Brevet FR2987472A1 — publié le 20130830

L'invention concerne une architecture électrique d'un véhicule automobile. Elle concerne notamment un procédé de fonctionnement de cette architecture électrique. Elle concerne aussi un support de données comprenant des moyens de mise en oeuvre d'un tel procédé de fonctionnement. Elle concerne encore un véhicule automobile comprenant une telle architecture électrique. Le document US2009/0146610 décrit l'architecture électrique interne d'une batterie. Cette batterie est composée de plusieurs cellules et de plusieurs modules électroniques, un module électronique "maître" surveillant l'ensemble du système. Chacune des cellules est pilotée et surveillée par un module électronique esclave : vérification de l'utilisation de la cellule dans une plage correcte de tension, autorisation ou non de la recharge d'une cellule, etc... Le but de l'invention est de fournir un procédé de fonctionnement d'architecture électrique améliorant les procédés de fonctionnement d'architecture électrique connus de l'art antérieur. En particulier, l'invention fournit un procédé de fonctionnement d'une architecture électrique intégrée à un véhicule automobile électrique et permettant de gérer les différents modes de fonctionnement spécifiques d'une batterie de stockage d'énergie électrique d'entraînement du véhicule. Selon l'invention, le procédé régit le fonctionnement d'une architecture électrique d'un véhicule automobile. L'architecture électrique comprend un calculateur maître et un ensemble de calculateurs esclaves. Il est caractérisé en ce que le calculateur maître supervise le fonctionnement d'un calculateur de batterie pilotant le fonctionnement d'une batterie de stockage d'énergie électrique destinée à l'entraînement du véhicule automobile. MS\REN223FR.dpt Le calculateur maître peut commander, en fonction des modes de fonctionnement du véhicule automobile, via le calculateur de batterie, des transitions de modes de fonctionnement de la batterie, notamment onze transitions de modes de fonctionnement de la batterie. Le calculateur de batterie peut interdire une transition de mode de fonctionnement de la batterie commandée par le calculateur maître. Le calculateur de batterie peut piloter le fonctionnement de la batterie selon 10 différents modes de fonctionnement, en particulier neuf modes de fonctionnement. Le calculateur de batterie peut piloter le fonctionnement de la batterie selon au moins deux modes de fonctionnement actifs correspondant 15 respectivement à un mode de fonctionnement de recharge de la batterie et à un mode de fonctionnement de décharge globale de la batterie, ce mode de fonctionnement de décharge globale de la batterie correspondant à un mode de roulage du véhicule automobile. 20 Le calculateur de batterie peut piloter le fonctionnement de la batterie selon au moins deux modes de fonctionnement de recharge de la batterie, notamment un mode de fonctionnement de recharge lente et un mode de fonctionnement de recharge rapide. 25 Le calculateur maître peut piloter des relais de puissance permettant de relier électriquement la batterie au reste du véhicule automobile. Le calculateur maître peut informer le calculateur de batterie de l'état des relais de puissance. 30 L'invention concerne aussi un support d'enregistrement de données lisible par un calculateur sur lequel est enregistré un programme d'ordinateur MS\REN223FR.dpt comprenant des moyens logiciels de mise en oeuvre des étapes du procédé défini précédemment. Selon l'invention, l'architecture électrique d'un véhicule automobile comprend un calculateur maître et un ensemble de calculateurs esclaves. Elle est caractérisée en ce que le calculateur maître comprend des moyens de supervision du fonctionnement d'un calculateur de batterie pilotant le fonctionnement d'une batterie de stockage d'énergie électrique destinée à l'entraînement du véhicule automobile. Le calculateur maître et/ou le calculateur de batterie peut comprendre des moyens matériels et/ou logiciels de mise en oeuvre du procédé de fonctionnement défini précédemment. Selon l'invention, un véhicule automobile, en particulier un véhicule automobile électrique, comprend une architecture électrique définie précédemment. Les dessins annexés représentent, à titre d'exemple, un mode d'exécution du procédé de fonctionnement selon l'invention et un mode de réalisation d'une architecture électrique selon l'invention. La figure 1 est un schéma d'un système électrotechnique d'entraînement d'un véhicule automobile électrique selon l'invention. La figure 2 est un schéma d'une architecture électrique d'un véhicule automobile électrique selon l'invention. La figure 3 est un schéma représentant différents modes de fonctionnement d'une batterie et d'un calculateur de batterie, ainsi que différentes transitions entre ces modes. MS\REN223FR.dpt 2 9874 72 4 Les éléments essentiels d'une chaîne électrotechnique ou système 10 électrotechnique d'entraînement d'un véhicule automobile électrique sont représentés à la figure 1. Le système électrotechnique comprend les quatre 5 éléments suivants : - une batterie 11 a d'alimentation d'un moteur électrique d'entraînement du véhicule automobile qui permet le stockage de l'énergie électrique, nécessaire à l'entraînement ; - le moteur 14 électrique d'entraînement du véhicule automobile qui 10 permet de transformer l'énergie électrique en énergie mécanique ; - un dispositif 13 de pilotage du moteur électrique d'entraînement du véhicule automobile comprenant une électronique de puissance ; il se trouve entre la batterie et le moteur ; il s'agit par exemple d'un variateur de puissance dont la fonction est de transformer la tension 15 continue de la batterie en tension triphasée à fréquence variable ; - un chargeur 12 qui permet de charger en énergie la batterie ; il comprend par exemple un boîtier comprenant une électronique de puissance permettant de transformer la tension d'une source électrique externe, notamment la tension alternative du réseau 15 20 électrique commercial domestique, en une tension continue permettant la recharge de la batterie. Parmi ces quatre éléments, seul le moteur ne dispose pas d'un calculateur propre. 25 La batterie comprend par exemple un assemblage de plusieurs cellules élémentaires associées en série et en parallèle, pour obtenir une tension globale compatible avec les besoins en puissance (la tension de sortie vaut typiquement entre 200 et 400 V). La batterie est équipée d'un calculateur 16 30 noté BMS. Ce calculateur est chargé notamment : - de superviser le fonctionnement de la batterie, MS\REN223FR.dpt 2 9874 72 5 - de réaliser l'équilibrage des cellules (toutes les cellules doivent avoir des tensions proches les unes des autres), - d'estimer à tout moment l'état de charge de la batterie (pour informer le conducteur de l'autonomie restante), 5 - de gérer différentes mesures nécessaires à la supervision du système (tension batterie, courant appelé, température, ...). Le dispositif 13 de pilotage du moteur dispose d'au moins un calculateur 18 ; pour simplifier, ce calculateur reçoit une consigne de couple à réaliser par le 10 moteur électrique ; le calculateur transforme cette consigne de couple en consigne de courant, puis à l'aide de capteurs (par exemple capteur de position du rotor du moteur, capteurs de courants traversant le pont de puissance), le calculateur élabore des commandes d'interrupteurs de puissance (par exemple IGBT). Le dispositif 13 de pilotage héberge 15 également un convertisseur de tension continu-continu, qui permet de générer une basse tension, par exemple de 14 V, à partir de la tension de la batterie 11a (qui elle peut typiquement varier entre 240 et 400 V environ). Ce convertisseur est nécessaire pour recharger éventuellement une batterie 14 V d'alimentation des calculateurs du véhicule. 20 Enfin, le chargeur 12 comprend un calculateur 17 ; celui-ci est chargé de communiquer avec la batterie 11 a et de recueillir des informations au niveau du réseau électrique commercial domestique 15. Ainsi, le courant de charge de la batterie 11 a peut être le résultat de trois contraintes : 25 - le courant maximal que peut fournir le réseau électrique commercial domestique 15 (câble, fusibles en amont), - le courant que peut fournir le chargeur, - le courant que peut recevoir la batterie. 30 Les calculateurs précédents ont besoin d'établir une communication entre eux. Par ailleurs, le système électrotechnique d'entraînement doit réagir aux MS\REN223FR.dpt désirs du conducteur et donner, au reste du véhicule automobile, notamment aux autres calculateurs du reste 30 du véhicule, les informations habituellement données par le calculateur injection d'un véhicule automobile à combustion classique. On peut donc considérer que le système électrotechnique d'entraînement remplace l'ensemble du groupe motopropulseur existant dans un véhicule à combustion classique. Pour assurer la coopération de l'ensemble des calculateurs, une architecture électrique 70 comprend un calculateur de supervision 20 noté EVC. Par « architecture électrique », on entend architecture électrique et électronique. Le calculateur de supervision : - est interfacé avec les calculateurs 16, 17 et 18 du système électrotechnique d'entraînement du véhicule pilotant les différents éléments du système électrotechnique d'entraînement du véhicule ; de préférence, l'ensemble des flux d'informations entre les calculateurs 16, 17 et 18 transitent par le calculateur de supervision qui distribue les ordres aux différents calculateurs 16, 17 et 18. - est interfacé avec les calculateurs du reste 30 du véhicule, notamment avec un calculateur d'habitacle 60 pour prendre en compte les désirs du conducteur ; il fait notamment l'acquisition de la position pédale d'accélérateur, de la position de la pédale de frein, de la position du levier de vitesse. L'architecture électrique du véhicule automobile est représentée de manière simplifiée à la figure 2, les liaisons entre les différents calculateurs étant représentées. Le calculateur de supervision 20 est un calculateur maître. Il est relié au trois calculateurs 16, 17 et 18 (calculateurs esclaves) du système électrotechnique d'entraînement par un réseau électrique 40, par exemple un réseau informatique, notamment un réseau de type CAN (Controller Area Network) ; ce réseau permet aux quatre calculateurs MS\REN223FR.dpt d'échanger un grand nombre d'informations nécessaires au fonctionnement du système. De l'autre côté, le calculateur de supervision 20 est relié aux autres calculateurs (calculateurs esclaves) du reste 30 du véhicule automobile, notamment au calculateur d'habitacle 60, par un autre réseau électrique 50, par exemple un réseau informatique, notamment un réseau de type CAN. Ce réseau est classiquement présent dans les véhicules à combustion classiques évoqués précédemment. Un procédé de supervision est mis en oeuvre pour faire fonctionner la batterie de manière adaptée aux différents modes de fonctionnement du véhicule ou de l'architecture électrique qui sont principalement les suivants : - véhicule endormi, - réveil du véhicule, - roulage du véhicule, - recharge du véhicule. En outre, il existe, de manière avantageuse, plusieurs modes de recharge de la batterie (par exemple deux modes : recharge lente et recharge rapide). L'invention peut bien sûr être appliquée au cas où il existe plus de deux modes de recharge à des niveaux différents (par exemple charge moyenne, charge très rapide, ...) qui exigent des surveillances différentes. Un tel fonctionnement de la batterie selon différents modes implique des flux d'informations entre la batterie et le calculateur de supervision et, en particulier, entre le calculateur de batterie et le calculateur de supervision. Un premier tableau ci-dessous décrit différents signaux émis par le calculateur de supervision à destination du calculateur de batterie. MS\REN223FR.dpt Nom Signification Emmetteur Valeurs possibles K WakeUpSleep ve req demande de réveil calculateur de supervision ou calculateur de batterie C K BCM WakeUp req= réveil ou normal du véhicule. d'endormissement C K BCM GoToSleep req= demande d'endormissement. du calculateur de batterie K BHVState ets req spécifie dans quel calculateur de BHVMode NoRequest Request = mode la batterie doit fonctionner. supervision état d'attente. BHVMode SlowCharge Request = état charge lente, BHVMode QuickCharge Request = état charge rapide, BHVMode DrivingCharge Request = état roulage. K HVConnection ets status indique si l'ensemble des relais connectant calculateur de HV Connected= bien connecté. HV Open = non connecté la batterie au reste supervision du véhicule sont bien connectés ou non. Un deuxième tableau ci-dessous décrit différents signaux émis par le calculateur de batterie à destination du calculateur de supervision. Nom Signification Valeurs possibles BMS State état dans lequel se trouve le calculateur de batterie Voir tableau plus bas. BMS RefusetoSleep indique au calculateur de BMS RefusetoSleep d'endormissement BMS RefusetoSleep= d'endormissement = 1 : interdiction supervision que le calculateur de batterie ne peut pas être endormi 0 : autorisation Un troisième tableau ci-dessous décrit un autre signal reçu et utilisé par le calculateur de batterie. MS\REN223FR.dpt Nom Signification Valeurs possibles CAN rct OK signal émis par un pilote du réseau 40 0 = communication impossible 1 = communication correcte indiquant que la communication est correcte Le calculateur de supervision peut fonctionner selon différents états. Il peut notamment être réveillé ou endormi par le calculateur d'habitacle par le biais d'un ou plusieurs signaux transmis de ce calculateur d'habitacle au calculateur de supervision. Par exemple, un signal « K_WakeUpSleep_ve_req » émis par le calculateur d'habitacle sur le réseau 50 sert à réveiller le calculateur de supervision. Ce même signal peut être réémis par le calculateur de supervision sur le réseau 40, pour réveiller les éléments du système électrotechnique d'entraînement (tels que le calculateur de batterie, le calculateur de chargeur ou le calculateur du dispositif de pilotage du moteur). Le signal « K_BHVState_ets_req » est directement dépendant des états du calculateur de supervision et indique dans quelle mode la batterie doit fonctionner. Ainsi, on a une structure modulaire basée sur l'architecture de la figure 2 dans laquelle chaque élément (batterie, dispositif de pilotage du moteur, chargeur) a son propre calculateur et donc son propre superviseur (avec un nombre d'états et de transitions propres à chacun, mais formant un ensemble cohérent car ordonné par le calculateur de supervision). Le calculateur de batterie peut prendre 9 états (ou modes de fonctionnement) représentés à la figure 3, énumérés ci-dessous et traduits par la variable BMS_State'. Noms des états Description MS\REN223FR.dpt Sleep Etat endormi - Le calculateur de batterie consomme une énergie minimale. Initialization État de calculs de certaines variables qui ne peuvent être faits que lorsque aucune énergie n'est consommée (notamment la tension à vide). Waiting HVOn Etat d'attente de la connexion des relais de puissance permettant de relier électriquement la batterie au reste du véhicule. Driving Etat de roulage du véhicule (il se produit majoritairement une décharge de la batterie). Slow Charge Etat de charge lente de la batterie par exemple à une puissance inférieure à 6kW. Quick Charge Etat de charge rapide de la batterie par exemple à une puissance supérieure à 6kW. WaitHV Off Etat d'attente de la déconnexion des relais. WaitingSleepReq Etat d'attente d'une demande de mise en veille. Memo Etat transitoire dans lequel le calculateur de batterie réalise différentes mémorisations avant son passage à l'état endormi Sleep (sauvegarde d'un journal, sauvegarde d'un indicateur d'énergie restante stockée dans la batterie, d'un indicateur de L'état de santé de la batterie (pour l'aspect énergie). Par ailleurs, une temporisation (par exemple d'une minute au total) permet au calculateur de batterie d'être sûr que la mesure de tension au démarrage correspond à une mesure à vide pertinente. Ces différents états correspondent à différents modes de fonctionnement de la batterie. MS\REN223FR.dpt Les différentes transitions entre ces différents états sont décrites ci-après et représentées à la figure 3. Les conditions de ces transitions sont également décrites. Une séquence de démarrage est constituée par les transitions suivantes : transition du mode de fonctionnement Sleep au mode de fonctionnement Initialization, puis transition du mode de fonctionnement Initialization au mode de fonctionnement Waiting HVOn. Le passage du mode de fonctionnement Sleep au mode de fonctionnement Initialization se fait lorsque le calculateur de batterie reçoit un ordre de réveil. Cet ordre de réveil consiste par exemple directement en un signal circulant sur le réseau 40. Condition de transition du mode de fonctionnement Sleep au mode de fonctionnement Initialization: L'équation logique est basée sur deux signaux reçus par le calculateur de batterie, du calculateur de supervision, via le réseau: [ K_WakeUpSleep_ve_req==C_K_BCM_WakeUp_req ET K_BHVState_ets_req==BHVMode_NoRequest_Request] Cela signifie que le calculateur de supervision demande le réveil du calculateur de batterie et le mode de fonctionnement demandé est un mode de fonctionnement d'attente. Le mode de fonctionnement Initialization est un mode de fonctionnement d'initialisation dans lequel sont faits certains traitements (notamment la mesure de la tension à vide qui permet d'évaluer l'état de charge de la batterie). Ce mode de fonctionnement est un mode « transitoire », on sort de cet état lorsque les initialisations sont terminées. La transition entre le mode MS\REN223FR.dpt de fonctionnement Initialization et le mode de fonctionnement Waiting HVOn a lieu à la fin d'une temporisation. Le mode de fonctionnement Waiting HVOn correspond à un état d'attente : lorsque les initialisations de réveil se sont bien déroulées la batterie est prête à être utilisée dans un mode de fonctionnement actif, c'est-à-dire un mode de fonctionnement de charge ou un mode de fonctionnement de décharge correspondant à une phase de roulage du véhicule ou un mode de fonctionnement de transition vers un mode de fonctionnement passif. A partir du mode de fonctionnement Waiting HVOn, la batterie peut passer dans un des modes de fonctionnement actifs suivants (Slow Charge Quick Charge ou Driving). On décrit ci-après la transition en mode Slow Charge, sachant que les transitions vers les modes Quick Charge ou Driving sont basées sur le même principe (seule la valeur du signal K BHVState ets req change). Pour cette transition, trois conditions sont nécessaires : La communication sur le réseau fonctionne correctement, ET les relais sont dans un état passant, ET le calculateur de supervision a donné l'ordre de faire passer la batterie en mode Slow Charge. Ceci s'écrit : CAN_rct_OK == 1 ET (K_HVConnection_ets_status==HV_Connected ET (K_BHVState_ets_req==BHVMode_SlowCharge_Request) MS\REN223FR.dpt30 Transition du mode de fonctionnement Slow Charge au mode de fonctionnement Waiting_HV_Off: La sortie du mode Slow Charge est réalisée dès que le calculateur de supervision ne donne plus l'ordre de rester en mode de fonctionnement 5 Slow Charge: Le mode de fonctionnement Waiting_HV_Off correspond à un état d'attente dans lequel les relais sont encore fermés (la haute tension est encore présente sur le réseau haute tension du véhicule et notamment dans le dispositif de pilotage du moteur électrique). 10 Les conditions de transition sont les suivantes : La communication sur le réseau fonctionne correctement, ET le calculateur de supervision ne donne plus l'ordre de rester dans le mode de fonctionnement Slow Charge. 15 Ceci s'écrit : CAN_rct_OK == 1 ET K_BHVState_ets_req==BHVMode_NoRequest_Request) 20 La transition du mode de fonctionnement Waiting_HV_Off au mode de fonctionnement WaitingSleepReq permet à la batterie et au calculateur de batterie de sortir des modes de fonctionnement actifs. La sortie du mode de fonctionnement Waiting_HV_Off se fait dès que les relais sont effectivement ouverts (cette information est envoyée par le 25 calculateur de supervision (K_HVConnection_ets_status), car le calculateur de supervision est en mesure de déterminer l'état des relais). Condition : La communication sur le réseau fonctionne correctement, ET 30 les relais de puissance sont ouverts. Ceci s'écrit : MS\REN223FR.dpt CAN_rct_OK == 1 ET K_HVConnection_ets_status==HV_Open Transition du mode de fonctionnement WaitingSleepReq au mode de fonctionnement Memo : Le mode de fonctionnement Memo correspond à un mode de fonctionnement de mémorisations (en effet, avant la mise en veille ou l'endormissement du mode de fonctionnement Sleep, certaines données ont besoin d'être mesurées et sauvegardées en mémoire non volatile). Condition : La communication sur le réseau fonctionne correctement, ET le calculateur de supervision a demandé une mise en veille. Ceci s'écrit : CAN_rct_OK == 1 ET K_WakeUpSleep_ve_req==C_K_BCM_GoToSleep_req Transition du mode de fonctionnement Memo au mode de fonctionnement Sleep: La transition vers le mode de fonctionnement Sleep se fait dès que les mémorisations sont terminées. Alternativement, la transition vers le mode de fonctionnement Sleep peut être réalisée à l'issue d'une temporisation. Dans toute cette séquence, comme on a pu le voir, le calculateur de supervision est maître du déroulement des transitions : le calculateur de supervision fait passer le calculateur de batterie, et par conséquent la batterie, d'un mode de fonctionnement à un autre, en fonction des besoins du véhicule et de l'état réel des relais. La seule exception concerne le signal BMS_RefusetoSleep' qui est émis par le calculateur de batterie et qui peut MS\REN223FR.dpt demander à ne pas être endormi (si par exemple, il n'a pas terminé ses mémorisations). Le calculateur de supervision et le calculateur de batterie comprennent des moyens matériels et/ou logiciels de mise en oeuvre du procédé de fonctionnement objet de l'invention. En particulier, les moyens logiciels peuvent comprendre des programmes d'ordinateur implantés dans le calculateur de supervision et/ou dans le calculateur de batterie. MS\REN223FR.dpt REVENDICATIONS: 1. Procédé de fonctionnement d'une architecture électrique (70) d'un véhicule automobile, l'architecture électrique comprenant un calculateur maître (20) et un ensemble de calculateurs esclaves (16, 17, 18, 60), caractérisé en ce que le calculateur maître supervise le fonctionnement d'un calculateur (16) de batterie pilotant le fonctionnement d'une batterie (11a) de stockage d'énergie électrique destinée à l'entraînement du véhicule automobile. 2. Procédé de fonctionnement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le calculateur maître (20) commande, en fonction des modes de fonctionnement du véhicule automobile, via le calculateur (16) de batterie, des transitions de modes de fonctionnement de la batterie (11a), notamment onze transitions de modes de fonctionnement de la batterie. 3. Procédé de fonctionnement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le calculateur (16) de batterie peut interdire une transition de mode de fonctionnement de la batterie commandée par le calculateur maître (20). 4. Procédé de fonctionnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le calculateur (16) de batterie pilote le fonctionnement de la batterie (11a) selon différents modes de fonctionnement, en particulier neuf modes de fonctionnement. 5. Procédé de fonctionnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le calculateur (16) de batterie pilote le fonctionnement de la batterie selon au moins deux modes de fonctionnement actifs (Driving, Slow Charge, Quick Charge) MS\REN223FR.dptcorrespondant respectivement à un mode de fonctionnement de recharge de la batterie et à un mode de fonctionnement de décharge globale de la batterie, ce mode de fonctionnement de décharge globale de la batterie correspondant à un mode de roulage du véhicule automobile. 6. Procédé de fonctionnement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le calculateur (16) de batterie pilote le fonctionnement de la batterie (11a) selon au moins deux modes de fonctionnement de recharge de la batterie, notamment un mode de fonctionnement de recharge lente (Slow Charge) et un mode de fonctionnement de recharge rapide (Quick Charge). 7. Procédé de fonctionnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le calculateur maître (20) pilote des relais de puissance (11b) permettant de relier électriquement la batterie (11a) au reste (12, 13) du véhicule automobile. 8. Procédé de fonctionnement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le calculateur maître (20) informe le calculateur (16) de batterie de l'état des relais de puissance (11b). 9. Support d'enregistrement de données lisible par un calculateur sur lequel est enregistré un programme d'ordinateur comprenant des moyens logiciels de mise en oeuvre des étapes du procédé selon l'une des revendications précédentes. 10. Architecture électrique (70) d'un véhicule automobile comprenant un calculateur maître (20) et un ensemble de calculateurs esclaves (16, 17, 18, 60), caractérisée en ce que le calculateur maître comprend des moyens de supervision du fonctionnement d'un calculateur de batterie MS\REN223FR.dptpilotant le fonctionnement d'une batterie (11a) de stockage d'énergie électrique destinée à l'entraînement du véhicule automobile. 11. Architecture électrique selon la revendication 10, caractérisée en ce que le calculateur maître et/ou le calculateur de batterie comprend des moyens matériels et/ou logiciels de mise en oeuvre du procédé de fonctionnement selon l'une des revendications 1 à 8. 12. Véhicule automobile, en particulier véhicule automobile électrique, comprenant une architecture électrique selon l'une des revendications 10 à 11. MS\REN223FR.dpt