Brevet FR3112105A1 — publié le 20220107

L’invention concerne un procédé de régulation thermique d’une batterie de traction d’un véhicule électrique ou hybride en charge, ladite batterie étant équipée d’un circuit de refroidissement couplé à un système de climatisation du véhicule apte à être utilisé pour le refroidissement de l’habitacle du véhicule et pour le refroidissement de la batterie, dans lequel la demande en puissance de refroidissement pour le refroidissement de l’habitacle est prioritaire sur la demande en puissance de refroidissement pour le refroidissement de la batterie, ledit procédé comprenant une étape de détermination de la puissance de refroidissement résiduelle allouée au refroidissement de la batterie compte tenu de la puissance de refroidissement allouée au refroidissement de l’habitacle et une étape de pilotage du courant de charge de la batterie en fonction de ladite puissance de refroidissement résiduelle, de façon à réguler la température de la batterie en fin de charge selon une température cible prédéterminée. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 1 Procédé de régulation de la température d’une batterie de traction d’un véhicule électrique en charge L’invention concerne un procédé de régulation thermique d’une batterie de stockage d’énergie électrique rechargeable, notamment d’une batterie de traction d’un véhicule électrique ou hybride rechargeable, ladite batterie étant équipée d’un circuit de refroidissement couplé à un système de climatisation du véhicule utilisé à la fois pour le refroidissement de l’habitacle du véhicule et pour le refroidissement de la batterie. Dans les véhicules électriques ou hybrides rechargeables, il est nécessaire de refroidir les différents éléments de la chaîne de traction électrique, en particulier la batterie haute capacité, dite batterie de traction, capable de fournir la puissance électrique pour l’entraînement du véhicule. II est connu d’utiliser un circuit de refroidissement pour le refroidissement de la batterie. Dans le cas d’un circuit de refroidissement de la batterie couplé au système de climatisation du véhicule, la batterie est refroidie directement ou indirectement via le système de climatisation du véhicule, qui est donc utilisé à la fois pour le refroidissement de l’habitacle du véhicule et le refroidissement de la batterie. Le dimensionnement des composants du système de climatisation du véhicule en termes de capacité de refroidissement est donc normalement conçu pour fournir la puissance frigorifique nécessaire à la climatisation de l’habitacle et au contrôle de la température de la batterie. Toutefois, afin d’éviter un surdimensionnement des composants du système de climatisation du véhicule, une gestion des priorités de refroidissement est instaurée. Ainsi, dans certains cas, il peut arriver que le refroidissement de la batterie ne soit pas prioritaire par rapport à la demande de refroidissement de l’habitacle et soit limité à la capacité de refroidissement résiduelle du système de climatisation du véhicule non exploitée pour cette demande. La capacité de refroidissement du système de climatisation du véhicule étant généralement prioritairement dévolu au refroidissement de l’habitacle dans la mesure où le confort de l’habitacle est primordial dans la perception client, il est nécessaire, dans ce contexte, de limiter les besoins en refroidissement de la batterie et donc son échauffement, pour éviter d’éventuelles pertes de puissance de la batterie dues à la production d’une chaleur excessive. Dans le contexte de l’augmentation des puissances de charge, un cas de sollicitation thermique importante pour la batterie est la charge rapide, dite « charge DC ». Le véhicule électrique est branché sur un chargeur externe de type borne de recharge rapide, délivrant du courant continu permettant la recharge de la batterie du véhicule. La charge rapide se traduit par une forte puissance en courant continu, par exemple au moins 50 kW, qui permet avantageusement une charge plus rapide qu’une charge sur un réseau électrique domestique par exemple, typiquement d’une durée de l’ordre de 30 à 60 mn. Ce type de charge entraîne un échauffement plus important de la batterie, alors que le potentiel de refroidissement est limité, du fait que le véhicule est à l’arrêt avec une vitesse nulle. Aussi, pour cette technologie de charge rapide, les pertes de puissance par dissipation thermique générées dans la batterie se heurtent à la capacité de refroidissement du système de climatisation du véhicule, qui ne suffit plus. En particulier, pendant une charge rapide, avec une demande de refroidissement de l’habitacle prioritaire, la stratégie de charge va maximiser la charge de la batterie indépendamment de la puissance de refroidissement disponible jusqu’à l’activation d’une stratégie de limitation préventive de la batterie, lorsque la puissance électrique courante absorbée par la batterie induit une élévation de température de la batterie au-delà d’un seuil donné. Une fois la stratégie de limitation préventive de la batterie activée, la température de la batterie se stabilisera alors dans une zone où la puissance de décharge de la batterie est supérieure à un seuil pour assurer de bonnes performances lors de la prochaine mission. Ainsi, si les conditions restent inchangées au court de la charge, le prochain roulage s’effectuera avec une température de batterie, qui assurera de bonnes performances du véhicule en début de roulage. On connaît du document US2018361872 un système de gestion thermique d’une batterie de traction d’un véhicule automobile électrique dans lequel la batterie est chargée en utilisant un dispositif de charge rapide. Pendant cette opération de charge rapide, on spécifie une quantité d’énergie à recharger au niveau du dispositif de charge rapide, on détermine un échauffement de la batterie à prévoir en fonction de la capacité de charge, en prenant en compte un temps de charge maximum à partir de la quantité d'énergie à recharger, et on détermine une température de démarrage pour la charge de la batterie de telle manière que, après l’opération de charge, la température de la batterie ne dépasse pas une limite supérieure de température de fonctionnement de la batterie. La température de fonctionnement de la batterie est déterminée durant le roulage du véhicule et, dans le cas où cette température de fonctionnement de la batterie est plus élevée que la température de démarrage déterminée pour le chargement de la batterie, on commande, pendant le roulage, un refroidissement de de la batterie jusqu’à la température de démarrage . Autrement dit, ce système propose de mettre en œuvre un pré-conditionnement thermique de la batterie, en anticipation d’une opération de charge rapide, en la refroidissant pour s’assurer qu’à la fin de l’opération de charge rapide, la température de la batterie ne dépasse pas la limite supérieure de température prédéfinie. La stratégie mise en œuvre ici opère donc durant le roulage, en utilisant le surplus disponible de capacité de refroidissement du système de climatisation. Cependant, cette stratégie de gestion thermique de la batterie comporte plusieurs limitations. En premier lieu, si l’opération de charge de la batterie doit être mise en œuvre rapidement, il existe un risque de ne pas pouvoir ramener la température de la batterie à la température de démarrage souhaitée. De surcroît, si le système de climatisation du véhicule est trop sollicité pour la climatisation de l’habitacle, il se peut que la capacité de refroidissement résiduelle soit insuffisante pour appliquer correctement la stratégie. Dans ces conditions, il peut s’avérer avantageux de ne pas utiliser le plein potentiel de la puissance de charge afin de limiter l’échauffement de la batterie tout en assurant la maximisation de l’énergie chargée. Ainsi, sur une charge de 30 minutes à 80 kW au lieu de 130 kW lorsque l’habitacle utilise toute la puissance de refroidissement, la demanderesse a pu mesurer un gain final de l’ordre de 3 kW, soit un gain de l’ordre de 5% sur l’état de charge selon le type de batterie. Aussi, un but de l’invention est de proposer un procédé de régulation thermique d’une batterie de traction permettant de limiter l’échauffement de la batterie pendant une opération de charge rapide de la batterie dans l’optique de fournir la meilleure charge possible tout en assurant de bonnes performances au prochain démarrage. A cette fin, l’invention concerne un procédé de régulation thermique d’une batterie de traction d’un véhicule électrique ou hybride en charge, ladite batterie étant équipée d’un circuit de refroidissement couplé à un système de climatisation du véhicule apte à être utilisé pour le refroidissement de l’habitacle du véhicule et pour le refroidissement de la batterie, dans lequel la demande en puissance de refroidissement du système de climatisation pour le refroidissement de l’habitacle est prioritaire sur la demande en puissance de refroidissement du système de climatisation pour le refroidissement de la batterie, ledit procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend une étape de détermination de la puissance de refroidissement résiduelle du système de climatisation allouée au refroidissement de la batterie compte tenu de la puissance de refroidissement du système de climatisation allouée au refroidissement de l’habitacle et une étape de pilotage du courant de charge de la batterie en fonction de ladite puissance de refroidissement résiduelle, de façon à réguler la température de la batterie en fin de charge selon une température cible prédéterminée. Avantageusement, l’étape de pilotage du courant de charge comprend une première phase de charge de la batterie jusqu’à ce que la température de la batterie approche, à un seuil prédéterminé près, la température cible prédéterminée et, lorsque la température de la batterie approche ladite température cible prédéterminée, une seconde phase où le courant de charge est limité à une valeur imposée par la régulation de la température de la batterie à ladite température cible prédéterminée. Avantageusement, la régulation de la température de la batterie inclut l’estimation de la puissance thermique dissipée par la batterie par l’utilisation d’un modèle des échanges thermiques entre la batterie et son environnement, le courant de charge étant limité la valeur maximale de courant pour lequel l’équilibre thermique de la batterie s’établit selon ledit modèle pour ladite température cible de batterie prédéterminée. Avantageusement, le modèle des échanges thermiques exprime l’évolution de la température de la batterie en fonction du courant de charge, en tenant compte des résistances thermiques entre la batterie et son environnement. Avantageusement, le modèle des échanges thermiques inclut la résistance thermique du fluide caloporteur circulant dans le circuit de refroidissement, la résistance thermique des pertes à l’air et la résistance thermique de la batterie elle-même. Avantageusement, le circuit de refroidissement étant agencé dans une semelle métallique supportant la batterie, un coussin thermique étant disposé entre la batterie et la semelle, le modèle des échanges thermiques inclut la résistance thermique du coussin. Avantageusement, ladite température cible prédéterminée correspond à la température maximale de la batterie permettant d’atteindre les performances nominales de la batterie en décharge. D'autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : est un schéma bloc fonctionnel illustrant un mode de mise en œuvre du procédé de l’invention ; est une représentation schématique d’une modélisation thermique d’un pack de batterie ; est un schéma bloc fonctionnel illustrant le principe de recherche du courant maximal permettant d’optimiser la charge sur une durée fixe. Un pack de batterie comporte classiquement au moins une batterie comprenant une pluralité de modules d’accumulateurs, comportant chacun une pluralité de cellules, par exemple des cellules li-ion. Pour son conditionnement thermique, la batterie est équipée d’un circuit de refroidissement pour la circulation d’un fluide caloporteur, de l’eau par exemple, dans des canaux de refroidissement agencés dans le corps d’une semelle métallique, par exemple en aluminium, supportant la batterie. La batterie peut être disposée sur la semelle par l’intermédiaire d’un coussin thermique ou « thermal pad » selon une terminologie anglo-saxonne. Le coussin thermique permet d’assurer une meilleure jonction thermique entre la batterie et la semelle métallique sur laquelle elle repose pour son conditionnement thermique. Le système de climatisation de l’habitacle du véhicule, qui comporte un circuit fermé de climatisation dans lequel circule un fluide frigorigène, est apte à refroidir le fluide caloporteur du circuit de refroidissement de la batterie. Le circuit de refroidissement de la batterie est par exemple relié à un échangeur de chaleur destiné à être relié au système de climatisation du véhicule. Le système de climatisation du véhicule peut être commandé de manière qu’il refroidisse le fluide caloporteur en fonction de l’état de sollicitation de la batterie et du besoin de refroidissement de la batterie qui en découle. Ainsi, le système de climatisation est utilisé à la fois pour le refroidissement de l’habitacle du véhicule et le refroidissement de la batterie. Comme illustré à la figure 1, le système de régulation thermique de l’invention comprend un module d’arbitrage 10 prévu pour arbitrer entre une demande en puissance de refroidissement du système de climatisation pour le refroidissement de l’habitacle et une demande en puissance de refroidissement du système de climatisation pour le refroidissement de la batterie, pendant une opération de charge de la batterie, selon la technologie de charge rapide. Dans le cas où une demande en puissance de refroidissement du système de climatisation est requise à la fois pour le refroidissement de la batterie et pour le refroidissement de l’habitacle, le module d’arbitrage 10 va réaliser un arbitrage en fonction d’une priorité donnée au refroidissement de l’habitacle par rapport au refroidissement de la batterie. Ainsi, la stratégie de régulation thermique de la batterie va être activée lorsque la demande de refroidissement de la batterie n’est pas prioritaire sur la demande en refroidissement de l’habitacle. En effet, dans ces conditions, le circuit de refroidissement de la batterie présente des performances de refroidissement qui sont limitées au potentiel résiduel de refroidissement non exploité du système de climatisation, compte tenu de la puissance de refroidissement du système de climatisation allouée prioritairement au refroidissement de l’habitacle. Dans ces conditions de performances de refroidissement limitées, le module d’arbitrage 10 est conçu pour activer un module 12 de limitation de la puissance de charge de la batterie, destiné mettre en œuvre la stratégie de régulation thermique de la batterie, qui vise à permettre de recalculer la puissance de charge autorisée durant l’opération de charge rapide afin de fournir une puissance de charge limitée à même d’assurer que les performances de traction ne soient pas impactées lors du prochain roulage. Ainsi, durant l’opération de charge rapide, la stratégie de gestion thermique de la batterie selon l’invention va reposer sur une estimation de la puissance thermique maximale pouvant être dissipée par la batterie dans les conditions données de l’opération de charge rapide, en particulier de température ambiante et de capacité de refroidissement du circuit de refroidissement de la batterie, afin de limiter la puissance de charge de sorte à éviter une élévation de la température de la batterie au terme de l’opération de charge induisant une limitation de puissance de la batterie en décharge lors du prochain roulage. Le module 12 de limitation de la puissance de charge de la batterie reçoit en entrée une valeur de puissance de charge maximale autorisée pendant l’opération de charge rapide Pmax_Charge, déterminée par un module 14 de calcul de la puissance de charge, apte à calculer la puissance de charge maximale autorisée en fonction de la tension cellule maximale, des températures de batterie minimale et maximale autorisées, de l’état de charge de la batterie et de la résistance interne de la batterie. Le module 12 de limitation de la puissance de charge reçoit par ailleurs des informations de température relatives à la température du fluide caloporteur en entrée du circuit de refroidissement de la batterie T coolant_inlet et à la température de l’air ambiant T ext . Le module 12 de limitation de la puissance de charge de la batterie est conçu pour calculer une valeur limitée de la puissance de charge Pmax_Charge_limitée , de façon à réguler la température de la batterie en fin de charge selon une température cible prédéterminée Température_batterie_cible. Cette température cible de la batterie varie en fonction du type de batterie, mais correspond à la température maximale de la batterie permettant les performances nominales de la batterie en décharge. Cette température est donc la limite autour de laquelle la température de la batterie sera régulée. Afin de pouvoir réguler la température de la batterie, il est nécessaire de pouvoir estimer en temps réel la puissance thermique dissipée par la batterie par les échanges avec « l’extérieur ». Cette estimation est effectuée par utilisation d’un modèle des échanges thermiques entre la batterie et son environnement et, en particulier, entre la batterie et le fluide caloporteur du circuit de refroidissement de la batterie et entre la batterie et l’air ambiant. La figure 2 illustre cette modélisation thermique du pack de batterie. Le modèle des échanges thermiques de la batterie est basé sur les résistances thermiques respectives des modules du pack de batterie et du coussin thermique, notée Rth module+pad , du fluide caloporteur, notée Rth water et des pertes à l’air, notée Rth loss , qui peuvent être caractérisées par essais. Il prend également en compte la température maximale mesurée de la batterie T cell =T, la température du carter de la batterie T casing , la température de l’air ambiant T ext , la température du fluide caloporteur en entrée du circuit de refroidissement T coolant_inlet et le débit du fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement Mass_flow. Pour un courant de charge donné I traversant la batterie, le modèle des échanges thermiques entre la batterie et le fluide caloporteur et l’air ambiant comporte les équations suivantes, permettant de déterminer la variation de température de la batterie : (1) Dans l’équation (1), M est la masse de la batterie, Cp est la chaleur spécifique de la batterie, MCp désignant alors la capacité thermique de la batterie, et R est la résistance électrique interne de la batterie. (2) L’équation (2) ci-dessus permet de déterminer l’expression de T casing en fonction de paramètres qui sont connus, soit qu’ils soient mesurés sur le véhicule (température de batterie, température de l’air ambiant, température/débit du fluide caloporteur), soit qu’ils soient caractérisés en amont par des essais (résistances thermiques des modules et du coussin thermique, du fluide caloporteur et des pertes à l’air) : (3) En injectant l’équation (3) dans l’équation (1) ci-dessus, on obtient l’équation différentielle de l’évolution de la température de la batterie en fonction du courant de charge I. Ainsi en limitant le courant de charge, il est possible de réguler la température de la batterie autour de la température cible choisi Température_batterie_cible. Le courant permettant l’équilibre thermique de la batterie est alors donné par la formule suivante : (4) Ainsi, lorsque la température de la batterie approchera la température cible de régulation choisie à un seuil prédéterminé près, on limite le courant de charge à la valeur Imax, calculé à travers l’équation (4). Grâce à la prise en compte du seuil prédéterminé à l’approche de la température cible, la régulation de température par la limitation du courant de charge à la valeur Imax débutera avant l’atteinte de la température cible choisi, de façon à prendre en compte l’inertie de la batterie et ainsi éviter de converger vers une valeur supérieure à la température cible de régulation. Le système repose en effet sur la mesure de la température de la batterie. Compte tenu de l’inertie thermique très importante de la batterie, des performances de refroidissement limitées et de la forte puissance thermique générée lors de la charge rapide de la batterie, l’évolution de la température de la batterie peut s’avérer être sinon difficilement contrôlable. Le tableau 1 suivant montre l’influence de la diminution de la puissance de charge sur la capacité chargée sur une durée de charge de 1h. La charge se décompose en deux phases, respectivement une première phase à iso courant de charge traversant la batterie, jusqu’à ce que la température de la batterie atteigne la température cible de régulation et une seconde phase à iso température de la batterie, qui impose donc le courant de charge à la valeur Imax calculée selon l’équation (4) ci-dessus, pour réguler la température de la batterie autour de la température cible de régulation Température_batterie_cible. Les résultats de simulation du tableau 1 ci-dessous ont été obtenus avec des conditions initiales de température de 35°C, respectivement pour les températures du fluide caloporteur, de l’air ambiant et de la batterie et une température cible de régulation égale à 45°C. [Tab 1] Il apparaît qu’il est plus intéressant de limiter la puissance de charge au début de l’opération de charge rapide, pour ne pas converger trop vite vers la température cible de régulation. En effet, les pertes par effet Joule étant proportionnelles au courant au carré, il n’est plus avantageux d’utiliser le plein potentiel de la batterie dès le début, lorsque les performances de refroidissement sont limitées comme dans le cas présent. Au contraire, il est plus avantageux de charger moins fort pour limiter le terme de pertes par effet joule pour limiter le gradient de température de la batterie et arriver à maintenir de fortes puissances de charge plus longtemps. la figure 3 illustre le principe de détermination du courant de charge maximal permettant d’optimiser la capacité chargée sur une durée fixe, par exemple 1h. Ainsi, un module 20 de calcul est apte à calculer des données de simulation de l’énergie totale chargée dans la batterie sur cette durée fixe pour des courants différents, respectivement 100 A, 150 A, 200 A, 250 A, 300 A, 350 A, pour des températures données du fluide caloporteur T coolant_inlet et de l’air ambiant T ext . A partir de ces données de simulation, un module de recherche 30 est apte à effectuer une recherche, par interpolation, de la valeur d’optimum global pour le courant maximal sur la charge pour la durée de charge fixe. procédé de régulation thermique d’une batterie de traction d’un véhicule électrique ou hybride en charge, ladite batterie étant équipée d’un circuit de refroidissement couplé à un système de climatisation du véhicule apte à être utilisé pour le refroidissement de l’habitacle du véhicule et pour le refroidissement de la batterie, dans lequel la demande en puissance de refroidissement du système de climatisation pour le refroidissement de l’habitacle est prioritaire sur la demande en puissance de refroidissement du système de climatisation pour le refroidissement de la batterie, ledit procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend une étape de détermination de la puissance de refroidissement résiduelle du système de climatisation allouée au refroidissement de la batterie compte tenu de la puissance de refroidissement du système de climatisation allouée au refroidissement de l’habitacle et une étape de pilotage du courant de charge de la batterie en fonction de ladite puissance de refroidissement résiduelle, de façon à réguler la température de la batterie en fin de charge selon une température cible prédéterminée Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’étape de pilotage du courant de charge comprend une première phase de charge de la batterie jusqu’à ce que la température de la batterie approche, à un seuil prédéterminé près, la température cible prédéterminée et, lorsque la température de la batterie approche ladite température cible prédéterminée, une seconde phase où le courant de charge est limité à une valeur imposée par la régulation de la température de la batterie à ladite température cible prédéterminée. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la régulation de la température de la batterie inclut l’estimation de la puissance thermique dissipée par la batterie par l’utilisation d’un modèle des échanges thermiques entre la batterie et son environnement, le courant de charge étant limité la valeur maximale de courant pour lequel l’équilibre thermique de la batterie s’établit selon ledit modèle pour ladite température cible de batterie prédéterminée. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le modèle des échanges thermiques exprime l’évolution de la température de la batterie en fonction du courant de charge, en tenant compte des résistances thermiques entre la batterie et son environnement. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le modèle des échanges thermiques inclut la résistance thermique du fluide caloporteur circulant dans le circuit de refroidissement, la résistance thermique des pertes à l’air et la résistance thermique de la batterie elle-même. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, le circuit de refroidissement étant agencé dans une semelle métallique supportant la batterie, un coussin thermique étant disposé entre la batterie et la semelle, le modèle des échanges thermiques inclut la résistance thermique du coussin. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite température cible prédéterminée correspond à la température maximale de la batterie permettant d’atteindre les performances nominales de la batterie en décharge.