Brevet FR2973177A1 — publié le 20120928

GESTION DE BATTERIES ELECTRIQUES La présente invention concerne de manière générale la gestion fonctionnelle de batteries montées sur un véhicule automobile, et en particulier, la gestion de leur statut énergétique dans le véhicule. Il est connu dans l'art antérieur des dispositifs comportant plusieurs batteries et utilisant un certain nombre d'informations afin de gérer convenablement chaque batterie, pour alimenter les appareils d'un véhicule, ou afin de participer à sa motorisation (par traction ou propulsion). Le document US7014949 propose un arrangement de batteries dont température et refroidissement sont contrôlés pour en améliorer l'utilisation et la durée de vie. Malheureusement, ce système ne permet pas d'offrir une réponse flexible à la demande en courant d'un véhicule, les possibilités d'augmenter la puissance délivrée par les batteries étant limitées par les conducteurs électriques dont la taille détermine l'intensité électrique maximale pouvant les traverser, et il est nécessaire de prévoir des appareils aptes à effectuer une régulation de la puissance, ce qui augmente le coût du véhicule. Le document US2004164706 divulgue un dispositif pour véhicule électrique ou hybride comportant plusieurs batteries et l'utilisation de celles-ci est optimisée en tenant compte de l'état de charge unitaire de chacune des batteries. Le statut énergétique de chaque batterie (en charge ou fournisseur de courant) est alors choisi pour obtenir un état de charge homogène entre toutes les batteries et leur éviter des surcharges. Néanmoins, cette gestion des batteries ne permet pas d'adapter la puissance fournie au moteur et ici aussi, les possibilités d'augmenter la puissance délivrée par les batteries sont limitées par les conducteurs électriques dont la taille détermine l'intensité électrique maximale pouvant les traverser. Un but de la présente invention est de répondre aux inconvénients des documents de l'art antérieur mentionnés ci-dessus et en particulier, tout d'abord, de gérer des batteries d'un véhicule de sorte à lui fournir un courant électrique adapté à ses besoins, sans que la puissance délivrée soit limitée par la taille des conducteurs électriques, tout en supprimant ou en limitant l'usage et la complexité des appareils de régulation de puissance. Pour cela un premier aspect de l'invention concerne un procédé de gestion énergétique d'au moins deux batteries aptes à fournir un courant électrique à un réseau électrique d'un véhicule électrique ou hybride, le procédé comportant les étapes consistant à : - prendre en compte une demande énergétique du véhicule - affecter la demande énergétique à une catégorie choisie parmi un besoin auxiliaire ou un besoin de motorisation ; - fournir directement au réseau électrique du véhicule, en fonction de la catégorie choisie, un courant électrique à un premier niveau de tension apte à répondre au besoin auxiliaire ou à au moins un deuxième niveau de tension supérieur au premier niveau, apte à répondre au besoin de motorisation. Le procédé selon l'invention prend en compte le besoin énergétique du véhicule avant de fournir du courant au véhicule, on a donc une gestion intelligente des batteries. Ensuite, en fonction des besoins en puissance, le procédé est apte à fournir du courant électrique sous différents niveaux de tension, de sorte à limiter les variations de l'intensité du courant pour rester dans des valeurs compatibles avec la section des câbles. Avec deux batteries, le procédé peut fournir directement une première puissance électrique pour alimenter des appareils auxiliaires du véhicule, ou une deuxième puissance électrique supérieure à la première pour participer à la motorisation du véhicule. En plus de diminuer la taille des conducteurs, l'invention permet de supprimer ou réduire la complexité des régulateurs de puissance, car le procédé fournit directement au circuit électrique une puissance adaptée au besoin du véhicule. De manière avantageuse, l'étape de fourniture de courant électrique consiste à fournir au réseau électrique du véhicule, en fonction du besoin énergétique du véhicule, un courant électrique à un premier niveau de tension positif apte à répondre au besoin auxiliaire ou un deuxième niveau de tension supérieur au premier niveau et apte à répondre partiellement au besoin de motorisation ou à un troisième niveau de tension supérieur au deuxième niveau et apte à répondre partiellement ou entièrement au besoin de motorisation. Avec deux batteries, le procédé peut fournir trois niveaux de tension pour délivrer au véhicule trois niveaux de puissance, afin de participer partiellement ou complètement à la motorisation. Avantageusement, l'étape de fourniture de courant électrique consiste à affecter auxdites au moins deux batteries une architecture de connexion prédéterminée. L'invention propose de fournir ces différents niveaux de tension-puissance en affectant des schémas de connexion spécifiques aux batteries pour chaque besoin. Cela permet de répondre simplement à la demande en énergie, sans appareils de régulation de puissance coûteux et complexes. Avantageusement, l'étape d'affectation de l'architecture de connexion consiste à connecter en série lesdites au moins deux batteries au réseau électrique du véhicule ou à connecter une seule batterie au réseau électrique du véhicule. On obtient facilement plusieurs niveaux de tension soit en connectant les batteries en série, soit en connectant une seule batterie au véhicule. Avantageusement, le procédé gère quatre batteries et l'étape de fourniture de courant électrique au véhicule permet la fourniture directe de courant électrique sous quatre niveaux de tension différents et aptes à répondre partiellement ou entièrement au besoin auxiliaire ou au besoin de motorisation. Cette mise en oeuvre permet de s'adapter encore mieux à la demande en niveaux d'énergie pour augmenter la flexibilité du système. Un second aspect de l'invention est un ensemble d'une première et d'une deuxième batteries d'un véhicule pour mettre en oeuvre le procédé selon le premier aspect de l'invention, caractérisé en ce que la première et la deuxième batterie sont chacune reliées en série à un commutateur série secondaire pour former un premier et un deuxième circuits d'alimentation secondaires indépendants, le premier et le deuxième circuits d'alimentation secondaires étant chacun relié en parallèle à un premier et un deuxième commutateurs parallèles, et en ce que les deux commutateurs parallèles sont reliés en série pour former un circuit principal de fourniture de courant au véhicule. Cette mise en oeuvre reste simple et avec peu de composants, la fourniture de puissance électrique est flexible pour s'adapter aux besoins du véhicule, sans pour autant augmenter la taille des conducteurs électriques pour fournir des puissances élevées. En alternative, l'invention concerne un ensemble d'au moins quatre batteries d'un véhicule pour mettre en oeuvre le procédé selon le premier aspect de l'invention, caractérisé en ce que chaque batterie est reliée en série à un commutateur série secondaire pour former au moins quatre circuits d'alimentation secondaires indépendants, chaque circuit d'alimentation secondaire étant relié en parallèle à un commutateur parallèle spécifique, et en ce que les commutateurs parallèles sont reliés en série pour former un circuit principal de fourniture de courant au véhicule. Cette mise oeuvre permet de couvrir la totalité des scenarios de besoins en puissance du véhicule : alimentation des appareils électriques auxiliaires pour le premier niveau, participation à la motorisation en côte ou prise en charge totale sur le plat pour les deuxièmes et troisième niveaux, prise en charge totale de la motorisation en accélération ou en côte pour le quatrième niveau. Avantageusement, chaque batterie, lorsqu'elle est chargée, est apte à fournir un courant électrique sous une tension comprise entre 13 volts et 15 volts. Ainsi, lorsque les quatre batteries sont connectées en série pour fournir le plus de puissance possible, la tension reste inférieure à 60 volts, ce qui permet de rester dans la catégorie des appareils à très basse tension. L'invention propose une solution cohérente de fourniture de puissance en tension. Avantageusement, au moins une des batteries est une batterie au lithium-ion constituée par quatre éléments unitaires au lithium-ion reliés en série. La tension délivrée par une telle batterie d'éléments est comprise entre 13 volts et 15 volts, ce qui permet de rester sous les 60 volts, si quatre batteries de ce type sont reliées en série. Avantageusement, ladite au moins une batterie est apte à fournir une puissance nominale comprise entre 2 kW et 4 kW. De telles batteries permettent à l'invention de proposer une solution cohérente de fourniture d'électricité en tension et en puissance car ces niveaux de puissance sont tout à fait adaptés pour qu'une seule batterie alimente les appareils auxiliaires du véhicule ou pour que plusieurs de ces batteries participent à la motorisation du véhicule. Avantageusement, ladite au moins une batterie est une batterie modulaire portable. L'invention prend un aspect supplémentaire en compte et permet d'utiliser une fonctionnalité de plus de ces batteries. La transportabilité permet à l'utilisateur de diversifier l'utilisation des batteries, ou même de les transporter pour les recharger et ainsi optimiser le fonctionnement de son véhicule. Une batterie lithium ion de 2 à 4 kW pèse environ 5 kilogrammes, ce qui la rend facilement transportable. La solution proposée est cohérente en tension, en puissance et en poids. Un troisième aspect de l'invention est véhicule électrique ou hybride comportant au moins deux batteries gérées par le procédé selon le premier aspect de l'invention. Alternativement, l'invention concerne un véhicule électrique ou hybride 25 comportant au moins un ensemble de batteries selon le second aspect de l'invention. Avantageusement, le véhicule est un véhicule automobile. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit de modes de réalisations de l'invention donnés à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente le schéma de connexion de batteries pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention ; - la figure 2 représente le schéma de connexion de batteries de la figure 1, avec une batterie fournissant du courant au véhicule ; - la figure 3 représente le schéma de connexion de batteries de la figure 1, avec quatre batteries fournissant du courant au véhicule ; - la figure 4 représente une alternative de mise en oeuvre. La figure 1 représente un ensemble de quatre batteries B1, B2, B3, B4 intégrées dans un circuit électrique apte à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. Chaque batterie est constituée de quatre éléments unitaires de type lithium-ion, de sorte que la tension délivrée par chaque batterie lorsqu'elle est chargée est comprise environ entre 13 volts et 15 volts. Ces batteries sont chacune connectées en série avec un interrupteur noté Sis et en parallèle avec un interrupteur noté Sip, et ces interrupteurs sont aptes à être actionnées par des signaux de commande envoyés par le calculateur 100. Par exemple, la batterie B3 est reliée en série avec l'interrupteur S3s et cet ensemble est relié en parallèle avec l'interrupteur S3p. Tous les interrupteurs Sip sont ensuite reliés en série entre les bornes générales de connexion Cl et C2 l'ensemble au véhicule. Par ailleurs, chaque batterie est reliée à un calculateur 100 par un bus de type CAN par exemple pour fournir au calculateur 100 les informations sur l'état de charge de chaque batterie, son historique d'utilisation et d'autres informations comme une compatibilité avec le système par exemple. Le système représenté à cette figure comporte tous ses interrupteurs ouverts et aucune batterie n'est reliée au véhicule pour lui délivrer du courant. La figure 2 représente l'ensemble de la figure 1, avec la batterie B1 reliée au véhicule pour lui délivrer un courant sous une tension comprise entre 13 volts et 15 volts. En tout premier lieu, le calculateur 100 prend en compte l'état de charge des batteries, ainsi que le besoin énergétique du véhicule. Ensuite, l'interrupteur S1 s est fermé, ainsi que les interrupteurs S2p, S3p, S4p, et tous les autres commutateurs sont ouverts. Dans cette configuration, la batterie B1 est utilisée pour fournir du courant au réseau électrique du véhicule afin d'alimenter les appareils de faible puissance tels que l'autoradio, les essuie-glaces ou l'éclairage intérieur. La figure 3 représente l'ensemble de la figure 1 configuré pour fournir le plus de puissance possible au véhicule. Ainsi, après avoir pris en compte l'état de charge des batteries et le besoin en puissance du véhicule, le calculateur 100 envoie des signaux de commande de sorte que les interrupteurs S1 p, S2p, S3p et S4p sont ouverts et les interrupteurs S1 s, S2s, S3s et S4s sont fermés, afin de relier les batteries en série et fournir un courant électrique sous une tension comprise entre 52 volts et 60 volts. Cette architecture permet de fournir une puissance élevée au véhicule, tout en ne nécessitant pas de grossir la taille des câbles car c'est la tension qui est augmentée. Enfin, en sachant que des batteries Li-ion classiques de 5 kg sont aptes à délivrer entre 2 et 4 kW chacune, cette architecture permet de fournir de l'énergie pour participer à la motorisation du véhicule, voire même être la source d'énergie exclusive du moteur principal d'un véhicule électrique, car la puissance totale délivrée peut être de 16kW. On comprend que l'ensemble de batteries décrit est parfaitement apte à délivrer un courant sous une première tension comprise entre 13 et 15 volts, en reliant une seule batterie au véhicule, mais aussi un courant à un deuxième niveau de tension compris entre 26 et 30 volts en reliant deux batteries en série au véhicule, de même que sous un troisième niveau de tension compris entre 39 et 45 volts en reliant trois batteries en série. L'invention permet d'adapter le niveau de puissance en modulant la tension délivrée, en fonction des besoins énergétique du véhicule, de sorte que les appareils standards de régulation de la puissance sont simplifiés. La figure 4 représente une alternative intéressante où le circuit ne comporte que deux batteries. La batterie B1 est considérée comme la batterie principale et peut être fixe par rapport au véhicule, elle est reliée en série au commutateur S1 s pour former un premier circuit secondaire. La batterie B2, reliée pour sa part au commutateur série S2s formant un deuxième circuit secondaire, est une batterie auxiliaire et peut être montée de manière amovible sur le véhicule, de sorte à être transportable facilement. La batterie B1 comporte 8 éléments unitaires au lithium-ion reliés en série et peut délivrer un courant sous une tension totale d'environ 30 volts. Quant à la batterie B2, celle-ci comporte quatre éléments lithium-ion, elle est donc apte à délivrer un courant sous une tension d'environ 15 volts. Chaque circuit secondaire est relié en parallèle à un commutateur parallèle correspondant. La batterie B1 avec son commutateur série S1 s est reliée en parallèle au commutateur parallèle S1 p et la batterie B2, avec son commutateur série S2s est reliée en parallèle au commutateur parallèle S2p. Les deux commutateurs parallèles S1 p et S2p sont reliés en série. Si le véhicule n'a besoin que de peu de puissance, pour alimenter quelques appareils auxiliaires, alors seule la batterie B2 sera connectée au réseau. A cet effet, les commutateurs S1 p et S2s sont fermés, alors que les commutateurs S1 s et S2p sont ouverts. Le circuit fournira du courant sous une tension d'environ 15 volts. Si la demande énergétique est plus importante, pour un besoin de motorisation, c'est la batterie B1 qui est reliée au véhicule en fermant les commutateurs S1 s et S2p, et en ouvrant S1 p et S2s, et la tension délivrée est comprise entre 26 volts et 30 volts. Pour fournir le maximum de puissance possible, sous un troisième niveau de tension compris entre 39 volts et 45 volts, on relie les deux batteries en série en fermant Si s et S2s, et en ouvrant S1 p et S2p. On comprendra que diverses modifications et/ou améliorations évidentes pour l'homme du métier peuvent être apportées aux différents modes de réalisation de l'invention décrits dans la présente description sans sortir du cadre de l'invention défini par les revendications annexées. En particulier, il est fait référence à une série de batteries, mais on peut envisager d'utiliser des condensateurs de grande capacité pour fournir de l'énergie électrique, ou lisser les pics de tension. REVENDICATIONS1. Procédé de gestion énergétique d'au moins deux batteries (B1, B2, B3, B4) aptes à fournir un courant électrique à un réseau électrique d'un véhicule électrique ou hybride, le procédé comportant les étapes consistant à : - prendre en compte une demande énergétique du véhicule - affecter la demande énergétique à une catégorie choisie parmi un besoin auxiliaire ou un besoin de motorisation ; - fournir directement au réseau électrique du véhicule, en fonction de la catégorie choisie, un courant électrique à un premier niveau de tension apte à répondre au besoin auxiliaire ou à au moins un deuxième niveau de tension supérieur au premier niveau, apte à répondre au besoin de motorisation. 2. Procédé de gestion énergétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de fourniture de courant électrique consiste à fournir directement au réseau électrique du véhicule, en fonction de la catégorie choisie, un courant électrique à un premier niveau de tension apte à répondre au besoin auxiliaire ou un deuxième niveau de tension supérieur au premier niveau, apte à répondre partiellement au besoin de motorisation ou à un troisième niveau de tension supérieur au deuxième niveau, apte à répondre partiellement ou entièrement au besoin de motorisation. 3. Procédé de gestion énergétique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étape de fourniture de courant électrique consiste à affecter auxdites au moins deux batteries (B1, B2, B3, B4) une architecture de connexion prédéterminée. 4. Procédé de gestion énergétique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'étape d'affectation de l'architecture de connexion consiste à connecter en série lesdites au moins deux 2973177 -10- batteries (B1, B2, B3, B4) au réseau électrique du véhicule ou à connecter une seule batterie (B1, B2, B3, B4) au réseau électrique du véhicule. 5. Procédé de gestion énergétique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il gère quatre batteries (B1, B2, B3, B4) et en ce 5 que l'étape de fourniture de courant électrique au véhicule permet la fourniture directe de courant électrique sous quatre niveaux de tension différents et aptes à répondre partiellement ou entièrement au besoin auxiliaire ou au besoin de motorisation. 6. Ensemble d'une première et d'une deuxième batteries (B1, B2) 10 d'un véhicule pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la première et la deuxième batteries (B1, B2) sont chacune reliées en série à un commutateur série secondaire (S1 s, S2s) pour former un premier et un deuxième circuits d'alimentation secondaires indépendants, le premier et le deuxième circuits 15 d'alimentation secondaires étant chacun relié en parallèle à un premier et un deuxième commutateurs parallèles (S1 p, S2p), et en ce que les deux commutateurs parallèles (S1 p, S2p) sont reliés en série pour former un circuit principal de fourniture de courant au véhicule. 7. Ensemble d'au moins quatre batteries (B1, B2, B3, B4) d'un 20 véhicule pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque batterie (B1, B2, B3, B4) est reliée en série à un commutateur série secondaire (S1 s, S2s, S3s, S4s) pour former au moins quatre circuits d'alimentation secondaires indépendants, chaque circuit d'alimentation secondaire étant relié en parallèle à un commutateur 25 parallèle spécifique (S1 p, S2p, S3p, S4p), et en ce que les commutateurs parallèles (S1 p, S2p, S3p, S4p) sont reliés en série pour former un circuit principal de fourniture de courant au véhicule. 8. Ensemble selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que chaque batterie (B1, B2, B3, B4), lorsqu'elle est chargée, est apte à fournir un courant électrique sous une tension comprise entre 13 volts et 15 volts. 2973177 -11- 9. Ensemble selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'au moins une des batteries (B1, B2, B3, B4) est une batterie au lithium-ion constituée par quatre éléments unitaires au lithium-ion reliés en série. 10. Ensemble selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite 5 au moins une batterie est apte à fournir une puissance nominale comprise entre 2 kW et 4 kW. 11. Ensemble selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que ladite au moins une batterie est une batterie modulaire portable. 12. Véhicule électrique ou hybride comportant au moins deux 10 batteries (B1, B2, B3, B4) gérées par le procédé selon l'une des revendications 1 à 5. 13. Véhicule électrique ou hybride comportant au moins un ensemble de batteries (B1, B2, B3, B4) selon l'une des revendications 6 à 11. 15 14. Véhicule selon l'une des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce qu'il est un véhicule automobile.