Brevet FR2958464A1 — publié le 20111007

Procédé de contrôle de la charge d'un stockeur d'énergie additionnelle d'un véhicule à propulsion micro-hybride et système mettant en oeuvre le procédé L'invention a pour objets un procédé de contrôle de la charge d'un stockeur d'énergie additionnelle d'un véhicule à propulsion micro-hybride et système mettant en oeuvre le procédé. Elle s'applique au domaine des véhicules à propulsion hybride. 1 o Les véhicules à propulsion hybride, c'est-à-dire associant un moteur thermique à au moins à moteur électrique, permettent de minimiser la consommation de carburant et participent ainsi à la réduction des émissions de gaz à effet de serre. Les systèmes mettant en oeuvre un tel type de propulsion peuvent 15 être classés en plusieurs catégories représentatives de leur niveau d'hybridation. Ainsi, les systèmes appartenant à la catégorie micro-hybride comprennent habituellement en plus du moteur thermique classique un moteur électrique réversible. Ce moteur électrique est utilisé comme démarreur et comme alternateur, le moteur thermique étant coupé 20 automatiquement à l'immobilisation du véhicule. Un exemple d'architecture d'un tel système est illustré figure 1. Cette exemple d'architecture intègre un alternateur réversible 100, un démarreur 101, une batterie 102 et un stockeur d'énergie additionnelle constitué de supercondensateurs 103 encore connu sous le terme d'UCAP 25 dans la suite de la description. La batterie 102 est par exemple une batterie 12 Volts au plomb. Au moyen d'une électronique de commande spécifique permettant le contrôle d'interrupteurs 104, 105, le stockeur d'énergie additionnelle 103 peut être mis en série avec la batterie 102 afin de contribuer aux prestations 30 de démarrage, de redémarrage et de maintien de la qualité du réseau de bord 106. Toujours par contrôle desdits interrupteurs 104, 105, le stockeur d'énergie additionnelle 103 peut être mis en parallèle de l'alternateur 100 via un convertisseur de tension 107 pour assurer sa recharge lorsque le moteur est tournant. Le stockeur UCAP 103 peut aussi être mis en parallèle de la 35 batterie 102 via le convertisseur de tension 107 afin d'assurer sa recharge lorsque le moteur à l'arrêt. Le stockeur UCAP 103 peut aussi être isolé électriquement lorsque sa contribution n'est pas requise par le système et que celui-ci est chargé. Comme explicité précédemment, le stockeur d'énergie additionnel est donc habituellement associé à un système de commutation 104, 105 pour la mise en série ou en parallèle et à un convertisseur de tension 107 utilisé pour sa recharge. Cet ensemble 108 est mis en évidence sur la figure 1. Les supercondensateurs sont des composants dont l'utilisation est récente dans le domaine de l'automobile. Leur utilisation nécessite un certain nombre de précautions intrinsèques pour ne pas les endommager. Parmi les facteurs de vieillissement affectant ces supercondensateurs, la tension aux bornes et la température sont prépondérants. En particulier, des niveaux de tension élevés induisent une accélération du vieillissement électrochimique du stockeur UCAP. La durée de vie du stockeur UCAP est un facteur déterminant lors de la conception de véhicule utilisant un système de propulsion hybride. En effet, un constructeur automobile propose habituellement des véhicules en s'engageant sur leur durée de vie en se basant sur des études de dimensionnement et sur l'expertise des fournisseurs de supercondensateurs. Un des objectifs de conception est que le détenteur d'un tel véhicule ait à procéder au remplacement du stockeur UCAP le moins souvent possible, en permettant par exemple de disposer d'un système dont la durée de vie tend vers la durée de vie du véhicule, typiquement de 15 années. Un but de l'invention est notamment de pallier les inconvénients précités. A cet effet l'invention a pour objet un procédé de contrôle de la charge du stockeur d'énergie additionnelle UCAP d'un véhicule à propulsion micro-hybride. Il comporte une étape de détection d'un état dudit véhicule parmi une pluralité d'états possibles, un premier état appelé état de roulage rapide étant détecté lorsque la vitesse du véhicule dépasse une valeur seuil de vitesse Vseuil prédéfinie, un second état étant détecté lorsque le véhicule est stationné, la tension appliquée aux bornes du stockeur UCAP étant adaptée en fonction de l'état détecté de manière à ce que celle-ci soit minimisée tout en garantissant que ledit stockeur assure ses fonctions de service. Selon un aspect de l'invention, une tension de charge optimisée UCONS OPTIM est déterminée et appliquée au stockeur UCAP lorsque l'état de roulage rapide est détecté, ladite tension étant déduite d'une tension de charge nominale UCONS associée au stockeur UCAP, un écart de tension AU étant soustrait à cette tension afin d'obtenir la valeur de tension de charge optimisée UCONS OPTIM. Selon un autre aspect de l'invention, l'écart de tension AU est 1 o déterminé en utilisant une fonction affine AU = f(VVEH) telle que l'écart AU soit proportionnel à la différence entre la vitesse instantanée VVEH et un seuil de vitesse prédéfini VVEH STOP permettant le passage en phase de stop. L'écart de tension AU est déterminé, par exemple, en utilisant l'expression : AU =K. r l\ 10 (VVEH ù VVEH STOP 1 . 36 15 YVeh dans laquelle : K est un coefficient matérialisant la vitesse de charge du stockeur UCAP exprimée en V/s pour une capacité exprimée en Farads et un 20 courant de charge/décharge exprimé en Ampères ; yveh correspond à la moyenne statistique de la décélération au freinage du véhicule ; Lorsque l'état de stationnement est détecté, un calculateur de contrôle moteur multifonctions CMM compris dans le véhicule micro-hybride 25 est, par exemple, partiellement maintenu en éveil pendant une durée suffisante de manière à déterminer une valeur de tension de charge optimisée UCONS OPTIM tenant compte de cet état. Selon un mode de mise en oeuvre, la valeur de tension de charge optimisée UCONS OPTIM en état de stationnement est déterminée en fonction de 30 l'état de santé SOH du stockeur UCAP. L'invention a aussi pour objet un système de propulsion micro-hybride comprenant au moins un stockeur d'énergie additionnelle UCAP. Le système comporte des moyens pour détecter l'état du véhicule comprenant ledit système parmi une pluralité d'états possibles, un premier état dit état de roulage rapide étant détecté lorsque la vitesse du véhicule dépasse une valeur seuil de vitesse Vseuil prédéfinie, un second état étant détecté lorsque le véhicule est stationné. Le système comporte aussi des moyens pour déterminer la tension à appliquer aux bornes du stockeur UCAP, ladite tension étant adaptée en fonction de l'état détecté de manière à ce que celle-ci soit minimisée tout en garantissant que ledit stockeur assure ses fonctions de service. Avantageusement, l'invention ralentit le vieillissement du stockeur UCAP ce qui diminue le nombre de pannes liées à la fin de vie desdits stockeurs. L'utilisateur du véhicule fait donc des économies en termes de dépenses de maintien et de remplacement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit donnée à titre illustratif et non limitatif, faite en regard des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 donne un exemple de système micro-hybride ; - la figure 2 donne un exemple de méthode d'optimisation de la durée de vie du stockeur UCAP en état de roulage rapide ; - la figure 3 donne un exemple de méthode d'optimisation de la durée de vie du stockeur UCAP en état de stationnement - la figure 4 représente la répartition statistique de la tension aux bornes de l'UCAP tout au long de sa durée de vie. Le système selon l'invention comprend des moyens pour déterminer les états de vie durant lesquelles le stockeur UCAP n'est pas 30 sollicité et ne le sera pas pendant un intervalle de temps donné ainsi que des moyens pour réduire la tension aux bornes dudit stockeur lorsque ces états sont détectés. Le maintien d'une tension élevée a des conséquences néfastes sur le vieillissement du stockeur UCAP. Avantageusement, la mise en oeuvre du système permet un allongement de la durée de vie du stockeur 35 d'énergie additionnelle. 20 25 Un système micro-hybride comporte par exemple un stockeur UCAP composé de plusieurs supercondensateurs en série. Il peut être composé par exemple de deux supercondensateurs, chacun ayant une tension maximale admissible de 2,7V, soit 5,4V pour les deux. Si cette tension maximale est dépassée, la destruction dudit stockeur peut être extrêmement rapide. Ainsi, la recharge peut être limitée de préférence par une valeur seuil légèrement inférieure à cette valeur maximale, 5V par exemple. Par ailleurs, dans certaines circonstances, un niveau de tension proche du seuil défini précédemment peut être nécessaire pour que I'UCAP 1 o assure pleinement ses fonctions de service. C'est le cas notamment lors de la contribution du stockeur UCAP aux prestations de démarrage/redémarrage et au maintien de la qualité du réseau de bord, ce qui implique des charges répétées à des tensions proches dudit seuil. Même si l'on ne dépasse pas la valeur maximale admissible de I'UCAP, 5.4V dans 15 cet exemple, le maintien prolongé à un niveau de tension élevé a néanmoins un impact sur la durée de vie du stockeur. Ainsi, le seul fait de limiter la recharge du stockeur UCAP à une tension seuil s'avère insuffisante vis-à-vis des exigences en termes de durée de vie. Le stockeur UCAP est habituellement utilisé pour des besoins 20 ponctuels au cours d'un cycle de roulage véhicule. Ainsi, il est possible d'exploiter les états ou phases de vie durant lesquelles le stockeur UCAP n'est pas amené à contribuer pour abaisser la tension à ses bornes. En pratique, le stockeur UCAP est sollicité au premier démarrage du véhicule, c'est-à-dire le démarrage du véhicule alors que celui-ci est en état stationné. 25 Le stockeur UCAP est aussi sollicité à chaque redémarrage, c'est-à-dire suivant des phases dites phases de stop et correspondant par exemple à un arrêt devant un feu rouge. De ces états d'activité ou de recharge du stockeur UCAP peuvent déterminés des intervalles temporels d'inactivité pendant lesquels le stockeur UCAP n'est pas sollicité. 30 Dans la suite de la description, deux types d'état de fonctionnement du système de propulsion hybride sont identifiés. Le premier état est appelé état de roulage rapide et le second est appelé état de stationnement. L'état de roulage rapide correspond à un état dans lequel le 35 véhicule est en situation de conduite sur route ou autoroute. Dans cet état de fonctionnement, un véhicule roulant sur route ou autoroute n'entrera que très rarement en phase de stop. Ainsi le stockeur UCAP ne sera pas utilisé pour redémarrer. Il est alors possible de procéder à une décharge sensible du stockeur UCAP dès que la vitesse dépasse une valeur seuil paramétrable et de le recharger lorsque la vitesse repasse en-dessous de ladite valeur. Pour ce qui est de l'état de stationnement, un véhicule sur le point de stationner dispose habituellement d'un stockeur UCAP pleinement chargé. De ce fait, le stockeur UCAP reste chargé pendant toute la durée du stationnement, sans besoin réel. En suivant le principe de l'invention, une gestion optimisée consisterait à décharger sensiblement I'UCAP lorsque le véhicule est arrêté. La figure 2 donne un exemple de méthode d'optimisation de la durée de vie du stockeur UCAP en état de roulage rapide. Que ce soit en état de roulage rapide ou non, un calcul de consigne de tension est réalisé en permanence et ajusté en fonction de l'état de toute la chaîne électrique de manière à ce que le stockeur UCAP soit toujours suffisamment chargé pour répondre à une sollicitation, une sollicitation correspondant par exemple à un appoint énergétique pour redémarrer le moteur thermique suite à une phase de stop. Un ajustement supplémentaire de cette consigne peut être mis en oeuvre de manière à décharger le stockeur UCAP en appliquant un certain écart de tension à la tension nominale de charge. Cette décharge permet notamment de préserver la durée de vie du stockeur UCAP. Avantageusement, cette chute de tension peut être appliquée de manière progressive en fonction de la vitesse du véhicule, de telle sorte qu'en cas de freinage la recharge du stockeur UCAP ne soit pas pénalisée, ledit stockeur devant être ensuite mis à contribution suite à une phase de stop. Ainsi, en état de roulage rapide, la tension UCONS OPTIM à appliquer aux bornes du stockeur UCAP, appelée dans la suite de la description consigne de tension optimisée, peut être déterminée en utilisant par exemple trois étapes. Une première étape 200 détermine quel est l'état du véhicule. Ainsi, si l'état détecté correspond à un état de roulage rapide, un indicateur (PR/A de détection d'état de roulage est activé. Cet indicateur correspond par exemple à un booléen et peut être considéré comme actif lorsqu'il prend la valeur 1. A titre d'exemple, l'activation de l'indicateur (PR/A peut être déterminé de la manière suivante : si la vitesse du véhicule VVEH dépasse une valeur seuil paramétrable Vseuil indiquant un roulage rapide, alors (PR/A = 1. Si cette valeur seuil n'est pas dépassée, alors (PR/A = O. Une deuxième étape 201 détermine un écart de tension AU correspondant à une chute de tension à appliquer à une consigne de tension nominale UCONS appliquée aux bornes du stockeur UCAP, un des objectifs étant d'optimiser la durée de vie du stockeur UCAP. 1 o Cet écart de tension AU est déterminé en tenant compte de la valeur de l'indicateur (PR/A. Ainsi : Si (PR/A est actif, AU est déterminé tel que AU = f(VVEH) ; 15 Si (PR/A est inactif, AU = 0. La fonction f(VVEH) est par exemple une fonction affine telle que l'écart AU soit proportionnel à la différence entre la vitesse instantanée VVEH et au seuil de vitesse VVEH STOP permettant le passage en phase de stop. 20 Le coefficient de proportionnalité de cette fonction affine peut tenir compte du temps de charge/décharge du stockeur UCAP par rapport au temps de freinage du véhicule. A titre d'exemple, l'expression suivante peut être utilisée : DU=K• (VVEH ù VVEH STOP l ) 25 36 YVe h (1) dans laquelle : K est un coefficient matérialisant la vitesse de charge du stockeur UCAP exprimée en V/s pour une capacité exprimée en Farads et un courant de 30 charge/décharge exprimé en Ampères ; yveh correspond à la moyenne statistique de la décélération au freinage du véhicule ; le facteur 10/36 est utilisé pour la conversion des vitesses exprimées en km/h vers des vitesses exprimées en m/s. Il s'agit d'un exemple de réalisation avantageux, mais on aurait très bien pu, pour déterminer l'écart de tension AU, utiliser une autre formule, 5 une valeur constante, une cartographie.... Une troisième étape 203 détermine la consigne de tension optimisée UCONS OPTIM en tenant compte de l'écart AU et de la consigne de tension nominale UCONS. L'expression suivante est par exemple utilisée : UCONS OPTIM = UCONS ù AU (2) La figure 3 donne un exemple de méthode d'optimisation de la durée de vie du stockeur UCAP en état de stationnement. 15 Dans le cadre du fonctionnement habituel d'un système de propulsion micro-hybride lorsque le véhicule est stationné, le stockeur UCAP se retrouve à un niveau de tension élevé alors que cela est inutile car celui-ci ne sera plus sollicité avant le prochain démarrage. De plus, la consigne de tension est difficilement contrôlable car en pratique le calculateur de contrôle 20 moteur multifonctions, désigné habituellement par l'acronyme CMM, s'endort lorsque le véhicule est stationné. Il n'est alors plus possible de calculer une consigne de tension à appliquer au stockeur UCAP. L'invention propose de prolonger le calcul de la consigne pendant un temps d'un réveil partiel du CMM. Ce réveil partiel est prévu d'une durée 25 suffisante pour ajuster la tension du stockeur UCAP jusqu'à un niveau non préjudiciable pour sa durée de vie. Il ne faut cependant pas complètement décharger le stocker UCAP car le temps de charge en vue du prochain démarrage doit être limité. En état de stationnement, la consigne de tension optimisée 30 UCONS OPTIM à appliquer aux bornes du stockeur UCAP peut être déterminée en utilisant par exemple deux étapes. Une première étape 300 détermine si le véhicule est en état de stationnement. Cette détection peut être réalisée sur la base d'un indicateur RPARTIEL de réveil partiel du calculateur CMM, ledit indicateur prenant la 10 valeur 1 lorsque le calculateur CMM est réveillé malgré le fait que le véhicule soit en état de stationnement. Ainsi, si RPARTIEL = 1, un indicateur cps de détection de phase de stationnement est positionné en état actif, c'est-à-dire cps = 1 par exemple. cps est positionné en état inactif sinon, c'est-à-dire cps= 0 par exemple. Une deuxième étape 301 est appliquée lorsque l'indicateur cps est positionné dans un état actif. La consigne USONS OPTIM peut alors être déterminée en utilisant l'expression suivante : USONS OPTIM = US (3) dans laquelle : Us est une valeur de tension paramétrable, résultant d'un compromis permettant une optimisation de la durée de vie du stockeur UCAP tout en garantissant un temps de charge acceptable en vue du prochain démarrage du véhicule. A titre d'exemple, la valeur de Us peut être déterminée en utilisant une expression telle que : Us = f(SOH) (4) dans laquelle : SOH, acronyme venant de l'expression anglo-saxonne « State Of Health », représente l'état de santé du stockeur UCAP exprimé en pourcents, une valeur de 0% correspondant à un stockeur UCAP inutilisable et une valeur de 100% à un stockeur UCAP neuf en parfait état de marche. SOH est par exemple estimé dans un boîtier électronique dédié au stockeur UCAP et permet notamment de pondérer la consigne de tension en fonction de la durée de vie restante de l'UCAP. L'état de santé du stockeur UCAP influe sur les caractéristiques internes de l'UCAP, notamment sa résistance interne et sa capacité. Par conséquent, le vieillissement impacte aussi le temps de charge pour le démarrage Si l'indicateur cps est positionné dans un état inactif, la tension de consigne n'est pas optimisée et est exprimée simplement par l'expression : USONS OPTIM = USONS (4) La figure 4 représente la répartition statistique de la tension aux bornes de l'UCAP tout au long de sa durée de vie. La courbe de droite 400 représente la répartition statistique de la tension aux bornes du stockeur UCAP lorsque l'invention n'est pas utilisée. Cette tension est souvent élevée, et le vieillissement du stockeur UCAP est alors rapide. La courbe de gauche 401 représente la répartition statistique de la tension aux bornes du stockeur UCAP lorsque l'invention est utilisée. La io tension est statistiquement plus basse et le vieillissement du stockeur UCAP sera par conséquent ralenti. REVENDICATIONS1- Procédé de contrôle de la charge du stockeur d'énergie additionnelle UCAP (103) d'un véhicule à propulsion micro-hybride caractérisé en ce qu'il comporte une étape de détection d'un état dudit véhicule (200, 300) parmi une pluralité d'états possibles, un premier état appelé état de roulage rapide étant détecté lorsque la vitesse du véhicule dépasse une valeur seuil de vitesse Vseuil prédéfinie, un second état étant détecté lorsque le véhicule est stationné, la tension appliquée aux 1 o bornes du stockeur UCAP étant adaptée (201, 202, 301) en fonction de l'état détecté de manière à ce que celle-ci soit minimisée tout en garantissant que ledit stockeur assure ses fonctions de service. 2- Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'une tension de 15 charge optimisée UCONS_OPTIM est déterminée et appliquée (201, 202) au stockeur UCAP lorsque l'état de roulage rapide est détecté, ladite tension étant déduite d'une tension de charge nominale UCONS associée au stockeur UCAP, un écart de tension AU étant soustrait à cette tension afin d'obtenir la valeur de tension de charge optimisée 20 UCONSOPTIM. 3- Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'écart de tension AU est déterminé (202) en utilisant une fonction affine AU = f(VVEH) telle que l'écart AU soit proportionnel à la différence entre la 25 vitesse instantanée VVEH et un seuil de vitesse prédéfini VVEH STOP permettant le passage en phase de stop. 4- Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'écart de tension AU est déterminé en utilisant l'expression : (VVEH l (ùVVEH STOP). 3106 DU=K• 30 YVe h dans laquelle :K est un coefficient matérialisant la vitesse de charge du stockeur UCAP exprimée en V/s pour une capacité exprimée en Farads et un courant de charge/décharge exprimé en Ampères ; yveh correspond à la moyenne statistique de la décélération au freinage du véhicule ; 5- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que lorsque l'état de stationnement est détecté, un calculateur de contrôle moteur multifonctions CMM compris dans le 1 o véhicule micro-hybride est partiellement maintenu en éveil pendant un durée suffisante de manière à déterminer une valeur de tension de charge optimisée UCONS OPTIM tenant compte de cet état. 6- Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que la valeur de 15 tension de charge optimisée UCONS OPTIM en état de stationnement est déterminée (301) en fonction de l'état de santé SOH du stockeur UCAP. 7- Système de propulsion micro-hybride comprenant au moins un 20 stockeur d'énergie additionnelle UCAP caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour détecter l'état du véhicule (200, 300) comprenant ledit système parmi une pluralité d'états possibles, un premier état dit état de roulage rapide étant détecté lorsque la vitesse du véhicule dépasse une valeur seuil de vitesse Vseuil prédéfinie, un 25 second état étant détecté lorsque le véhicule est stationné, ainsi que des moyens pour déterminer la tension à appliquer aux bornes du stockeur UCAP, ladite tension étant adaptée en fonction de l'état détecté de manière à ce que celle-ci soit minimisée tout en garantissant que ledit stockeur assure ses fonctions de service. 30