Brevet FR2978624A1 — publié le 20130201

Installation et procédé de charge pour batterie électrique La présente invention concerne une installation et un procédé de charge pour batterie électrique, et plus particulièrement une borne de charge rapide pour véhicules équipés d'au moins une batterie électrique et d'un ordinateur de bord embarqué. La voiture électrique étant essentiellement urbaine, la recharge de sa ou ses batteries électriques passe par des prises d'énergie existantes ou/et par une infrastructure nouvelle (bornes de recharge), à installer sur la voie publique ou dans des endroits facilement accessibles (parkings, lieux de travail, ...). On envisage actuellement deux modes de recharge : - par connexion directe (recharge normale ou rapide), - sans contact. La recharge la plus simple s'opère à l'aide d'une connexion directe, sur une prise dite normale, délivrant un courant alternatif de 16 A sous 220 à 240 V, soit environ 3,7 kVA. Le courant alternatif est transformé en courant continu par le chargeur embarqué de la voiture. Une recharge complète s'effectue en 6 à 10 h. L'avantage de ce type de charge, qui peut être effectuée à partir d'une prise domestique classique, réside dans l'absence de la nécessité de toute infrastructure nouvelle, tout au moins pour des particuliers possédant un garage ou une place de parking. Ce type de charge a également pour avantage d'offrir la possibilité de recharger le véhicule la nuit pendant plusieurs heures, au moment où la consommation d'énergie est la moins forte. La recharge par connexion directe rapide nécessite une borne de charge spécialisée, délivrant un courant continu d'une centaine d'ampères, à une tension comprise actuellement entre 20 et 500 V, directement appliquée aux batteries du véhicule électrique. La puissance installée est de l'ordre de 50 kVA. Ce type de recharge fournit, en principe, une autonomie de 3 à 5 km par minute de charge, à condition que les batteries soient capables d'absorber sans dommage des courants élevés. Une cogestion de la charge par des éléments intelligents présents, d'une part sur le véhicule électrique et d'autre part, sur la borne de charge rapide est nécessaire. La borne de recharge rapide comporte un chargeur-redresseur alimenté par un réseau triphasé. En ce qui concerne la recharge sans contact, deux procédés de charge différents font l'objet d'intenses recherches : - transfert d'énergie par micro-ondes, - couplage par induction. Dans ce dernier procédé, l'énergie transite d'un enroulement primaire, généralement au sol, vers un enroulement secondaire monté sur le véhicule. Avec ces dispositifs, l'utilisateur n'a plus de connexions à effectuer. L'augmentation du nombre de voitures électriques posera forcément un problème de gestion de l'énergie électrique disponible pour la charge à court terme. La quantité d'énergie consommée par la voiture électrique dépend principalement de son rendement et de la distance qu'elle parcourt. Conçue pour une moyenne de 40 km par jour, la voiture électrique demande entre 4 et 25 kWh par 24 h, ce qui donne une consommation annuelle comprise entre 1 500 et 9 000 kWh. Selon les différentes sources données par le GIFAM (Groupement interprofessionnel des fabricants d'appareils d'équipement ménager) et l'INSEE, en France, la consommation moyenne domestique des utilisateurs potentiels de la voiture électrique s'élèverait à 8 000 kWh et cette consommation s'élèverait à 10 000 kWh aux États-Unis. Ainsi, la voiture électrique pourrait augmenter la consommation familiale de 20 à 50 %. Si la plupart des usagers rechargent leur voiture le jour, la puissance 35 installée des centrales électriques va croître au-delà du raisonnable. Par ailleurs, la recharge rapide, nécessitant généralement 50 kVA, pendant des dizaines de minutes, conduira non seulement à un surdimensionnement des centrales électriques, mais également à une modification des lignes électriques. En revanche, la recharge nocturne demanderait une puissance d'environ 3 kW (recharge pendant 6 à 10 h), facilement supportée par les installations existantes. Or, on constate que les bornes de charge rapide pour véhicules électriques sont toutes actuellement alimentées par une seule source 10 d'énergie : généralement le réseau de distribution électrique. L'énergie consommée et la puissance demandée par la recharge simultanée d'un grand nombre de batteries électriques pourraient conduire non seulement à un surdimensionnement des centrales électriques, mais également à une modification des lignes électriques. 15 Cette demande additionnelle d'électricité aura en conséquence des impacts négatifs sur : - le contenu en CO2 du kWh électrique (selon le mode de production de l'électricité : nucléaire, hydraulique, thermique...) ; la gestion, l'architecture et le pilotage des réseaux de distribution 20 d'électricité ; la gestion de la pointe de consommation électrique et notamment l'impact de la recharge rapide ; - le renforcement local du réseau électrique. La présente invention vise à palier ces divers inconvénients en 25 proposant une installation et un procédé de charge, simple dans leur conception et dans leur mode opératoire, permettant d'assurer la recharge d'une batterie électrique de manière rapide et économique. Un autre objet de la présente invention est une telle installation et un tel procédé de charge permettant de diminuer l'impact de la demande 30 d'électricité sur le réseau en réduisant les appels de puissance sur le réseau de distribution électrique. Ils auront pour effet : ^ de diminuer le contenu en CO2 du kWh électrique nécessaire pour la recharge des véhicules électriques ; - lisser la consommation d'énergie électrique et donc d'en faciliter la 35 prévision de production offrir la possibilité de connecter une borne de charge rapide sur plus de point de raccordement au réseau de distribution électrique qu'elle n'aurait pu l'être du fait que la puissance de connexion au réseau s'en trouve diminuée. L'objectif de l'invention a pour but de diminuer la puissance du point de raccordement au réseau de distribution électrique sans pour autant diminuer les performances de la borne de charge rapide. A cet effet, la présente invention a pour objet une installation de charge d'une batterie électrique pour un véhicule, ladite installation comprenant une source principale d'alimentation en énergie apte à délivrer une puissance de charge Pc, et un premier circuit pour convertir le courant ou la tension d'alimentation délivrée par ladite source principale en un courant ou une tension de charge pour ladite batterie électrique. Selon l'invention, cette installation comprend - au moins une source auxiliaire d'alimentation en énergie apte à délivrer une puissance de charge Pc2, - au moins un deuxième circuit pour convertir le courant ou la tension d'alimentation délivrée par ladite source auxiliaire en un courant ou une tension de charge pour ladite batterie électrique, ledit au moins un deuxième circuit étant relié en parallèle audit premier circuit, - un système de gestion contrôlant ladite au moins une source auxiliaire de manière à activer au moins une desdites sources auxiliaires lorsque la puissance de charge Pc requise pour charger ladite batterie est supérieure à la puissance de charge Pc, susceptible d'être délivrée par ladite source principale. On entend par "véhicule", un véhicule motorisé du type terrestre, nautique ou aérien, c'est-à-dire, et à titre purement illustratif, un bateau, un aéronef, une automobile, un camion, un autobus ou encore un quadricycle. Le but de l'invention est de diminuer l'impact de la demande d'électricité sur le réseau en réduisant les appels de puissance sur le réseau de distribution électrique. Elle aura, pour effet, de: - lisser la consommation d'énergie électrique ; - faciliter la prévision de production d'énergie électrique car la consommation d'énergie électrique est lissée dans le temps ; - diminuer le contenu en CO2 du kWh électrique nécessaire pour la recharge des véhicules électriques car la consommation d'énergie électrique est lissée dans le temps ; - ne pas nécessiter le renforcement local du réseau électrique car la 5 puissance consommée sur le réseau électrique est moindre ; - diminuer le coût global de l'utilisation d'une station de charge rapide car le coût de raccordement au réseau et de l'abonnement s'en trouve réduit ; - offrir la possibilité de connecter une borne de charge rapide sur plus de point de charge qu'elle n'aurait pu l'être du fait que la puissance de connexion 10 au réseau s'en trouve diminuée (facilité d'installation) ; - maintenir les performances de charge du véhicule électrique. Dans différents modes de réalisation particuliers de cette installation de charge, chacun ayant ses avantages particuliers et susceptibles de nombreuses combinaisons techniques possibles: 15 la source principale d'alimentation en énergie est le réseau d'alimentation électrique délivrant une tension secteur ou un courant de secteur, - ladite au moins une source auxiliaire comprend une unité d'alimentation en énergie choisie dans le groupe comprenant une batterie, un 20 supercondensateur, un volant d'inertie, une pile à combustible, un groupe électrogène, des panneaux solaires photovoltaïques et des combinaisons de ces éléments, - ledit véhicule comprenant un ordinateur de bord contrôlant ladite batterie à charger, ladite installation comprend un système de communication 25 pour permettre le transfert en temps réel d'informations entre ladite installation et ledit ordinateur de bord, lesdites informations comprenant au moins une valeur de consigne de charge fournie par ledit ordinateur de bord. Cette valeur de consigne de charge est une valeur de courant de charge et/ou de tension de charge. 30 De préférence, le système de gestion comporte alors une unité de calcul pour déterminer la puissance de charge Pc correspondant aux valeurs de courant de charge et/ou de tension de charge requis par ledit ordinateur de bord. Avantageusement, la puissance de charge Pc, susceptible d'être délivrée par ladite source principale d'alimentation en énergie étant variable en fonction 35 du temps, ladite installation comporte une unité de mesure en temps réel de ladite puissance de charge Pc,, ladite unité de mesure envoyant des informations à ladite unité de calcul. Ce peut être notamment le cas lorsque dans le courant de la journée, plusieurs usagers consomment de l'énergie en étant reliés sur un même point 5 de raccordement. - l'installation comprend des moyens programmable pour limiter la puissance de charge délivrée par ladite source principale de sorte que Pc, Pc,, on met en oeuvre en plus de ladite source principale, au moins une source auxiliaire d'alimentation en énergie apte à délivrer une puissance de charge Pc2 de sorte que la somme des puissances de charge délivrée par lesdites sources soit égale à la puissance de charge Pc requise. De préférence, ladite source principale d'alimentation en énergie est le réseau d'alimentation électrique délivrant une tension secteur. Avantageusement, on détermine la valeur de la puissance de charge Pc1 par rapport à une puissance de charge maximale Pcmax susceptible d'être délivrée par la source principale d'alimentation en énergie. De préférence, la puissance de charge Pc1 susceptible d'être délivrée par ladite source principale d'alimentation en énergie étant variable en fonction du temps, on mesure, avantageusement en temps réel, ladite puissance de charge Pc,. De manière avantageuse, la puissance de charge Pc requise étant inférieure strictement à Pc,, on charge ladite au moins une source auxiliaire d'alimentation en énergie avec une puissance de charge Pc4 telle que Pc4 Pc,-Pc. L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'une installation de charge électrique d'une batterie selon un mode de réalisation particulier de l'invention; - la figure 2 montre schématiquement les circuits pour convertir la tension d'alimentation délivrée par la source primaire et la tension ou le courant délivré par la source secondaire de l'installation de la fig. 1, en un courant ou une tension de charge pour une batterie électrique; - la figure 3 montre schématiquement les circuits pour convertir les tensions ou courants d'alimentation délivrées par des sources principale et auxiliaire d'une installation de charge électrique en un courant ou une tension de charge pour une batterie selon un autre mode de réalisation ; - la figure 4 est une comparaison de la puissance consommée sur la source principale entre une borne de charge de l'état de l'art (en trait plein noir) et une installation (trait plein gris) selon un mode de mise en oeuvre de la présente invention, cette source principale étant le réseau d'alimentation électrique, l'axe des x représentant le temps et l'axe des y représentant la puissance consommée en kVA; Les figures 1 et 2 montrent un chargeur électrique 1 pour batterie notamment d'un véhicule électrique 2 selon un mode de réalisation préféré de l'invention. Ce chargeur 1 est adapté pour charger rapidement une telle batterie, par exemple en 30 minutes environs. Le présent chargeur de batterie 1 comporte un bâti relié au réseau d'alimentation électrique 3 délivrant une tension secteur Vs. Ce réseau d'alimentation électrique 3 constitue une source d'énergie primaire pour cette borne 2 en vue de recharger la batterie du véhicule électrique 2. La puissance de charge Pc, délivrée par le réseau électrique 3 est ici égale à 36 kW, c'est-à-dire qu'il s'agit d'un point de raccordement standard. Le bâti comporte un premier circuit électrique 4 de conversion permettant de convertir la tension secteur délivrée par le réseau d'alimentation électrique 3 en un courant ou une tension de charge pour la batterie électrique à charger. Ce premier circuit électrique 4 de conversion comprend un circuit de commande d'un interrupteur de fourniture de courant à un enroulement primaire d'un transformateur, ledit circuit de commande opérant en mode à découpage isolée à une haute fréquence, typiquement 80 000 Hz. Le véhicule électrique 2 comprenant un ordinateur de bord 5 contrôlant la batterie à charger, la borne de charge 1 comprend un système de communication 6 pour permettre le transfert en temps réel d'informations entre cette borne de charge 1 et l'ordinateur de bord 5 de la voiture 2. En particulier, ce système ce communication qui comprend ici soit une communication filaire 7 telle qu'un bus Controller Area Network (CAN), un courant porteur de ligne (CPL) ou une communication fil pilote (ISO 61851 SAE J1772) ou encore une ligne K/L (ISO 9141), soit une liaison radio telle que Zigbee, Wifi, ou Bluetooth, permet à la borne de charge 1 de recevoir de l'ordinateur de bord 5, la consigne de charge (courant et/ou tension de charge) requise pour charger la batterie, cette consigne de charge étant variable dans le temps. Notamment, on distingue deux phases de charge: - une phase de charge dite "BOOST": restitution d'un maximum de la capacité batterie, généralement de 0% à 50% de l'état de charge de la batterie, en un minimum de temps, généralement 10 minutes, - une phase d'égalisation encore appelée "ABSORPTION" durant laquelle est réalisé un complément de la charge progressif jusqu' à 100 % de la capacité batterie. Cette phase est généralement de l'ordre de 30 minutes. Le bâti comporte également une source secondaire 8 d'alimentation en énergie interne apte à délivrer une puissance de charge Pc2. Cette source secondaire est ici une batterie électrochimique. Le dimensionnement de cette source secondaire 8 est réalisé pour assurer la première phase de la charge de la batterie, dite de "BOOST", lorsque la puissance de charge Pc requise par l'ordinateur de bord 5 de la voiture électrique pour charger sa batterie est supérieure à la puissance de charge Pc, susceptible d'être fournie par le réseau électrique 3. A titre illustratif, l'énergie utile fournie par la source secondaire est de 5 à 10 kW.h, la puissance de charge Pc2 étant de 20 kW. Ce dimensionnement peut bien entendu être augmenté selon les besoins, à titre d'exemple, pour assurer une ou plusieurs charges successivement sans avoir à recharger la source secondaire. Le bâti comporte un deuxième circuit 9 pour convertir le courant ou la tension d'alimentation délivrée par ladite source auxiliaire 8 en un courant ou une tension de charge pour ladite batterie électrique, ledit au moins un deuxième circuit étant relié en parallèle audit premier circuit 4. Les premier et deuxième circuits 4, 9 de conversion sont reliés en parallèle de manière à fournir la consigne de charge (courant et/ou la tension de charge) requise par l'ordinateur de bord 5 de la voiture électrique pour charger la batterie. La borne de charge 1 comprend un système de gestion 10 contrôlant la source secondaire 8 d'alimentation de manière à activer celle-ci lorsque la puissance de charge Pc requise pour charger ladite batterie est supérieure à la puissance de charge Pc, susceptible d'être délivrée par la source d'énergie primaire 3. Ainsi, et alors que la puissance consommée sur le réseau électrique est quasi constant pendant toute la charge du véhicule (de 0% à 100% d'état de charge - SOC), le complément d'énergie nécessaire pendant la première phase de la charge, dite phase de "Boost" est fourni par la source d'énergie secondaire. Pendant la deuxième phase de charge, dite "Absorption", l'énergie délivrée au véhicule va en décroissant dans le temps. L'énergie délivrée au véhicule 2 provient de la source d'énergie principale 3 et de la source d'énergie secondaire 8 tant que Pc > Pc1. Dés que Pc REVENDICATIONS, 1. Installation de charge d'une batterie électrique pour un véhicule, ladite installation comprenant une source principale (3) d'alimentation en énergie apte à délivrer une puissance de charge Pc, et un premier circuit (4) pour convertir le courant ou la tension d'alimentation délivrée par ladite source principale (3) en un courant ou une tension de charge pour ladite batterie électrique, caractérisée en ce qu'elle comprend - au moins une source auxiliaire (8) d'alimentation en énergie apte à 10 délivrer une puissance de charge Pc2, - au moins un deuxième circuit (9) pour convertir le courant ou la tension d'alimentation délivrée par ladite source auxiliaire (8) en un courant ou une tension de charge pour ladite batterie électrique, ledit au moins un deuxième circuit (9) étant relié en parallèle audit premier circuit (4), 15 - un système de gestion (10) contrôlant ladite au moins une source auxiliaire (8) de manière à activer au moins une desdites sources auxiliaires lorsque la puissance de charge Pc requise pour charger ladite batterie est supérieure à la puissance de charge Pc, susceptible d'être délivrée par ladite source principale (3). 20 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite source principale (3) d'alimentation en énergie est le réseau d'alimentation électrique délivrant une tension secteur ou un courant de secteur. 3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ladite au moins une source auxiliaire (8) comprend une unité d'alimentation 25 en énergie choisie dans le groupe comprenant une batterie, un supercondensateur, un volant d'inertie, une pile à combustible, un groupe électrogène, des panneaux solaires photovoltaïques et des combinaisons de ces éléments. 4. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 30 caractérisée en ce que ledit véhicule (2) comprenant un ordinateur de bord (5) contrôlant ladite batterie à charger, ladite installation comprend un système de communication (7) pour permettre le transfert en temps réel d'informations entre ladite installation et ledit ordinateur de bord (5), lesdites informations comprenant au moins une valeur de consigne de charge fournie 35 par ledit ordinateur de bord. 5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit système de gestion (10) comporte une unité de calcul pour déterminer la puissance de charge Pc correspondant aux valeurs de courant de charge et/ou de tension de charge requis par ledit ordinateur de bord (5). 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que la puissance de charge Pc, susceptible d'être délivrée par ladite source principale (3) d'alimentation en énergie étant variable en fonction du temps, ladite installation comporte une unité de mesure en temps réel de ladite puissance de charge Pc,, ladite unité de mesure envoyant des informations à ladite unité de calcul. 7. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens programmables pour limiter la puissance de charge délivrée par ladite source principale (3) de sorte que Pc, 8. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ledit premier circuit (4) pour convertir le courant ou la tension d'alimentation délivrée par ladite source principale (3) en un courant ou une tension de charge pour ladite batterie électrique comprend un circuit de commande d'un interrupteur de fourniture de courant à un enroulement primaire d'un transformateur, ledit circuit de commande opérant en mode à découpage isolée à une haute fréquence ou à une basse fréquence. 9. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que ladite installation comprend un circuit de charge (11, 15) de ladite au moins une source auxiliaire (8), relié à ladite source principale (3) d'alimentation en énergie pour recharger ladite au moins une source auxiliaire (8). 10. Installation selon les revendications 2 et 9, caractérisée en ce que ledit circuit de charge comprend un filtre, un convertisseur et un dispositif de 30 correction du facteur de puissance. 11. Procédé de charge d'une batterie électrique pour véhicule, ledit véhicule comprenant un ordinateur de bord (5), dans lequel - on détermine la puissance de charge Pc à délivrer à la batterie électrique dudit véhicule par rapport à une consigne de charge demandée à 35 un instant t par ledit ordinateur de bord,- on compare cette puissance de charge par rapport à la puissance de charge Pc1 susceptible d'être délivrée par une source principale (3) d'alimentation en énergie, - si Pc > Pc1, on met en oeuvre en plus de ladite source principale (3), au moins une source auxiliaire (8) d'alimentation en énergie apte à délivrer une puissance de charge Pc2 de sorte que la somme des puissances de charge délivrée par lesdites sources soit égale à la puissance de charge Pc requise. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite source principale (3) d'alimentation en énergie est le réseau d'alimentation électrique délivrant une tension secteur. 13. Procédé selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce qu'on détermine la valeur de la puissance de charge Pc1 par rapport à une puissance de charge maximale PCmax susceptible d'être délivrée par la source principale (3) d'alimentation en énergie. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que la puissance de charge Pc1 susceptible d'être délivrée par ladite source principale (3) d'alimentation en énergie étant variable en fonction du temps, on mesure ladite puissance de charge Pc1. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisée en ce que ladite puissance de charge Pc requise étant inférieure strictement à Pc1, on charge ladite au moins une source auxiliaire (8) d'alimentation en énergie avec une puissance de charge Pc4 telle que Pc4 Pc1-Pc.