Brevet FR2978702A1 — publié le 20130208

L'invention concerne un procédé de refroidissement d'une batterie électrique, notamment une batterie électrique de véhicule automobile électrique ou hybride. L'invention concerne aussi un dispositif de refroidissement mettant en oeuvre un tel procédé. L'invention concerne aussi un support d'enregistrement de données lisibles par un calculateur sur lequel est enregistré un programme informatique comprenant des moyens de code de programme informatique de mise en oeuvre des étapes d'un tel procédé. L'invention concerne enfin un programme informatique comprenant un moyen de code de programme informatique adapté à l'exécution d'étapes d'un tel procédé, lorsque le programme est exécuté sur un ordinateur. L'invention concerne encore un véhicule automobile comprenant un dispositif de refroidissement selon l'invention. La gestion de la thermique de la batterie électrique est l'une des problématiques majeures des véhicules électriques et hybrides. Généralement, un véhicule électrique nécessite des phases de refroidissement de sa batterie, sinon cette dernière limite (à température élevée) sa puissance, par l'intermédiaire de son calculateur, pour éviter tout endommagement. Par ailleurs, le refroidissement de la batterie nécessite une consommation d'énergie et comme l'énergie est liée à l'autonomie dans le cadre des véhicules électriques, il est opportun de profiter de phases de recharge de la batterie pour mettre en oeuvre une phase de refroidissement de la batterie. Ainsi, lors de la phase de refroidissement, on peut utiliser l'énergie du réseau pour refroidir la batterie et non utiliser l'énergie électrique contenue dans la batterie. On connaît du document US 20100013648 Al un système pour identifier des batteries que l'on peut utiliser après une recharge, en fonction du temps de refroidissement de ces dernières. Un affichage lumineux est activé lorsque la charge est terminée. Puis, un compteur horaire s'enclenche et la batterie est laissée au repos pour refroidissement. Durant cette phase, un voyant est allumé pour interdire l'utilisation de la batterie. Après un certain nombre d'heures, un nouveau voyant est allumé, pour indiquer que la batterie est suffisamment refroidie et qu'elle peut être utilisée. Ainsi, un utilisateur peut choisir de manière simple une batterie suffisamment froide dans un lieu de stockage comprenant plusieurs batteries. Un tel système permet d'apporter une solution pour l'application évoquée dans le document US 20100013648 A1, mais un problème demeure pour les applications envisagées dans le présent document. A un instant donné, on ne sait pas à quel moment une batterie donnée pourra être utilisée. Le but de l'invention est de fournir un procédé de refroidissement d'une batterie obviant aux inconvénients évoqués plus haut et améliorant les procédés connus de l'art antérieur. En particulier, l'invention propose un procédé simple et efficace permettant d'améliorer la gestion logistique de refroidissement des batteries dans une station de recharge. Selon l'invention, le procédé de refroidissement d'une batterie électrique d'un véhicule automobile comprend une étape de refroidissement et une étape d'estimation de la durée de l'étape de refroidissement dans laquelle on utilise une information de puissance calorifique mise en oeuvre dans l'étape de refroidissement, une information de rendement d'un dispositif de refroidissement et/ou une information de consommation électrique du dispositif de refroidissement étant utilisée pour déterminer l'information de puissance calorifique mise en oeuvre dans l'étape de refroidissement. Dans l'étape d'estimation de la durée, on peut utiliser : - Une information de température courante de la batterie, et/ou - Une information de température souhaitée de la batterie, et/ou - Une information d'inertie thermique de la batterie, et/ou - Une information d'échange thermique entre la batterie et un milieu extérieur. On peut mettre en oeuvre l'étape de refroidissement uniquement lorsque le véhicule automobile est connecté à une source d'énergie électrique 10 externe, comme une borne de recharge électrique. On peut mettre en oeuvre une étape de recharge électrique de la batterie pendant l'étape de refroidissement. 15 Dans l'étape d'estimation de la durée de l'étape de refroidissement, on peut utiliser une information de puissance dissipée par effet Joule dans la batterie lors de l'étape de recharge. On peut déterminer la durée de l'étape de refroidissement selon la 20 formule : M X Cp X d~ = Pfroid + Pchaud + Rth x ATbat,eYt avec : M la masse de la batterie, Cp une constante représentant la chaleur spécifique de la batterie, 25 Pchaud une puissance échauffant la batterie, Pfroid une puissance refroidissant la batterie, Rth un coefficient d'échange thermique, ATbat,ext la différence de température entre la batterie et un milieu extérieur. 30 L'étape d'estimation de la durée de l'étape de refroidissement peut être mise en oeuvre pendant une étape de charge de la batterie. L'invention se rapporte aussi à un support d'enregistrement de données lisible par un calculateur sur lequel est enregistré un programme informatique comprenant des moyens de codes de programme informatique de mise en oeuvre des étapes du procédé défini précédemment. Selon l'invention, un dispositif de refroidissement d'une batterie électrique d'un véhicule automobile comprend des moyens matériels et/ou logiciels aptes à mettre en oeuvre le procédé défini précédemment. Selon l'invention, un véhicule automobile électrique ou hybride comprend un dispositif de refroidissement défini précédemment. Selon l'invention, un programme informatique comprend un moyen de code de programme informatique adapté à l'exécution d'étapes du procédé défini précédemment, lorsque le programme est exécuté sur un ordinateur. Le dessin annexé représente, à titre d'exemples, un mode de réalisation d'un dispositif de refroidissement selon l'invention et un mode d'exécution d'un procédé de refroidissement selon l'invention. La figure 1 est un schéma d'un mode de réalisation d'un dispositif de refroidissement selon l'invention. La figure 2 est un schéma d'une architecture logique permettant un calcul 30 de durée de refroidissement d'une batterie selon un mode d'exécution du procédé de refroidissement.25 Un mode de réalisation d'un dispositif de refroidissement 1 est décrit ci-après en référence à la figure 1. Le dispositif de refroidissement comprend principalement un élément de refroidissement 4 et une unité de commande 2 de l'élément de refroidissement. Le dispositif de refroidissement est destiné à refroidir une batterie électrique d'un véhicule automobile, notamment la batterie électrique alimentant un moteur d'entraînement d'un véhicule automobile hybride ou électrique. Le dispositif de refroidissement peut faire partie du véhicule automobile. L'élément 4 de refroidissement peut être du type assurant un refroidissement par air (système Peltier, système de climatisation) ou par eau (circuit d'eau équipé d'une pompe et un groupe motoventilateur, avec radiateur par exemple). La liaison entre la batterie et l'unité de commande est par exemple assurée via un réseau de communication (réseau CAN par exemple). Un calculateur lié à la batterie envoie un certain nombre d'informations à l'unité de commande, notamment de préférence la température de la batterie. En fonction d'informations reçues par l'unité de commande, cette dernière pilote l'activation et le fonctionnement de l'élément de refroidissement. Notamment, l'élément de refroidissement est activé quand la température de la batterie est trop élevée et désactivé quand la température de la batterie est suffisamment basse. De préférence, dans une étape de refroidissement de la batterie, l'unité de commande estime ou détermine, notamment par calcul, le temps de refroidissement nécessaire à ce que la température de la batterie atteigne une température cible ou une température prédéterminée. Notamment, la détermination ou l'estimation est réalisée en fonction de la puissance électrique consommée sur le réseau, du rendement du moyen de refroidissement et des températures (extérieure à la batterie et de la batterie). Cette information de temps peut être affichée ou être transmise pour information à l'utilisateur. Notamment, l'information de temps peut être transmise (via le réseau CAN par exemple) à un tableau de bord du véhicule ou à une borne de recharge électrique. Le dispositif de refroidissement, notamment l'unité de commande, comprend tous les moyens matériels et/ou logiciels permettant de mettre en oeuvre le procédé de refroidissement objet de l'invention. Notamment, le dispositif de refroidissement comprend des moyens matériels et/ou logiciels permettant de mettre en oeuvre chacune des étapes du procédé de refroidissement objet de l'invention. Ces moyens peuvent inclure des programmes d'ordinateur. Le dispositif de refroidissement peut notamment comprendre : - un moyen de détermination de la température de la batterie, et/ou - un moyen de détermination de la température du milieu extérieur, en particulier de détermination de la température de l'air ambiant entourant la batterie et le véhicule automobile, et/ou - un moyen de détermination de la puissance électrique fournie par un chargeur rechargeant la batterie, et/ou - un moyen de mesure de la tension électrique d'alimentation de l'élément de refroidissement, et/ou - un moyen de mesure de la puissance électrique fournie à l'élément de refroidissement. Le dispositif de refroidissement peut également avantageusement comprendre un moyen d'affichage. Alternativement ou complémentairement, le dispositif de refroidissement comprend un moyen de transmission de données pour transmettre, en particulier à destination d'un autre système du véhicule automobile, une information de temps de refroidissement. Un exemple d'architecture de l'unité de commande est décrit ci-après en référence à la figure 2. L'unité de commande comprend un premier module 11 permettant d'estimer les pertes énergétiques au cours de la charge électrique de la batterie. Ce module peut par exemple contenir un modèle numérique permettant de déterminer les pertes énergétiques, notamment les pertes par effet Joule dans la batterie, à partir de la puissance électrique de charge de la batterie P_charge et de la température courante de la batterie Tbat. La puissance de charge peut dépendre du niveau de charge de la batterie. L'unité de commande comprend un deuxième module 12 permettant d'estimer le rendement de l'élément de refroidissement. Ce module peut par exemple contenir un modèle numérique permettant de déterminer le rendement à partir de la température du milieu extérieur Text, de la tension d'alimentation de l'élément de refroidissement V alim et de la température courante de la batterie Tbat. Au niveau d'un opérateur de multiplication 14, le rendement est multiplié par la puissance électrique fournie à l'élément de refroidissement. En sortie de cet opérateur, on obtient une puissance calorifique de refroidissement de la batterie. Au niveau d'un opérateur d'addition 15, les pertes énergétiques au cours de la charge électrique de la batterie et la puissance calorifique de refroidissement de la batterie sont ajoutées. On obtient, en sortie de cet opérateur, la puissance calorifique nette permettant de modifier la température de la batterie. Complémentairement, on peut encore pour calculer cette puissance calorifique nette, tenir compte de la modification de la température de la batterie par transfert thermique avec le milieu extérieur, du fait de la différence de température entre la batterie et ce milieu extérieur. Parallèlement à ces calculs, on calcule, au niveau d'un opérateur de soustraction 13, la différence de température entre la température courante de la batterie Tbat et la température prédéterminée que l'on souhaite obtenir en fin d'étape de refroidissement et on utilise ces différences au niveau d'un opérateur de multiplication 16. En sortie de cet opérateur de multiplication 16, on obtient le produit de la différence de température, de la masse de la batterie et de la chaleur massique de la batterie. Le produit déterminé précédemment et la puissance calorifique nette attaquent un opérateur de division 17 permettant de donner en sortie un signal représentatif du temps de refroidissement. Le mode de réalisation de l'architecture précédemment décrite permet de décrire la dynamique thermique de la batterie qui peut également être décrite par l'expression suivante : M x C , X d~ - Pfroid + Pchaud + Rth X ATbat/ext Avec : M la masse de la batterie, Cp la chaleur spécifique massique de la batterie, Pchaud la puissance échauffant la batterie, Pfroid la puissance refroidissant la batterie, Rth un coefficient d'échange thermique entre la batterie et le milieu extérieur, ATbat,ext la différence de température entre la batterie et l'extérieur. Il est à noter que, dans l'architecture de la figure 2, le terme : xth xATbat,ext est négligé, car peu influent. En général, le terme Rth x L\Tbat,ezt est faible devant les puissances Pchaud et Pfroid, notamment si la batterie est bien isolée (pour d'autres raisons). On peut encore simplifier l'expression, en supposant les termes constants. On obtient alors MxCpxAT At = Pfroid + P chaud avec : 10 dT = Tbat - Tbat cible OT At la durée de refroidissement. En résumé, pour que la température de la batterie baisse, en partant de la température Tbat et atteindre la température Tbat_cible , il faut une 15 durée calculée par la formule précédente. Un des problèmes des estimations de temps est la fluctuation de ces derniers avec certains termes, ce qui les rend peu crédibles aux yeux des utilisateurs. Cependant, l'avantage de l'estimation de temps de 20 refroidissement selon l'invention est que les paramètres qui sont utilisés sont assez stables dans une étape de charge ou recharge de la batterie. En effet, les puissances utilisées pour recharger la batterie sont quasi-constantes durant cette étape (contrairement à une phase d'entraînement du véhicule automobile où l'on peut passer d'une 25 puissance d'entraînement nulle à une puissance d'entraînement maximale en quelques secondes, et donc où l'on peut passer d'un niveau de pertes très bas à un niveau de pertes de l'ordre de plusieurs kilowatts). Dans le cas d'une étape de recharge, les informations utilisées pour définir la durée de refroidissement sont très stables (puissance de5 charge, puissance de refroidissement et rendement du dispositif de refroidissement). L'estimation de durée est donc précise et fiable. La puissance de refroidissement est elle-même assez constante également, que ce soit avec un refroidissement par air ou par eau. Dans le cas où le refroidissement d'une batterie d'un véhicule électrique ou hybride est assuré uniquement dans une étape de recharge électrique, une estimation du temps de refroidissement, c'est-à-dire du temps de refroidissement restant, constitue, avec une estimation du temps de recharge restant, une information importante pour l'utilisateur. Du point de vue de l'utilisateur, cette information facilite par exemple une meilleure utilisation du temps d'attente restant pour la fin de la recharge ou du refroidissement de la batterie. Dans une station de recharge, cette information de temps restant permet d'optimiser le temps d'occupation des bornes de recharge. Pour des charges classiques (sur les réseaux domestiques), les puissances (ou les pertes) qui causent l'échauffement de la batterie sont faibles et peuvent être négligées pour simplifier l'algorithme de calcul. Cette simplification peut d'autant plus être faite si la précision demandée n'est pas très fine (10 mn par exemple). Une telle précision reste tout à fait acceptable au regard de durées de plusieurs heures. Pour les mêmes raisons, on peut aussi considérer un rendement constant. Le dispositif de refroidissement décrit précédemment permet de mettre en oeuvre un mode d'exécution d'un procédé de refroidissement dans lequel on met en oeuvre une étape de refroidissement et une étape d'estimation ou de détermination de la durée de l'étape de refroidissement. L'étape d'estimation est donc réalisée pendant l'étape de refroidissement ou avant l'étape de refroidissement. Dans le cas où l'étape d'estimation est réalisée durant l'étape de refroidissement, le résultat de cette étape d'estimation constitue une information de durée de refroidissement restant jusqu'à ce que la batterie atteigne une valeur cible. De préférence, l'étape d'estimation est réitérée à intervalles réguliers tout au long de l'étape de refroidissement. L'information de durée est destinée à être affichée pour informer l'utilisateur, éventuellement après avoir été transmise à un autre système du véhicule automobile. Dans l'étape d'estimation de la durée, on peut utiliser : - Une information de température courante de la batterie, et/ou - Une information de température souhaitée de la batterie, et/ou - Une information de puissance calorifique mise en oeuvre dans l'étape de refroidissement, et/ou - Une information d'inertie thermique de la batterie, et/ou - Une information d'échange thermique entre la batterie et un milieu extérieur. On peut également utiliser : - Une information de rendement d'un dispositif (1) de refroidissement, et/ou - Une information de consommation électrique du dispositif de refroidissement, pour déterminer l'information de puissance calorifique mise en oeuvre dans l'étape de refroidissement. De préférence, on met en oeuvre l'étape de refroidissement uniquement lorsque le véhicule automobile est connecté à une source d'énergie électrique externe, comme une borne de recharge électrique.30 Avantageusement, on met en oeuvre une étape de recharge électrique de la batterie pendant l'étape de refroidissement. Dans ce cas, on peut également estimer ou déterminer une durée restant jusqu'à la recharge électrique de la batterie à un niveau déterminé et la transmettre à l'utilisateur, notamment au moyen d'un dispositif d'affichage. On peut aussi ne transmettre à l'utilisateur que la durée la plus grande des durées de charge restant et de refroidissement restant. Ces données de durées de refroidissement restant ou de recharge restant peuvent également être utilisées par des systèmes d'une station de recharge de batteries afin d'en améliorer la gestion logistique, notamment d'améliorer le flux physique des batteries et la disponibilité des systèmes.15 REVENDICATIONS: 1. Procédé de refroidissement d'une batterie électrique (3) d'un véhicule automobile comprenant une étape de refroidissement et une étape d'estimation de la durée de l'étape de refroidissement dans laquelle on utilise une information de puissance calorifique mise en oeuvre dans l'étape de refroidissement, une information de rendement d'un dispositif de refroidissement et/ou une information de consommation électrique du dispositif de refroidissement étant utilisée pour déterminer l'information de puissance calorifique mise en oeuvre dans l'étape de refroidissement. 2. Procédé de refroidissement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, dans l'étape d'estimation de la durée, on utilise : - Une information de température courante de la batterie, et/ou - Une information de température souhaitée de la batterie, et/ou - Une information d'inertie thermique de la batterie, et/ou - Une information d'échange thermique entre la batterie et un milieu extérieur. 7. Procédé de refroidissement selon l'une des revendications précédente, caractérisé en ce qu'on met en oeuvre l'étape de refroidissement uniquement lorsque le véhicule automobile est connecté à une source d'énergie électrique externe, comme une borne de recharge électrique. 8. Procédé de refroidissement selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'on met en oeuvre une étape de recharge électrique de la batterie pendant l'étape de refroidissement.5. Procédé de refroidissement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, dans l'étape d'estimation de la durée de l'étape de refroidissement, on utilise une information de puissance dissipée par effet Joule dans la batterie lors de l'étape de recharge. 6. Procédé de refroidissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on détermine la durée de l'étape de refroidissement selon la formule : M X Cp X d~ = Pfroid + Pchaud + Rth x ATbat,eYt 10 avec : M la masse de la batterie, Cp une constante représentant la chaleur spécifique de la batterie, Pchaud une puissance échauffant la batterie, Pfroid une puissance refroidissant la batterie, 15 Rth un coefficient d'échange thermique, ATbat,ext la différence de température entre la batterie et un milieu extérieur. 7. Procédé de refroidissement selon l'une des revendications 20 précédente, caractérisé en ce que l'étape d'estimation de la durée de l'étape de refroidissement est mise en oeuvre pendant une étape de charge de la batterie. 8. Support d'enregistrement de données lisible par un calculateur sur 25 lequel est enregistré un programme informatique comprenant des moyens de codes de programme informatique de mise en oeuvre des étapes du procédé selon l'une des revendications précédentes. 9. Dispositif (1) de refroidissement d'une batterie électrique (3) d'un 30 véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens5matériels (2, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) et/ou logiciels aptes à mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 7. 10. Véhicule automobile électrique ou hybride comprenant un dispositif (1) de refroidissement selon la revendication 9. 11. Programme informatique comprenant un moyen de code de programme informatique adapté à l'exécution d'étapes du procédé selon l'une des revendications 1 à 7, lorsque le programme est exécuté sur un ordinateur.