en fonctionnement, à un échauffement thermique difficile à maîtriser ; par conséquent, il est nécessaire de prévoir, dans les véhicules équipés de telles batteries, un système de refroidissement de grande dimension. On connaît également des techniques faisant appel, pour le stockage d'énergie électrique, à des supercapacités, ou supercondensateurs. Un supercondensateur est un dispositif de stockage électrique qui comporte une solution diélectrique (électrolyte) et des conducteurs électriques (électrodes) à l'interface desquels se crée, par l'accumulation de charges électriques, une couche électrochimique double. La combinaison d'une surface conductrice élevée et d'une épaisseur de diélectrique très faible permet d'atteindre une puissance de charge nettement plus élevée que celle des technologies de batterie décrites précédemment. Ainsi, contrairement aux batteries électrochimiques, les batteries à supercondensateurs permettent de fournir une grande puissance électrique. Toutefois, elles présentent l'inconvénient de disposer d'une faible énergie massique, ce qui impose un dimensionnement important pour les applications nécessitant une quantité d'énergie relativement importante. Ainsi, ces deux types de dispositifs, batterie électrochimique et batterie à supercondensateurs, présentent des caractéristiques complémentaires, l'un permettant de fournir une puissance faible mais une quantité d'énergie élevée, l'autre permettant de fournir une puissance élevée mais une quantité d'énergie faible. Afin de remédier aux inconvénients inhérents à chacun de ces deux types de dispositifs de stockage, il a été envisagé de coupler ces deux types de dispositifs de stockage d'énergie électrique, notamment une batterie électrochimique et une batterie à supercondensateurs. Ces systèmes à deux dispositifs de stockage sont appelés � systèmes de stockage d'énergie mixtes �. Un système mixte comprend plusieurs dispositifs de stockage d'énergie, ou stockeurs, de types différents, permettant de mettre à profit les caractéristiques avantageuses de chacun de ces types de dispositifs. Ainsi, avec un système de stockage mixte, on peut faire appel à l'un ou à l'autre des stockeurs en fonction des besoins en énergie, à un instant donné. Dans le cas d'un véhicule électrique ou hybride ayant un système de stockage mixte, il est possible de faire appel à l'un ou à l'autre des stockeurs selon la phase de fonctionnement du véhicule. Dans les véhicules actuels, aucun procédé de répartition de l'énergie électrique n'est mis en oeuvre. Les deux dispositifs sont généralement connectés entre eux par de simples conducteurs, selon une association série ou parallèle. L'équilibrage des tensions, régi par les lois de l'électricité, conduit alors à des échanges d'énergie naturels, à tout instant, entre les dispositifs. En conséquence, la répartition de l'énergie électrique n'est pas toujours optimale, par rapport au mode de fonctionnement du véhicule et donc aux besoins en puissance à chaque instant. Le système global de stockage d'énergie présente donc des performances médiocres, notamment en termes de disponibilité de l'énergie électrique, et donc de temps de réponse du système à une sollicitation. Pour résoudre ce problème de performances, des systèmes à base de filtres ou de convertisseurs électriques ont été envisagés. Cependant, si ces systèmes offrent de meilleures performances, ils présentent l'inconvénient d'être relativement couteux. Il a été envisagé, par ailleurs, un système de stockage d'énergie mixte à stockeurs connectés en parallèle, dans lequel une résistance est insérée en série avec le stockeur énergétique, c'est-à-dire avec la batterie électrochimique. Cette résistance permet de brider le courant de charge ou de décharge instantané dans ce stockeur. Les appels de puissance sont alors compensés par le stockeur de puissance, c'est-à-dire la batterie à supercondensateurs. Cependant, dans un tel système, le courant traversant la résistance y génère des pertes énergétiques qui nuisent au rendement du système de traction du véhicule. Exposé de l'invention L'invention a justement pour but de remédier aux inconvénients des techniques exposées précédemment. A cette fin, l'invention propose un système de stockage d'énergie, de type mixte, destiné à alimenter une chaîne de traction d'un véhicule automobile, dans lequel une charge électrique est couplée avec un des stockeurs du système. De cette façon, le courant traversant la charge électrique n'est pas dissipé en pertes, mais utilisé par ladite charge. De façon plus précise, l'invention concerne un système de stockage d'énergie apte à alimenter une chaîne de traction d'un véhicule automobile, comportant un premier et un second dispositifs de stockage d'énergie électrique, caractérisé en ce que : - le premier et le second dispositifs de stockage sont connectés en parallèle à la chaîne de traction du véhicule, et en ce que - au moins un consommateur électrique est monté en série entre le premier dispositif de stockage et la chaîne de traction. Ce système peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le premier dispositif de stockage a une puissance faible et une réserve d'énergie élevée et le second dispositif de stockage a une puissance élevée et une réserve d'énergie faible. - le second dispositif de stockage comprend au moins un supercondensateur. - le premier dispositif de stockage comprend une batterie électrochimique. - l'organe électrique est un dispositif de refroidissement du premier dispositif de stockage. - dans ce cas, le système comporte un redresseur de courant apte à alimenter le consommateur électrique. L'invention concerne également un procédé de gestion de l'énergie électrique dans un système de stockage tel que décrit précédemment. Ce procédé se caractérise par le fait qu'il comporte les opérations suivantes, lorsque la chaîne de traction du véhicule consomme de la puissance électrique : a) l'énergie électrique fournie par le premier dispositif de stockage traverse le consommateur électrique de façon à limiter un courant de décharge dudit premier dispositif, b) la puissance électrique est alors majoritairement fournie à la chaîne de traction par le second dispositif de stockage, c) parallèlement, l'énergie électrique fournie par le premier dispositif de stockage est reçue et utilisée par le consommateur électrique. Ce procédé peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - lorsque la chaîne de traction ne consomme pas de puissance, la charge électrique limite un courant d'équilibrage de sorte que les niveaux de tension des deux dispositifs de stockage s'équilibrent. - lors de la recharge du système de stockage, le consommateur électrique bride le courant de recharge du premier dispositif de stockage de sorte qu'une partie dudit courant de recharge est dérivée vers le second dispositif de stockage. L'invention concerne en outre un véhicule automobile de type hybride ou électrique comportant un système de stockage tel que défini précédemment. Brève description des dessins La figure unique représente un diagramme fonctionnel du système de stockage d'énergie selon l'invention. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention. Le système de stockage d'énergie selon l'invention est un système mixte comportant un premier et un second dispositifs de stockage, ou stockeurs, de types différents. La figure unique représente un diagramme fonctionnel correspondant à ce système de stockage. Ce système de stockage comprend : - un premier dispositif de stockage d'énergie électrique 1, apte à emmagasiner et fournir une quantité importante d'énergie électrique ; ce dispositif constitue ainsi une réserve d'énergie importante ; - un second dispositif de stockage d'énergie électrique 2, apte à emmagasiner et fournir une énergie à une puissance électrique élevée ; ce dispositif constitue une faible réserve d'énergie, mais cette énergie est disponible sous une puissance élevée. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le premier dispositif de stockage 1 est une batterie d'accumulateurs électrochimiques, appelée batterie électrochimique, et le second dispositif de stockage 2 est une batterie à supercondensateurs, appelée aussi pack de supercondensateurs. Ces deux dispositifs de stockage sont connectés en parallèle par l'intermédiaire de conducteurs électriques 5 et 6. Ils sont reliés chacun, par l'intermédiaire de conducteurs 7, à un circuit électrique 3 à alimenter. Ce circuit électrique 3 comprend une chaîne de traction 3 du véhicule et, éventuellement, tout autre circuit électrique secondaire permettant l'alimentation de différents organes électriques installés dans le véhicule. On appelle � chaîne de traction d'un véhicule � l'ensemble des organes électriques, électrotechniques, électroniques nécessaires à la traction du véhicule. A ce titre, le moteur électrique fait partie de la chaine de traction Ainsi associés, les deux dispositifs de stockage 1 et 2 sont aptes à fournir, à la chaîne de traction 3, une énergie électrique importante, aussi bien en quantité et qu'en puissance. En effet, cette connexion en parallèle assure une liaison directe entre le second dispositif de stockage 2 fournissant une puissance électrique élevée et la chaîne de traction 3 à alimenter. Elle assure, en outre, une liaison entre le premier dispositif de stockage 1 fournissant une quantité d'électricité importante et ladite chaîne de traction 3. Selon l'invention, au moins un consommateur électrique est connecté en série sur la liaison entre le premier dispositif de stockage 1 et la chaîne de traction 3. Plus précisément, comme montré sur la figure, le consommateur électrique 4 est connecté sur le conducteur 5, entre le premier dispositif de stockage 1 et la chaîne de traction 3. On appelle composant électrique, un composant actif qui génère une action mécanique lorsqu'il est excité. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le consommateur électrique 4 est constitué d'un ou de plusieurs organes électriques consommateurs d'énergie électrique. Ces organes électriques sont des dispositifs du véhicule réalisant des fonctions spécifiques, indépendantes ou non de la traction du véhicule. Ces organes électriques peuvent être, par exemple, un moteur électrique d'essuie-glace ou de pompe, un relais de puissance permettant l'alimentation d'un filament d'ampoule d'éclairage, etc. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le consommateur électrique 4 est constitué d'un ou de plusieurs organes électriques consommateurs d'énergie électrique. Ces organes électriques sont des dispositifs du véhicule réalisant des fonctions spécifiques, indépendantes ou non de la traction du véhicule. Ce consommateur électrique 4 a pour rôle de brider le courant instantané de charge ou de décharge du premier dispositif de stockage 1 en utilisant ce courant pour des fonctions indépendantes ou non de la traction du véhicule. En effet, lorsque la chaîne de traction consomme de l'énergie électrique, cette énergie électrique est fournie par le système de stockage de l'invention. Plus précisément, la puissance correspondant à cette énergie est fournie à la fois par le premier dispositif de stockage 1, appelé par la suite batterie électrochimique, et par le second dispositif de stockage 2, appelé par la suite pack de supercondensateurs. Le courant provenant du pack de supercondensateurs 2 est fourni directement à la chaîne de traction 3. Par contre, le courant provenant de la batterie électrochimique 1 doit traverser le consommateur électrique 4 avant d'être fourni à la chaîne de traction 3.0r, le consommateur électrique 4 présente une chute de tension à ses bornes, ce qui a pour effet de limiter le courant de décharge de la batterie électrochimique 1. Par conséquent, les appels de puissance de la chaîne de traction 3 sont répercutés directement sur le pack de supercondensateurs 2. Autrement dit, lorsque la chaîne de traction 3 fait un appel de puissance, alors cette puissance est majoritairement fournie par le pack de supercondensateurs 2. L'énergie consommée dans le consommateur électrique 4 est réutilisée par le consommateur électrique 4 lui-même. Selon les fonctions réalisées par les organes constituant le consommateur électrique 4, l'énergie consommée dans le consommateur électrique 4 peut être convertie en une autre forme d'énergie. Comme le consommateur électrique 4 correspond à un ou plusieurs organes électriques du véhicule, l'énergie n'est pas dissipée en pertes dans ladite charge. Cette énergie est utilisée par le consommateur électrique 4 à la place d'une énergie d'alimentation spécifique à ces organes électriques. Par exemple, si l'organe électrique constituant le consommateur électrique 4 est un dispositif de chauffage, l'énergie électrique dissipée dans l'organe électrique est convertie en chaleur. Le système de stockage d'énergie de l'invention vient d'être décrit dans son fonctionnement en tant que fournisseur d'énergie. Cependant, lorsque le véhicule est un véhicule hybride, la chaîne de traction du véhicule peut soit consommer de l'énergie électrique soit, au contraire, en produire. En effet, le principe de fonctionnement d'un véhicule hybride est tel que, dans certaines phases de roulage, par exemple une phase de roulage à vitesse élevée avec peu d'accélérations et de décélérations, la chaîne de traction est alimentée par le moteur thermique du véhicule Les véhicules hybrides sont donc conçus pour pouvoir récupérer et stocker l'énergie électrique produite par le moteur thermique au cours des phases de décélération, en vue d'une utilisation future. Le système de stockage d'énergie de l'invention peut être appliqué à un véhicule hybride. Dans ce cas, lorsqu'il est en phase de recharge, le consommateur électrique 4 du système de stockage a un rôle de limitateur de courant, similaire à celui décrit précédemment. Plus précisément, en phase de recharge, la force électromotrice interne du consommateur électrique 4 bride le courant de recharge de la batterie électrochimique 1. La puissance instantanée du courant de recharge est alors dérivée vers le pack de supercondensateurs 2. Lorsque la chaîne de traction 3 ne consomme pas d'énergie électrique, les niveaux de tension de la batterie électrochimique et du pack de supercondensateurs se rééquilibrent. En effet, le consommateur électrique 4 limite le courant d'équilibrage circulant entre la batterie électrochimique 1 et le pack de supercondensateurs 2, ce qui a pour effet d'égaliser les niveaux de tension dans les deux dispositifs de stockage. Lorsque l'équilibre est atteint, le consommateur électrique 4 cesse de fonctionner car la différence de potentiel à ses bornes est nulle. On comprend donc que le fonctionnement du consommateur électrique 4 est directement couplé au courant de charge et de décharge de la batterie électrochimique 1. Aussi, dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, on choisit, comme consommateur électrique 4, le dispositif de refroidissement de la batterie électrochimique du véhicule. En effet, tant que la batterie électrochimique est en fonctionnement, son dispositif de refroidissement est alimenté en énergie électrique ; lorsque la batterie ne fonctionne pas, son dispositif de refroidissement cesse aussi de fonctionner. Dans ce mode de réalisation, et dans le cas où le dispositif de refroidissement comporte une pompe hydraulique ou un ventilateur, un redresseur de courant est installé de façon à alimenter le consommateur électrique 4. Ce redresseur de courant peut être, par exemple, un pont de diodes. Un tel mode de réalisation présente l'avantage de ne nécessiter aucun moyen d'alimentation en énergie électrique spécifique au dispositif de refroidissement de la batterie.10 REVENDICATIONS1 ù Système de stockage d'énergie apte à alimenter une chaîne de traction d'un véhicule automobile, comportant un premier et un second dispositifs de stockage d'énergie électrique (1, 2), caractérisé en ce que : - le premier (1) et le second (2) dispositifs de stockage sont connectés en parallèle à la chaîne de traction (3) du véhicule, et en ce que - au moins un consommateur électrique (4) est monté en série entre le premier dispositif de stockage (1) et la chaîne de traction (3). 2 ù Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier dispositif de stockage a une puissance faible et une réserve d'énergie élevée et le second dispositif de stockage a une puissance élevée et une réserve d'énergie faible. 3 ù Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le second dispositif de stockage comprend au moins un supercondensateur. 4 ù Système selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le premier dispositif de stockage comprend une batterie électrochimique. 5 ù Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le consommateur électrique est un dispositif de refroidissement du premier dispositif de stockage. 6 ù Système selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un redresseur de courant apte à alimenter le consommateur électrique (4).307 û Procédé de gestion de l'énergie électrique dans un système de stockage d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte les opérations suivantes, lorsque la chaîne de traction du véhicule consomme de la puissance électrique : a) le courant électrique fourni par le premier dispositif de stockage (1) traverse le consommateur électrique (4) de façon à limiter un courant de décharge dudit premier dispositif, b) la puissance électrique est alors fournie à la chaîne de traction (3) par le second dispositif de stockage (2), c) parallèlement, l'énergie électrique fournie par le premier dispositif de stockage est en partie consommée et utilisée par le consommateur électrique (4). 8 - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que, lorsque la chaîne de traction ne consomme pas de puissance, le consommateur électrique (4) limite un courant d'équilibrage de sorte que les niveaux de tension des deux dispositifs de stockage (1, 2) s'équilibrent. 9 û Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que, lors de la recharge du système de stockage, le consommateur électrique (4) bride un courant de recharge du premier dispositif de stockage de sorte qu'une partie dudit courant de recharge est dérivée vers le second dispositif de stockage. 10 û Véhicule de type électrique ou hybride, caractérisé en ce qu'il comporte un système de stockage d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.