Brevet FR2976862A1 — publié le 20121228

Dispositif d'accueil pour batterie interchangeable La présente invention se rapporte de manière générale au domaine des véhicules automobiles, et plus précisément au domaine des véhicules électriques comportant une batterie interchangeable. Ces véhicules sont équipés pour permettre un changement automatique et simple de leurs batteries lorsqu'elles sont déchargées, afin de les remplacer par de nouvelles batteries chargées au maximum de leurs capacités, dans des stations spécifiques dites de « Quick Drop » (changement rapide). Cependant, ces systèmes de changement rapide de batterie ne permettent pas de résoudre complètement le problème de relativement faible autonomie des véhicules électriques par rapport aux véhicules thermiques. Certains véhicules électriques sont équipés de plusieurs batteries rechargeables afin d'augmenter leur autonomie, mais ces véhicules sont seulement adaptés à des systèmes de recharge relativement lente par connexion de ces véhicules à un réseau d'alimentation électrique. Notamment un tel véhicule nécessite généralement d'avoir ses batteries à des niveaux de charge similaires pour optimiser son autonomie, ce qui n'est pas envisageable pour un véhicule à batterie interchangeable. Un des buts de l'invention est de remédier à au moins une partie des inconvénients de la technique antérieure en fournissant un dispositif d'accueil pour batterie interchangeable ainsi qu'un procédé d'alimentation d'un véhicule permettant à celui-ci de bénéficier de deux batteries d'alimentation dont une est interchangeable tout en évitant les inconvénients inhérents à la différence de niveau de charge entre les deux batteries. A cette fin, l'invention propose un dispositif d'accueil pour batterie interchangeable destinée à équiper un véhicule comportant au moins un moteur électrique de traction, comprenant deux bornes d'entrée aptes à se connecter aux bornes positive et négative de ladite batterie interchangeable et deux bornes de sortie reliées à un réseau électrique dudit véhicule, caractérisé en ce que : - ledit dispositif d'accueil comporte deux dérivations parallèles reliant lesdites bornes d'entrée aux bornes positive et négative d'une autre batterie, - ledit dispositif d'accueil comporte, sur la dérivation apte à relier la borne négative de ladite batterie interchangeable à la borne négative de ladite autre batterie, un circuit d'équilibrage, - et ledit dispositif d'accueil comporte un moyen de sélection entre une alimentation dudit réseau électrique par au moins l'ensemble desdites batteries et une alimentation dudit réseau électrique par une seule desdites batteries. Grâce à l'invention, l'autonomie du véhicule comportant une batterie interchangeable est augmentée puisqu'il peut bénéficier rapidement de la charge d'une nouvelle batterie interchangeable récemment mise dans le véhicule, puis de la charge d'une autre batterie, qui peut ne pas être interchangeable, sans effets négatifs dus à la différence de niveau de charge entre les deux batteries. En effet le dispositif d'accueil selon l'invention permet de ne pas connecter constamment les deux batteries en même temps au réseau électrique du véhicule. Par exemple les deux batteries n'alimenteront le véhicule ensemble que lorsque leurs niveaux de charge seront suffisamment proches. De plus, lorsque les deux batteries sont connectées ensemble au réseau électrique du véhicule en utilisant le dispositif selon l'invention, elles sont connectées par un montage en parallèle des batteries, ce qui permet de diminuer le coût du refroidissement nécessaire aux batteries par rapport à un système qui alimenterait le réseau électrique séquentiellement avec une batterie puis l'autre. En effet ce dernier système nécessiterait un dispositif de refroidissement par batterie, alors que l'invention permet de se passer de refroidissement lorsque les deux batteries alimentent ensemble le réseau électrique du véhicule. En outre le circuit d'équilibrage permet d'allonger les durées de vie des deux batteries et leurs performances, que ce soient celles de la batterie interchangeable ou celles de l'autre batterie. Le montage en parallèle des batteries permet notamment de ne pas limiter le courant arrivant sur le réseau électrique du véhicule par rapport à un montage en série dans lequel le courant serait limité par la batterie la moins chargée. Le dispositif d'accueil pour batterie selon l'invention permet de plus de ne pas arrêter le moteur électrique du véhicule lors d'un changement de la batterie interchangeable, puisqu'il pourra être alimenté par l'autre batterie pendant ce changement. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, ledit circuit d'équilibrage comporte un premier interrupteur monté en parallèle d'une branche comportant montés en série une impédance et un deuxième interrupteur. Cette caractéristique constitue un moyen peu coûteux d'équilibrage des deux batteries. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, ledit moyen de sélection comporte ledit premier interrupteur ainsi qu'un troisième interrupteur monté sur la dérivation apte à relier la borne positive de ladite batterie interchangeable à la borne positive de ladite autre batterie. Ce moyen de sélection est simple et moins coûteux qu'un sélecteur. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, lesdits premier et troisième interrupteurs sont pilotés par un calculateur de supervision apte à recevoir des données permettant de superviser les états de charge de ladite batterie interchangeable et de ladite autre batterie. Cette caractéristique permet au calculateur du véhicule de piloter les interrupteurs de manière à utiliser les deux batteries simultanément dès que les états de charge des batteries sont suffisamment proches. L'invention concerne aussi un procédé d'alimentation du réseau électrique d'un véhicule comportant au moins un moteur électrique de traction, ledit véhicule comportant un dispositif d'accueil selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape d'alimentation du réseau électrique du véhicule utilisant seulement ladite batterie interchangeable, - et une étape d'équilibrage pendant laquelle ladite batterie interchangeable recharge l'autre batterie dès que la différence entre les niveaux de charge respectifs desdites batteries est en dessous d'un seuil prédéterminé (on décharge l'une batterie dans l'autre et le courant baisse alors petit à petit avec l'équilibrage des tensions). Il est à noter que ce seuil prédéterminé correspondant à une différence de niveau de charge ou SOC (d'après l'anglais « State of Charge ») peut être variable car fonction d'une différence prédéterminée de tensions par exemple entre les deux batteries. Dans ce cas l'utilisation d'un seuil prédéterminé correspondant à une différence entre niveaux de charge, ou l'utilisation d'un seuil prédéterminé correspondant à une différence de tensions, sont équivalentes. Selon une caractéristique avantageuse de ce procédé selon l'invention, ladite étape d'équilibrage est suivie d'une étape d'alimentation du réseau électrique du véhicule par ladite batterie interchangeable et ladite autre batterie. L'invention concerne encore un procédé de recharge en énergie d'un véhicule comportant au moins un moteur électrique de traction, ledit véhicule comportant un dispositif d'accueil selon l'invention, caractérisé en ce que ledit procédé comporte une étape de recharge d'une desdites batteries ayant le niveau de charge le plus bas, par un réseau d'alimentation externe audit véhicule, jusqu'à ce que la différence entre les niveaux de charge respectifs desdites batteries soit en dessous d'un seuil prédéterminé. Lorsque cette différence de niveaux de charge atteint ce seuil, la mise en parallèle des batteries avec équilibrage utilisant le circuit d'équilibrage du dispositif d'accueil selon l'invention, peut être actionnée. Préférentiellement, ladite étape de recharge est donc suivie d'une étape de recharge simultanée desdites batteries par un réseau d'alimentation externe audit véhicule. Les procédés d'alimentation et de recharge d'un véhicule selon l'invention présentent des avantages analogues à ceux du dispositif d'accueil pour batterie interchangeable selon l'invention. L'invention concerne encore un programme d'ordinateur comportant des instructions pour mettre en oeuvre l'un des procédés selon l'invention, lorsqu'il est exécuté sur un calculateur. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préféré décrit en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente un dispositif d'accueil pour batterie interchangeable selon l'invention, dans ce mode de réalisation préféré, - la figure 2 représente des étapes d'un procédé d'alimentation du réseau électrique d'un véhicule selon l'invention, - et la figure 3 représente des étapes d'un procédé de recharge en énergie d'un véhicule selon l'invention. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention représenté à la figure 1, un véhicule électrique compatible avec un système d'échange de batteries dit « quick drop » comporte un dispositif D d'accueil pour batterie interchangeable selon l'invention. Le dispositif D d'accueil comporte deux bornes d'entrée e1 et e2 aptes à se connecter respectivement aux bornes positive BPI et négative BN1 d'une batterie B1 rechargeable et interchangeable. Le dispositif D d'accueil selon l'invention comporte également deux bornes de sortie reliées au réseau électrique RES du véhicule, ainsi que des bornes e3 et e4 aptes à se connecter respectivement aux bornes positive BP2 et négative BN2 d'une autre batterie rechargeable B2, non interchangeable. Les bornes positive BPI et négative BN1 de la batterie B1 interchangeable sont en fait chacune connectées aux bornes respectives e1 et e2 du dispositif d'accueil D par l'intermédiaire de relais fusibles respectivement RP et RN. Une résistance RS de pré-charge et un relais RPC de pré-charge sont montés en série sur une branche de circuit montée en parallèle aux bornes du relais fusible RP, connecté à la borne positive BPI de la batterie B1 interchangeable. Les relais fusibles RP, RN et RPC sont contrôlés par un calculateur principal du véhicule, de manière à permettre à la batterie B1 interchangeable d'alimenter progressivement le réseau électrique RES du véhicule sans endommager les capacités d'organes électroniques alimentés par le réseau électrique RES. De plus, ces relais fusibles, ainsi que la résistance RS de pré-charge, font partie d'un premier pack batterie P1 qui contient la batterie interchangeable B1 ainsi qu'un calculateur BMS1 de supervision de la batterie interchangeable B1, qui remonte notamment des informations de température et de tension de la batterie B1 au calculateur principal du véhicule . Les bornes positive BP2 et négative BN2 de l'autre batterie B2 sont connectées de manière similaire aux bornes respectives e3 et e4 du dispositif d'accueil D par l'intermédiaire de relais fusibles et d'une résistance de pré-charge. L'ensemble de ces relais fusibles, de cette résistance de pré-charge et de la batterie B2, ainsi qu'un calculateur BMS2 de supervision associé à la batterie B2, qui remonte des informations de température et de tension de la batterie B2 au calculateur principal du véhicule, font partie d'un deuxième pack P2 de batterie. Les bornes e3 et e4 du dispositif D d'accueil selon l'invention, connectées aux bornes positive BP2 et négative BN2 de la batterie B2, sont reliées respectivement aux bornes d'entrée e1 et e2 du dispositif D d'accueil par des dérivations parallèles respectives D1 et D2. La dérivation D2 reliant la borne e2, apte à se connecter à la borne négative BN1 de la batterie B1 interchangeable, à la borne e4 reliée à la borne négative BN2 de l'autre batterie B2, comporte un circuit d'équilibrage, permettant d'équilibrer la charge entre les deux batteries B1 et B2. Ce circuit est composé d'un premier interrupteur T1 monté en parallèle d'une branche comportant montés en série une résistance RE de pré-charge (qui peut être fixe de l'ordre de l'ohm ou variable : diminuer avec la température par exemple) et un deuxième interrupteur T2. Le dimensionnement de la résistance RE de pré-charge du circuit d'équilibrage dépend du compromis entre l'écart de tension autorisé entre les deux batteries B1 et B2 et l'échauffement de cette résistance RE. Il est à noter qu'en variante une impédance comportant une partie réactive peut-être utilisée à la place d'une simple résistance, mais le circuit d'équilibrage de cette variante est plus complexe. La dérivation D1 reliant la borne e1, apte à se connecter à la borne positive BPI de la batterie B1 interchangeable, à la borne e3 reliée à la borne positive BP2 de l'autre batterie B2, comporte un troisième interrupteur T3. Le circuit d'équilibrage ainsi que le troisième interrupteur T3 sont montés dans un boîtier BC de connexion des deux batteries B1 et B2. Ce boîtier permet donc à la fois : de sélectionner la source d'alimentation du réseau électrique RES, cette source pouvant être soit la batterie interchangeable B1, soit les deux batteries B1 et B2 simultanément, grâce aux premiers et troisième interrupteurs T1 et T3, et d'équilibrer les charges respectives des deux batteries B1 et B2 grâce au circuit d'équilibrage, ce qui permet d'augmenter la durée d'utilisation de ces batteries et donc l'autonomie du véhicule. Il est à noter que lorsque la batterie interchangeable B1 est enlevée du véhicule, par exemple lors du changement de cette batterie dans une station d'échange, le réseau électrique RES continue d'être alimenté par l'autre batterie B2 lorsque les premier et troisième interrupteurs T1 et T3 sont fermés. L'invention permet donc de ne pas couper l'alimentation du véhicule lors d'un changement de la batterie interchangeable B1. Les interrupteurs T1, T2 et T3 sont par exemple des relais électriques pilotés par le calculateur principal du véhicule, selon le tableau suivant : Phase d'utilisation Interrupteur T1 Interrupteur T2 Interrupteur T3 B1 seule ouvert ouvert ouvert B1 seule, équilibrage ouvert fermé fermé B1 et B2 fermé ouvert fermé Ainsi : lorsque seule la batterie interchangeable B1 est utilisée comme batterie haute tension par le véhicule, les interrupteurs T1, T2 et T3 sont ouverts, lorsque l'on passe en phase d'équilibrage de la batterie B2 avec la batterie B1, on commence par fermer T2 puis T3 ; l'interrupteur T1 reste ouvert pendant la durée nécessaire à équilibrer les deux batteries ; puis lorsque les deux batteries B1 et B2 sont équilibrées, on ferme 20 l'interrupteur T1 puis on ouvre l'interrupteur T2, ce qui permet au véhicule d'être alimenté par les deux batteries B1 et B2 simultanément. En référence à la figure 2, un procédé selon l'invention d'alimentation 25 du réseau électrique RES du véhicule est représenté sous la forme d'un algorithme comportant des étapes E1 à E3. Ce procédé est mis en oeuvre de manière logicielle dans le calculateur principal du véhicule, et utilise le boîtier BC de connexion. Le calculateur principal du véhicule reçoit des données de supervision des batteries B1 et B2 par leurs calculateurs respectifs BMS1 et BMS2, qui fonctionnent de manière indépendante. Ces données (température, tension, SOC (le SOC de chaque batterie est calculé par son calculateur BMS1 ou BMS2)) permettent notamment au calculateur principal de déterminer le niveau de charge de chacune des batteries B1 et B2. Il est à noter que l'invention permet un pilotage moins complexe des calculateurs de supervision des batteries B1 et B2 par rapport à un système où les batteries B1 et B2 seraient connectées en série et qui nécessiterait de rendre un des calculateurs de supervision d'une des batteries, esclave de l'autre calculateur de supervision de l'autre batterie. L'étape E1 est l'utilisation de la batterie B1 interchangeable seule pour alimenter le réseau électrique RES du véhicule. Cette étape a lieu par exemple juste après un changement de batterie dans une station d'échange, la batterie B1 interchangeable étant alors chargée à son maximum alors que l'autre batterie B2 n'est que très peu chargée. Pendant cette étape, les interrupteurs T1, T2 et T3 sont ouverts. De plus, la batterie B1 interchangeable peut nécessiter un système de refroidissement car elle délivre à elle seule toute la puissance nécessaire au véhicule. Parallèlement à cette étape E1, un test t1 est effectué par le calculateur principal, qui détermine la différence ASOC en valeur absolue de niveau de charge encore appelé SOC (d'après l'anglais « State Of Charge ») entre les deux batteries B1 et B2. Lorsque cette différence devient inférieure à un seuil prédéterminé, par exemple correspondant à une différence en tension de 10V (ce qui correspond à une différence de niveaux de charge pouvant être de 10/0 à 200/0 en fonction des autres caractéristiques de ces batteries), on passe à l'étape E2 d'équilibrage, pendant laquelle la batterie B2 est partiellement rechargée par la batterie B1 de manière à équilibrer leurs niveaux de charge respectifs. Les interrupteurs T2 et T3 sont alors fermés et l'interrupteur T1 est ouvert. Le seuil prédéterminé dépend essentiellement du dimensionnement de la résistance RE de pré-charge. L'étape suivante E3 est l'alimentation du réseau électrique RES du véhicule par les deux batteries B1 et B2 (Les interrupteurs T1 et T3 sont alors fermés et l'interrupteur T2 est ouvert). Pendant cette étape, l'échauffement des batteries est limité car la puissance délivrée est répartie dans les deux batteries. Les batteries B1 et B2 ne nécessitent donc pas de refroidissement pendant cette étape E3. Cette étape E3 a lieu dès que l'intensité dans la branche comportant la résistance RE se rapproche de zéro. Ainsi l'invention permet de se passer la plupart du temps de système de refroidissement. Un seul système de refroidissement est à prévoir pour la batterie interchangeable pour les phases où elle est utilisée seule, par rapport à un système qui utiliserait séquentiellement une batterie puis l'autre et qui nécessiterait un système de refroidissement par pack de batterie. En référence à la figure 3, un procédé selon l'invention de recharge en énergie du véhicule est représenté sous la forme d'un algorithme comportant des étapes E4 à E5. Ce procédé est mis en oeuvre de manière logicielle dans le calculateur principal du véhicule, et utilise le boîtier BC de connexion, de manière similaire au procédé d'alimentation selon l'invention du réseau électrique RES du véhicule, décrit précédemment. On suppose, dans cet exemple d'utilisation, que la batterie B2 est initialement plus déchargée que la batterie interchangeable B1, et est reliée à un système de recharge par un réseau électrique extérieur au véhicule, par exemple un chargeur interne au véhicule électrique. Les interrupteurs T1, T2 et T3 du boîtier de connexion sont également initialement ouverts, la batterie B1 alimentant seule le réseau électrique RES du véhicule. L'étape E4 est alors la recharge de la batterie B2 par le réseau électrique externe. Parallèlement à cette étape E4, un test t2 est effectué par le calculateur principal, qui détermine la différence ASOC en valeur absolue de niveau de charge entre les deux batteries B1 et B2. Lorsque cette différence devient inférieure à un seuil prédéterminé, par exemple correspondant à une différence de tension de 10V entre les deux batteries, on passe à une étape E5 d'équilibrage, pendant laquelle la batterie B2 est rechargée à travers le circuit d'équilibrage, de manière à équilibrer les niveaux de charge respectifs des batteries B1 et B2. Pendant cette étape d'équilibrage les interrupteurs T3 et T2 sont fermés et l'interrupteur T1 est ouvert. Une fois les batteries B1 et B2 équilibrées, les batteries B1 et B2 sont rechargées simultanément lors d'une étape E6 par le réseau électrique externe sans équilibrage, les interrupteurs T1 et T3 étant fermés et l'interrupteur T2 étant ouvert. Il est à noter que bien que dans ce mode de réalisation de l'invention on utilise un dispositif d'accueil pour deux batteries dont l'une est interchangeable, la batterie interchangeable étant directement connectée au réseau électrique RES du véhicule, d'autres modes de réalisation de l'invention sont possibles. Ainsi l'invention est utilisable avec plus de deux batteries, dont une au moins interchangeable, les différentes batteries étant alors reliées par exemple deux à deux par des boîtiers de connexion identiques au boîtier BC, l'équilibrage des batteries se faisant au fur et à mesure. Par exemple si le véhicule a trois batteries, on équilibre d'abord les deux premières grâce à un boîtier de connexion les reliant entre elles, puis on équilibre la troisième avec l'ensemble des deux premières une fois celles-ci équilibrées. De plus, d'autres variantes de réalisation de l'invention sont possibles, par exemple : 5 dans lesquelles la batterie B2 est également interchangeable, ou dans lesquelles le réseau électrique RES est par défaut alimenté par la batterie B2 non interchangeable, la batterie B1 étant alors connectée indirectement au réseau électrique RES par le boîtier de connexion à la place de la batterie B2, ou dans lesquelles la batterie B1 est également rechargeable par un réseau électrique externe. Dans ce dernier cas, il est possible de recharger d'abord la batterie B1, si celle-ci est moins chargée que la batterie B2, puis les deux batteries B1 et B2 simultanément. 10 15 20 25 30 REVENDICATIONS1. Dispositif d'accueil pour batterie interchangeable destinée à équiper un véhicule comportant au moins un moteur électrique de traction, comprenant deux bornes d'entrée aptes à se connecter aux bornes positive et négative de ladite batterie interchangeable et deux bornes de sortie reliées à un réseau électrique dudit véhicule, caractérisé en ce que : - ledit dispositif d'accueil comporte deux dérivations parallèles reliant lesdites bornes d'entrée aux bornes positive et négative d'une autre batterie, - ledit dispositif d'accueil comporte, sur la dérivation apte à relier la borne négative de ladite batterie interchangeable à la borne négative de ladite autre batterie, un circuit d'équilibrage, - et ledit dispositif d'accueil comporte un moyen de sélection entre une alimentation dudit réseau électrique par au moins l'ensemble desdites batteries et une alimentation dudit réseau électrique par une seule desdites batteries. 2. Dispositif d'accueil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit d'équilibrage comporte un premier interrupteur monté en parallèle d'une branche comportant montés en série une impédance et un deuxième interrupteur. 3. Dispositif d'accueil selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit moyen de sélection comporte ledit premier interrupteur ainsi qu'un troisième interrupteur monté sur la dérivation apte à relier la borne positive de ladite batterie interchangeable à la borne positive de ladite autre batterie. 4. Dispositif d'accueil selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits premier et troisième interrupteurs sont pilotés par un calculateur desupervision apte à recevoir des données permettant de superviser les états de charge de ladite batterie interchangeable et de ladite autre batterie. 5. Procédé d'alimentation du réseau électrique d'un véhicule comportant au moins un moteur électrique de traction, ledit véhicule comportant un dispositif d'accueil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape d'alimentation du réseau électrique du véhicule utilisant seulement ladite batterie interchangeable, - et une étape d'équilibrage pendant laquelle ladite batterie interchangeable recharge l'autre batterie dès que la différence entre les niveaux de charge respectifs desdites batteries est en dessous d'un seuil prédéterminé. 6. Procédé d'alimentation du réseau électrique d'un véhicule selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite étape d'équilibrage est suivie d'une étape d'alimentation du réseau électrique du véhicule par ladite batterie interchangeable et ladite autre batterie. 7. Procédé de recharge en énergie d'un véhicule comportant au moins un moteur électrique de traction, ledit véhicule comportant un dispositif d'accueil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit procédé comporte une étape de recharge d'une desdites batteries ayant le niveau de charge le plus bas, par un réseau d'alimentation externe audit véhicule, jusqu'à ce que la différence entre les niveaux de charge respectifs desdites batteries soit en dessous d'un seuil prédéterminé. 8. Procédé de recharge en énergie d'un véhicule selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite étape de recharge est suivie d'une étape de recharge simultanée desdites batteries par un réseau d'alimentation externe audit véhicule. 9. Programme d'ordinateur comportant des instructions pour mettre en oeuvre l'un des procédés selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, lorsqu'il est exécuté sur un calculateur. 10 15