Brevet FR2942357A1 — publié le 20100820

SYSTEME ET PROCEDE DE GESTION DE RECHARGE D'UNE BATTERIE La présente invention concerne un système de gestion de recharge d'une batterie de stockage d'énergie électrique d'alimentation d'une chaîne de traction électrique ou hybride d'un véhicule. L'invention concerne également un procédé de gestion de recharge associé. La présente invention a notamment pour but d'augmenter la durée de vie d'une batterie tout en réduisant le coût de fabrication d'une telle batterie en évitant son surdimensionnement par rapport au cahier de charges pour lequel le véhicule a été conçu. Un des objectifs actuels concernant les sources de stockage électrochimiques (SSE) est qu'elles puissent durer toute la durée de vie du véhicule, généralement entre 10 et 15 ans. On distingue deux types de vieillissement : le vieillissement du fait de son utilisation et le vieillissement calendaire qui correspond au vieillissement intrinsèque de la batterie. Le vieillissement d'une batterie s'exprime par la perte progressive de performances en termes d'énergie et de puissance disponible. Par conséquent, la batterie doit être surdimensionnée en début de vie pour qu'elle puisse toujours répondre aux spécifications en termes d'énergie et de puissance en fin de vie. Or la batterie est un composant coûteux qui doit être dimensionné au plus juste en fonction du cahier des charges du véhicule, pour minimiser l'impact de son coût. Les batteries qui sont des composants physico-chimiques sont particulièrement sensibles au niveau d'état de charge et à la température. Ainsi les deux principaux paramètres qui influencent la durée de vie calendaire et son vieillissement du fait de son utilisation sont l'état de charge et la température. Plus la température de stockage ou d'utilisation est basse, meilleure est la durée de vie. De même, plus l'état de charge à laquelle est stockée ou utilisée la batterie est bas, meilleur est la durée de vie. Le tableau 1 ci-dessus illustre les données concernant la durée de vie calendaire exprimée en année pour une batterie Lithium en fonction de l'état de charge par rapport à sa capacité de charge pour trois températures 25° C, 45 C et 60° C. Durée de vie U ,Z Du ri de vie Durée .de vie i (année) . . Tableau 1 Il ressort de ce tableau que la durée de vie calendaire est passée de 17,7 ans à 25°C avec un état de charge à 50% à seulement 2,6 ans à 25°C avec un état de charge à 100%. Dans l'état de la technique, pour les véhicules automobiles dont la motorisation fait appel complètement ou en partie à une source de stockage d'énergie électrique, il n'existe pas de gestion de l'état de charge de cette source de manière à optimiser son fonctionnement en fonction de l'utilisation. Généralement, lorsque la batterie est branchée au réseau ou à une borne de charge rapide, cette source est chargée à pleine charge, c'est-à-dire à 100% lorsque le temps de charge est suffisant, même si son utilisation ne nécessite pas une pleine charge. Une telle utilisation de la batterie, conformément aux données illustrées dans le tableau 1, fait dégrader rapidement les performances de la source de stockage. Selon le tableau 1, quelque soit la température de stockage, la durée de vie calendaire est divisée par un facteur de l'ordre de 7, si l'état de charge de stockage passe de 50% à 100%. La présente invention vise donc à proposer un dispositif et un procédé de gestion de batterie permettant de palier les inconvénients techniques décrites ci-dessus, améliorer la durée de vie d'une batterie en fonction des différents profils du véhicule, tout en permettant ainsi de dimensionner au plus juste la batterie, en fonction du cahier des charges du véhicule, pour minimiser l'impact de son coût de fabrication. Pour cela, le principe de l'invention consiste à baisser l'état de charge au niveau le plus bas possible que peut tolérer l'application, ne pas trop charger la batterie, c'est-à-dire charger la batterie en fonction de l'autonomie souhaitée par le conducteur correspondant à l'état de charge de la batterie en fin de charge. Bien entendu, il est également nécessaire de garantir une température de stockage ou d'utilisation la plus basse possible en ayant un système de ventilation ou de climatisation efficace. A cet effet, l'invention concerne donc un système de gestion de recharge d'une batterie de stockage d'énergie électrique d'alimentation d'une chaîne de traction électrique ou hybride d'un véhicule. Selon l'invention, il comprend : - une interface de données, - un calculateur de gestion électronique de la batterie destinée à la mise en charge de la batterie, ce calculateur étant relié en parallèle à la batterie et à des moyens de recharge de la batterie, - un superviseur véhicule reliant l'interface de données au calculateur de gestion électronique de la batterie par l'intermédiaire d'un boîtier de servitudes intelligent BSI, - ledit calculateur de gestion électronique de la batterie comportant des moyens de réception d'informations émises à partir de l'interface de données, des moyens de traitement d'informations pour déterminer une valeur électrique de limite de charge à partir de ces informations et des moyens pour émettre des consignes de coupure charge vers les moyens de recharge de la batterie de sorte de charger la batterie uniquement d'une quantité de charge déterminée en fonction du niveau de charge initial de la batterie et de l'autonomie souhaitée correspondant à l'état de charge de la batterie en fin de charge. Ainsi le système de gestion selon l'invention permet d'assurer que la batterie est stockée et utilisée dans les plages d'état de charge les plus basses, de ce fait le système de l'invention permet de fixer la limite de charge à un niveau d'état de charge suffisant pour l'utilisation, sans recharger automatiquement la batterie à 100% immédiatement après utilisation qui endommage la batterie et diminue fortement sa durée de vie. Selon une forme de réalisation de l'invention, l'interface de données comporte des moyens d'affichage de données concernant l'état de charge de la batterie avant la charge et en fin de charge et des moyens de saisie de données. Cette interface interactive permet donc à l'utilisateur de contrôler en temps réels et de manière très simple l'état de charge de la batterie. De manière générale, les moyens de saisie de données comprennent un clavier numérique ou une télécommande, ou un système à reconnaissance vocale. Selon une forme de réalisation de l'invention, les moyens de saisie de données comprennent au moins quatre niveaux d'autonomie, correspondant respectivement à un état de charge de 30%, de 50%, de 75% et de 100%. Ainsi lorsque le conducteur rentre le choix du niveau d'autonomie le plus faible correspondant à l'état de charge de 30%, et si la batterie a une autonomie de 200 km 1s à 100%, le choix du conducteur confère à la batterie une autonomie de 60 km. De préférence, ladite valeur électrique de limite de charge est une quantité d'électricité nécessaire à charger la batterie pour permettre d'attendre l'autonomie souhaitée en fin de charge. Alternativement, cette valeur électrique de limite de charge peut être également une valeur limite de tension de coupure de charge de la 20 batterie. Ainsi le système selon l'invention permet d'offrir deux possibilités pour gérer la quantité d'électricité à charger dans la batterie. Le calculateur comporte une mémoire interne dans laquelle est enregistré un abaque tension/état de charge. De manière générale, les moyens de recharge sont constitués par une borne 25 de recharge et/ou par un chargeur embarqué destiné à relier la batterie à un réseau. L'invention concerne également un procédé de gestion de l'état de charge d'une batterie mettant en oeuvre le système de recharge tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes lorsque le conducteur souhaite recharger la batterie : 30 - acquérir une mesure de l'état de charge de la batterie avant la mise en charge pour connaître sa capacité restante, - rentrer l'autonomie souhaitée correspondant à l'état de charge de la batterie en fin de charge au moyen de l'interface, cette information étant transmise par l'intermédiaire du superviseur véhicule et le boîtier de servitudes intelligent noté BSI au calculateur de gestion électronique qui transforme l'autonomie souhaitée en une valeur électrique de limite de charge de la batterie, - lorsque cette valeur électrique de limite de charge est atteinte par la batterie, le calculateur envoie une consigne de coupure de charge aux moyens de recharge pour arrêter la recharge. Selon une forme de mise en oeuvre du procédé, le calculateur transforme l'autonomie souhaitée rentrée par le conducteur en une quantité d'énergie ou d'électricité nécessaire à charger la batterie permettant d'atteindre l'autonomie souhaitée en fin de charge. Selon une autre forme de mise en oeuvre du procédé, le calculateur transforme l'autonomie souhaitée rentrée par le calculateur en limite de tension de coupure de charge de la batterie. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen de l'unique figure qui l'accompagne. Cette figure n'est donnée qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. Elle représente schématiquement un système de gestion de recharge d'une batterie selon l'invention. La Figure 1 montrent schématiquement l'architecture d'un système gestion de recharge d'une batterie selon l'invention. La batterie 5 est reliée ici à un moteur électrique 8. Un onduleur 9 est agencé entre la batterie et le moteur électrique pour assurer le transfert d'énergie entre les deux éléments. La batterie est connectée d'une part à une borne de recharge 7 rapide tel que le réseau électrique EDF, d'autre part à un chargeur embarqué 6 dans le véhicule. Cette batterie peut être utilisée dans une chaîne de traction électrique ou hybride d'un véhicule automobile. Ce système de gestion comporte également une interface de données qui peut être par exemple un écran disposé au niveau de l'habitacle, accessible par le conducteur. Cette interface est pourvue d'une pluralité de commandes correspondant à différents niveaux d'autonomie. Ainsi le conducteur peut rentrer directement par l'intermédiaire de cette interface l'état de charge maximum à laquelle il souhaite que sa batterie soit chargée, tout en ayant suffisamment d'autonomie pour son utilisation dans les jours à venir. Cette interface de données est pourvue d'un clavier numérique ou d'une télécommande (non représentée), ou d'un système à reconnaissance vocale (non représenté), A titre d'exemple, l'interface peut prévoir quatre niveaux d'autonomie ou quatre niveaux d'état de charge de la batterie en fin de charge qui sont les suivants : - 30% de la plage de fonctionnement - 50% de la plage de fonctionnement - 75% de la plage de fonctionnement - 100% de la plage de fonctionnement. Pour gérer la recharge de cette batterie, le système comporte en outre un calculateur de gestion électronique de la batterie 4 destinée à la mise en charge de la batterie qui est interconnecté entre l'interface et la batterie 5. Ce calculateur peut être soit relié à la borne de recharge rapide 7 soit au chargeur embarqué 6 afin de recevoir les informations émises par ces éléments. Lorsque le conducteur rentre l'autonomie souhaitée dans le cas où le véhicule est tout électrique ou hybride afin de mettre en recharge la batterie, cette donnée est transmise par l'intermédiaire d'un boîtier de servitudes intelligent BSI 2 et d'un superviseur véhicule 3 vers le calculateur. Ce calculateur de gestion électronique de recharge de la batterie comporte des moyens de réception d'informations émises à partir de l'interface 1, des moyens de traitement d'informations pour déterminer une valeur électrique de limite de charge à partir de ces informations et des moyens pour émettre des consignes de coupure charge vers les moyens de recharge de la batterie 6, 7 tels que la borne de recharge et le chargeur embarqué de sorte de charger la batterie uniquement d'une quantité de charge déterminée en fonction du niveau de charge initial de la batterie et de l'autonomie souhaitée correspondant à l'état de charge de la batterie en fin de charge. Les différents moyens constituant le calculateur ne sont pas représentés sur l'unique Figure. Ce calculateur est également associé à des moyens de mesure de la tension, de courant et de température de la batterie. De cette façon, les informations telles que l'état de charge de la batterie, la température de celle- ci relevée lors de la mise en service de cette batterie sont transmises au calculateur et stockées dans un moyen de stockage de données. Ces informations peuvent être affichées de manière continue sur l'interface, elles peuvent être également affichées à la demande du conducteur. Lorsque le conducteur souhaite recharger la batterie, le calculateur effectue une acquisition de mesure de l'état de charge de la batterie avant la mise en charge pour connaître sa capacité restante. Ensuite le calculateur transforme l'autonomie souhaitée par le conducteur en valeur électrique de limite de charge en tenant compte de la capacité restante de la batterie. Selon une forme de réalisation de l'invention, les moyens de traitement d'informations du calculateur déterminent une quantité d'électricité nécessaire à charger permettant d'atteindre l'autonomie souhaitée en fin de charge en connaissant l'état de charge de la batterie lors de la mise en marche. Lorsque la batterie atteint cette limite, le calculateur envoie une consigne d'arrêt de charge au chargeur embarqué 6 ou à la borne de charge 7. Selon une autre forme de réalisation, les moyens de traitement d'informations du calculateur calculent l'autonomie souhaitée en limite de tension de coupure de charge qu'il envoie au chargeur embarqué 6 ou à la borne de recharge 7. Pour cela, le calculateur comporte une mémoire dans laquelle est enregistré un abaque tension/état de charge au préalable. Ainsi grâce au système de gestion de recharge de la batterie selon l'invention, la batterie n'est plus chargée automatiquement à 100% lorsqu'elle est branchée sur une borne de recharge par exemple, son état de charge est contrôlé en fonction du besoin de l'utilisateur. Ce type de gestion de recharge permet d'augmenter la durée de vie de la batterie. Par conséquent il n'est plus nécessaire de surdimensionner la batterie tout en permettant au véhicule de répondre au cahier des charges pour lequel elle a été conçue. Ceci permet également de réduire le coût de fabrication de la batterie. Un exemple d'application du système et du procédé de qestion de la recharqe d'une batterie selon l'invention est décrit ci-dessus : Un véhicule comporte une batterie de 80 cellules lithium de tension nominale 35 3,5V et de capacité de 80Ah (énergie totale 22kWh). On fait l'hypothèse que ce véhicule a une consommation moyenne de 150Wh/km. L'autonomie de ce véhicule est de 150km. On fait l'hypothèse également que la température de la batterie en mode de roulage, en mode parking et en mode de charge est de 25°C. Dans cet exemple, on compare l'endommagement de la batterie dans le cas où on utilise le système de gestion de recharge de l'invention à l'endommagement lorsqu'il n'a pas de contrôle de gestion de la recharge. 1) Coefficient d'endommaqement de la batterie lorsqu'il n'a pas de contrôle 10 de qestion de la recharqe : Le tableau 2 ci-dessus illustre sur une semaine un exemple de distribution des heures passées aux différents états de charge de la batterie en supposant que le conducteur remet en charge dès qu'il arrive le soir à son domicile : 15 âOC.. (%) heu L` ..>4 100 : : 8 13 8 70 0 GO E0 0 .......................................................................... ....................................... : S,i E ç: total 163 100 Tableau 2 Les coefficients d'endommagement à 25°C en prenant le coefficient égal à 1 20 correspondant à une durée de vie de 17,7 ans sont résumés dans le tableau 3. .......................................................................... .......................................................................... ............................................... . . , t; {ent e{~ -.: � emen t 2r.,ä . Tableau 3 Le coefficient d'endommagement moyen calculé à partir des valeurs du tableau 3 en pondérant du pourcentage des heures passées à chaque 5 tranche de l'état de charge du tableau 2 est égal à 6,15. Ainsi cette distribution des heures de la semaine en fonction de l'état de charge en absence du système de gestion de recharge de la batterie diminue la durée de vie d'un facteur 6,15, soit 2,8 ans. 2) Coefficient d'endommaqement de la batterie en utilisant le système de recharqe de l'invention : Dans cet exemple, on suppose que le conducteur a choisi de renter une 15 autonomie moyenne de 50% d'état de charge, ce qui donne au véhicule une autonomie de 75km. Le tableau 4 ci-dessus représente sur une semaine la distribution des heures passées aux différents états de charge de la batterie : 10 soÇ ... . o ..................................... , 91 t,xal Tableau 4 Le coefficient d'endommagement moyen calculé à partir des valeurs du tableau 4 en pondérant du pourcentage des heures passées à chaque tranche de l'état de charge est égal à 1 : 0,54*1 + 0,46*1 (le coefficient 1 correspondant à une durée de vie de 17,7ans). Ainsi le gain apporté en utilisant le système de gestion de recharge de la batterie appropriée par rapport au mode de recharge conventionnel dans lequel la batterie est chargée automatiquement à 100% après utilisation sur la durée de vie de la batterie est de 6,15. Dans l'exemple ci-dessus, la température est fixée à 25°C. Or on peut 15 remarquer que quelque soit l'état de charge, l'endommagement dû à la température est le même pour une batterie (Tableau 5) : Coeffîcient Coefficient Cûffici ent ndomm,sgement edonnagemt endommagemnt SOC ( '.k:) 25"C 4',TYC 60"C Tableau 5 Le passage de 25°C à 45°C cause un endommagement de 2,8 et le passage de 25°C à 60°C un endommagement voisin de 5,8 quelque soit le niveau d'état de charge. Par conséquent on peut en déduire que quelque soit la température, de la batterie, le gain apporté ou le rapport entre l'endommagement sans stratégie de gestion de recharge et l'endommagement en appliquant le système de gestion de recharge de l'invention restera le même. REVENDICATIONS1. Système de gestion de recharge d'une batterie de stockage d'énergie électrique d'alimentation (5) d'une chaîne de traction électrique ou hybride d'un véhicule, caractérisé en ce qu'il comprend : - une interface de données (1), - un calculateur de gestion électronique de la batterie (4) destinée à la mise en charge de la batterie (4), ce calculateur étant relié en parallèle à la batterie (5) et à des moyens de recharge de la batterie (6, 7), - un superviseur véhicule (3) reliant l'interface de données (1) au calculateur de gestion électronique de la batterie (4) par l'intermédiaire d'un boîtier de servitudes intelligent BSI (2), - ledit calculateur de gestion électronique de la batterie (4) comportant des moyens de réception d'informations émises à partir de l'interface de données (1), des moyens de traitement d'informations pour déterminer une valeur électrique de limite de charge à partir de ces informations et des moyens pour émettre des consignes de coupure charge vers les moyens de recharge de la batterie (6, 7) de sorte de charger la batterie uniquement d'une quantité de charge déterminée en fonction du niveau de charge initial de la batterie et de l'autonomie souhaitée correspondant à l'état de charge de la batterie en fin de charge. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interface de données comporte des moyens d'affichage de données concernant l'état de charge de la batterie avant la charge et en fin de charge et des moyens de saisie de données. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de saisie de données comprennent un clavier numérique ou une 30 télécommande, ou un système à reconnaissance vocale. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de saisie de données comprennent au moins quatre niveaux d'autonomie, correspondant respectivement à un état de charge de 30%, de 50%, de 75% 35 et de 100%.. Système selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite valeur électrique de limite de charge est une quantité d'électricité nécessaire à charger la batterie (5) pour permettre d'attendre l'autonomie souhaitée en fin de charge. 6. Système selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite valeur électrique de limite de charge est une valeur limite de tension de coupure de charge de la batterie. 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que le calculateur (4) comporte une mémoire interne dans laquelle est enregistré un abaque tension de coupure de charge/état de charge. 8. Système selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de recharge sont constitués par une borne de recharge (7) et par un chargeur embarqué (6). 9. Procédé de gestion de l'état de charge d'une batterie (5) mettant en oeuvre le système de recharge défini selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes lorsque le conducteur souhaite recharger la batterie : - acquérir une mesure de l'état de charge de la batterie avant la mise en charge pour connaître sa capacité restante, 25 - rentrer l'autonomie souhaitée correspondant à l'état de charge de la batterie en fin de charge au moyen de l'interface (1), cette information étant transmise par l'intermédiaire du superviseur véhicule (3) et le boîtier de servitudes intelligent (2) au calculateur de gestion électronique (4) qui transforme l'autonomie souhaitée en une valeur électrique de limite de charge de la batterie, - lorsque cette valeur électrique de limite de charge est atteinte par la batterie (5), le calculateur (4) envoie une consigne de coupure de charge aux moyens de recharge (6, 7) pour arrêter la recharge. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que lecalculateur transforme l'autonomie souhaitée rentrée par le conducteur en une quantité d'énergie ou d'électricité nécessaire à charger la batterie permettant d'atteindre l'autonomie souhaitée en fin de charge. 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le calculateur transforme l'autonomie souhaitée rentrée par le calculateur en limite de tension de coupure de charge de la batterie.