Brevet FR3102019A1 — publié le 20210416

L’invention concerne un équipement d’équilibrage (10) d’un réseau comportant : une entrée de réseau (11) pour détecter les besoins d’équilibrage ; un transformateur (21) comportant un premier enroulement connecté en sortie de ladite entrée de réseau ; un onduleur (15) connecté sur un second enroulement dudit transformateur (14) ; un ensemble de batteries (17) connectées sur ledit onduleur ; un organe de supervision (22) configuré pour activer ledit onduleur et assurer la charge ou la décharge desdites batteries lorsqu’un déséquilibre est mesuré ; et un convertisseur de tension (23) connecté en entrée sur ladite tension continue et en sortie sur au moins une prise de recharge (24) d’un véhicule électrique ou hybride ; ledit organe de supervision étant configuré pour activer ledit convertisseur de tension lorsqu’un besoin de charge est détecté sur ladite prise de recharge et que les besoins d’injection sur le réseau sont inférieurs à une valeur seuil. Figure pour abrégé : Fig. 4 DISPOSITIF DE RECHARGE RAPIDE D’UN VEHICULE AUTOMOBILE L’invention concerne le domaine des dispositifs de recharge de véhicules automobiles, tels qu’une voiture ou un bus électrique ou hybride. Ces dispositifs de recharge sont également appelés « bornes de recharge » et peuvent être implantés dans divers endroits, tels que les parkings privés, les parkings publics de magasins ou de restaurants par exemple. L’invention vise plus particulièrement une borne de recharge dite « rapide ». Art antérieur Le développement des véhicules électriques ou hybrides s’accompagne naturellement d’un développement des solutions de recharge de ces véhicules. Un des points bloquant le développement de l’usage des véhicules uniquement électriques est le temps de recharge de ces véhicules. En effet, ce temps de recharge est bien supérieur à celui nécessaire pour faire le plein de carburant d’un véhicule thermique. Ainsi, pour parcourir des longues distances, un conducteur utilise plus facilement un véhicule thermique ou hybride qu’un véhicule uniquement électrique. La recharge d’un véhicule électrique (ou hybride) est réalisée en rechargeant une ou plusieurs batteries connectées sur le réseau électrique du véhicule. Pour ce faire, l’énergie électrique est classiquement consommée sur un réseau électrique présentant une tension alternative. La borne de recharge a pour fonction de transformer la tension alternative du réseau à un niveau de tension adapté à la batterie et de transformer la tension alternative en une tension continue. Une borne de recharge classique est connectée à un réseau électrique fonctionnant en 220V alternatif et elle comporte une entrée de réseau connectée à un transformateur abaissant la tension alternative à un niveau de l’ordre de 50V relié à un convertisseur alternatif/continu connecté à une prise de charge du véhicule électrique. Avec ce type de bornes de recharge largement démocratisées, une recharge complète d’un véhicule électrique prend typiquement 8 à 12 heures. Cependant, le soutirage réalisé par plusieurs bornes de recharge sur un réseau peut entrainer des dégradations au niveau des performances du réseau. En effet, dans un réseau électrique, la consommation doit toujours être équilibrée avec la production au risque de faire varier les caractéristiques du réseau, notamment sa fréquence. Pour ce faire, le gestionnaire du réseau peut utiliser des réserves primaires, secondaires et tertiaires, qui interviennent à des échelles de temps et de puissance différentes. Par exemple, la réserve primaire présente un délai d’action inférieur à 30 secondes, la réserve secondaire présente un délai d’action inférieur à 15 min et la réserve tertiaire présente un délai d’action de 30 min. Ainsi, lorsqu’un déséquilibre est constaté, les réserves primaires s’activent automatiquement en fonction des écarts de fréquence mesurés entre le réseau et un signal de référence élaboré par le gestionnaire de réseau de transport. En effet, lorsqu’un déséquilibre se produit entre la production et la consommation, la fréquence du réseau s’écarte du niveau requis de 50 Hz et cet écart active la réserve primaire des entités participant à cette réserve primaire. Chacune de ces entités doit augmenter sa puissance d’injection si la fréquence est inférieure à 50 Hz ou diminuer sa puissance d’injection voire soutirer du courant, si la fréquence est supérieure à 50 Hz. Un nouveau point d’équilibre entre la production et la consommation est ainsi obtenu sur le réseau. Pour obtenir la réactivité nécessaire, la réserve primaire comporte des entités de réserve connectées sur le réseau haute tension ou le réseau moyenne tension. En effet, un réseau de transport d’énergie électrique est classiquement structuré avec plusieurs niveaux de tension, par exemple des lignes haute-tension transportent le courant avec une tension entre 50kV et 400kV, des lignes moyenne-tension avec une tension entre 1kV et 50kV et des lignes basse-tension avec une tension de 220V. Ces lignes sont interconnectées avec des postes de transformation disposés entre les différents types de lignes. Un équipement utilisant des batteries pour participer en tant qu’entité de réserve à la réserve primaire comporte classiquement un ensemble de batteries de très forte capacité chargées à moitié de leur capacité pour pourvoir, le cas échéant, injecter ou soutirer de la puissance sur le réseau. De même, cet équipement participe au réglage de tension suivant le cahier des charges du gestionnaire de réseau, en injectant ou soutirant de la puissance réactive. La réserve primaire doit être dimensionnée pour injecter ou restituer une part non négligeable de la production et de la consommation du réseau. En Europe, l’ensemble des entités de réserve formant la réserve primaire représentent une capacité de 3000MW, soit la puissance de production des deux plus gros réacteurs nucléaires en service. Pour obtenir cette puissance totale, chaque entité de réserve doit être dimensionnée pour présenter une capacité d’au moins 1 MW. Plus précisément, tel qu’illustré sur la figure 1, un équipement d’équilibrage 100 à batteries 17 comporte une entrée de réseau 11 intégrant des organes de protection 12 du réseau haute-tension ou moyenne-tension et des organes de mesure 13 des performances du réseau pour détecter les besoins d’équilibrage en puissance et en tension. Cette entrée de réseau est connectée à un transformateur 14 abaissant la tension. Par exemple, lorsque l’équipement d’équilibrage est connecté sur le réseau moyenne-tension, le transformateur peut être configuré pour transformer une tension alternative de 20kV en une tension alternative de 450V. La sortie du transformateur 14 est connectée à un onduleur 15 configuré pour convertir la tension alternative en une tension continue alimentant un réseau 16 de batteries 17 . Un organe de supervision, non représenté, mesure les puissances active et réactive du réseau au cours du temps et commande la charge ou la décharge des batteries 17 pour compenser les déséquilibres du réseau. Pour limiter la puissance souscrite de raccordement de l’équipement au réseau, il est également connu des bornes de recharges 101 pour véhicules électriques intégrant une ou plusieurs batteries, tel qu’illustré sur la figure 2. Ce type de borne de recharge 101 intègre un transformateur 12 abaissant la tension alternative du réseau basse-tension suivi d’un convertisseur alternatif/continu 15 connecté à une batterie 17 et configuré pour adapter le niveau de tension à la batterie 17 . La sortie du convertisseur alternatif/continu 15 est également connectée à un second convertisseur continu/continu 18 connecté à une prise de charge du véhicule électrique et configuré pour adapter le niveau de tension au véhicule électrique. Lorsque la demande de puissance dépasse une valeur seuil, la batterie 17 est utilisée de sorte à limiter les contraintes qui seraient imposées au réseau. En outre, la batterie 17 peut être rechargée après la phase de charge d’un véhicule électrique. Bien que ce mode de réalisation limite la puissance instantanée soutirée sur le réseau, le temps de recharge n’est pas amélioré par rapport à une borne de recharge classique. Pour améliorer la vitesse de recharge, il est possible d’utiliser une borne de recharge directement connectée sur le réseau haute-tension ou sur le réseau moyenne-tension de sorte à pouvoir fournir une puissance maximale au véhicule électrique. Tel qu’illustré sur la figure 3, ce type de borne de recharge 102 intègre une entrée de réseau 11 intégrant des organes de protection 12 du réseau haute-tension ou moyenne-tension et un transformateur 14 abaissant la tension. La sortie du transformateur 14 est connectée à un onduleur 15 configuré pour convertir la tension alternative en une tension continue alimentant la prise de recharge du véhicule électrique. Avec ce type de borne de recharge, la recharge d’un véhicule électrique peut être réalisée en 20 min. Bien que cette solution soit efficace pour améliorer la vitesse de recharge d’un véhicule électrique, l’encombrement et le coût des organes de protection 12 nécessaires pour être autorisé à se raccorder sur le réseau haute-tension ou moyenne-tension sont prohibitifs pour le déploiement de ce type de bornes de recharge. Le problème technique de l’invention consiste donc à obtenir une borne de recharge rapide qui surmonte les inconvénients des dispositifs précédemment décrits. Pour répondre à ce problème technique, l’invention propose de modifier un équipement d’équilibrage formant une partie de la réserve primaire ou secondaire pour réaliser, en plus de la fonction d’équilibrage du réseau, une fonction de recharge d’un véhicule électrique ou hybride. Ainsi, les organes de de protection nécessaires pour être autorisé à se raccorder sur le réseau haute-tension ou moyenne-tension sont communs pour l’équipement d’équilibrage et la borne de recharge, ce qui limite le nombre de composants nécessaires à l’installation de la borne de recharge. Pour ce faire, un convertisseur de tension est connecté sur la tension continue alimentant le réseau de batteries de l’équipement d’équilibrage pour alimenter la prise de recharge du véhicule électrique avec le niveau de tension requis. A cet effet, selon un premier aspect, l’invention concerne un équipement d’équilibrage d’un réseau haute-tension ou moyenne-tension comportant : - une entrée de réseau intégrant des organes de protection dudit réseau et des organes de mesure des performances dudit réseau pour détecter les besoins d’équilibrage ; - un transformateur comportant un premier enroulement connecté en sortie de ladite entrée de réseau et configuré pour abaisser la tension dudit réseau ; - un onduleur connecté sur un second enroulement dudit transformateur et configuré pour transformer une tension alternative en une tension continue ; - un ensemble de batteries connectées sur ladite tension continue ; et - un organe de supervision configuré pour activer ledit onduleur et assurer la charge ou la décharge desdites batteries lorsqu’un déséquilibre est mesuré sur ledit réseau par lesdits organes de mesure. L’invention se caractérise en ce que ledit équipement d’équilibrage comporte également un convertisseur de tension connecté en entrée sur ladite tension continue dudit ensemble de batteries et en sortie sur au moins une prise de recharge d’un véhicule électrique ou hybride ; et des moyens de détection d’un besoin de charge de ladite prise de recharge ; ledit organe de supervision étant configuré pour activer ledit convertisseur de tension lorsqu’un besoin de charge est détecté sur ladite prise de recharge et que les besoins d’injection sur le réseau sont inférieurs à une valeur seuil. Ainsi, l’invention propose d’utiliser un équipement d’équilibrage pour recharger un véhicule électrique ou hybride sauf dans les phases pour lesquelles une grande quantité de puissance doit être injectée sur le réseau. En effet, dans un équipement d’équilibrage, les phases d’injection et de soutirage sont normalement relativement courtes, souvent quelques dizaines de secondes. Comparativement au temps de recharge d’un véhicule électrique ou hybride, ces instants de soutirage ou d’injection sont très faibles. Contrairement à une borne de recharge classique, la borne de recharge réalisée par l’invention est beaucoup plus rapide, puisqu’elle est connectée sur le réseau haute-tension ou moyenne-tension. Ainsi, bien qu’elle ne soit pas disponible tout le temps, car la borne de recharge réalisée par l’invention n’est pas utilisable lorsque l’équipement d’équilibrage doit injecter une grande quantité de puissance sur le réseau, l’amélioration de la vitesse de recharge au cours des autres phases compense largement les instants dans lesquels la borne de recharge ne peut pas être utilisée pour charger un véhicule électrique ou hybride. En outre, comparée à une borne de recharge rapide de l’état de la technique, le coût d’installation de la borne de recharge de l’invention est moindre puisque les organes de de protection nécessaires pour être autorisé à se raccorder sur le réseau haute-tension ou moyenne-tension sont communs pour l’équipement d’équilibrage et la borne de recharge ce qui limite le nombre de composants nécessaires à l’installation de la borne de recharge. L’invention est donc issue d’une découverte selon laquelle l’indisponibilité de la borne de recharge dans les instants de forte injection d’un équipement d’équilibrage est compensée par le gain en vitesse de recharge et ne dégrade pas de manière notable la durée de vie des batteries intégrées dans les véhicules électriques ou hybrides. En effet, il est connu que les coupures dans les phases de charge dégradent la durée de vie des batteries intégrées dans les véhicules électriques ou hybrides. Or, il a été mesuré une durée de vie sensiblement constante pour des batteries Lithium-ion intégrées dans les véhicules électriques ou hybrides même en utilisant une borne de recharge conforme à l’invention, c’est-à-dire avec des instants d’indisponibilité pouvant intervenir dans les phases de charge. Selon un mode de réalisation, lesdits organes de mesure des performances dudit réseau pour détecter les besoins d’équilibrage comportent un compteur d’énergie dédié au gestionnaire dudit réseau et un compteur d’énergie indépendant. Le compteur dédié au gestionnaire de réseau permet classiquement, dans un équipement d’équilibrage, de permettre au gestionnaire de réseau de vérifier que l’équipement d’équilibrage est actif selon le contrat imposé par le gestionnaire de réseau. Par exemple, le gestionnaire de réseau peut avoir imposé comme contrainte que l’équipement d’équilibrage effectue un soutirage de 10% de puissance active lorsque la fréquence dépasse une valeur seuil ou tout autre mode de prévention du réseau et, de même, un soutirage de 10% de puissance réactive lorsque la tension dépasse une valeur seuil ou tout autre mode de prévention du réseau. Le compteur indépendant permet de vérifier la réalisation du contrat par le prestataire. En outre, dans le cadre de l’invention, le compteur indépendant peut être utilisé pour mesurer la puissance soutirée sur le réseau pour alimenter la borne de recharge et non pour équilibrer le réseau. Pour mettre en œuvre l’invention, il est nécessaire de configurer l’organe de supervision pour permettre l’injection et le soutirage sur le réseau tout en utilisant le même réseau pour alimenter le convertisseur de tension dans les phases pour lesquelles l’injection maximum n’est pas nécessaire. Pour ce faire, la méthode la plus simple est d’autoriser le fonctionnement du convertisseur de tension lorsque la prise de recharge est utilisée et que l’injection maximum sur le réseau n’est pas requise. Dans ce mode de réalisation, lesdits moyens de détection d’un besoin de charge de ladite prise de recharge correspondent à un capteur configuré pour détecter une consommation sur ladite prise de recharge. De préférence, la commande de l’onduleur et du convertisseur de tension peut dépendre à la fois des besoins d’équilibrage du réseau et des besoins de soutirage de la borne de recharge. Ainsi, un compromis peut être recherché entre ces deux besoins lorsque les besoins d’injection sur le réseau ne sont pas maximaux. Dans ce mode de réalisation, lesdits moyens de détection d’un besoin de charge de ladite prise de recharge correspondent à une sonde de mesure de la puissance de recharge demandée sur ladite prise de recharge. En outre, dans ce mode de réalisation, ledit équipement d’équilibrage comporte préférentiellement une sonde disposée en sortie dudit onduleur de sorte à mesurer une puissance instantanée consommée par ladite prise de recharge et ledit ensemble de batteries, une sonde disposée sur ladite tension continue dudit ensemble de batteries de sorte à mesurer une puissance instantanée consommée par ledit ensemble de batteries, et une sonde disposée entre ledit convertisseur de tension et ladite tension continue dudit ensemble de batteries de sorte à mesurer une puissance instantanée consommée par ladite prise de recharge. Avec ces trois sondes, l’organe de supervision est capable de détecter la puissance utilisée sur l’onduleur et le convertisseur de tension pour équilibrer le soutirage réalisé sur le réseau en fonction des besoins de soutirage pour alimenter la prise de recharge et pour maintenir l’ensemble des batteries au point d’équilibre correspondant sensiblement à la moitié de la capacité totale de chacune des batteries. Pour ce faire, selon un second aspect, l’invention concerne un procédé de gestion d’un équipement d’équilibrage selon le premier aspect de l’invention, ledit procédé comportant les étapes suivantes : - mesure de la différence entre une mesure de tension, une mesure de fréquence et une mesure de courant du réseau et des valeurs nominales pour déterminer les besoins d’injection et/ou de soutirage de puissance active et/ou réactive ; - détermination d’une puissance de commande de l’onduleur connecté à l’ensemble des batteries en fonction des besoins d’injection et/ou de soutirage ; - si les besoins d’injection sont supérieurs à une puissance maximum d’injection, désactivation du convertisseur de tension et activation de l’onduleur connecté à l’ensemble de batteries pour injecter ladite puissance maximum d’injection, - si les besoins d’injection sont inférieurs à une puissance maximum d’injection, désactivation du convertisseur de tension et activation de l’onduleur connecté à l’ensemble de batteries pour injecter ladite puissance de commande, - si les besoins de soutirage sont inférieurs à une puissance de recharge demandée sur ladite prise de recharge et que le niveau de charge de l’ensemble des batteries est supérieur à une valeur seuil, désactivation de l’onduleur connecté à l’ensemble de batteries et activation du convertisseur de tension pour soutirer ladite puissance de commande, et - si les besoins de soutirage sont supérieurs à une puissance de recharge demandée sur ladite prise de recharge et que le niveau de charge de l’ensemble des batteries est inférieur à une valeur seuil, activation de l’onduleur et du convertisseur de tension jusqu’à ce que le niveau de charge de l’ensemble des batteries soit supérieur à ladite valeur seuil. De préférence, ladite puissance de commande est déterminée en fonction de pertes de charge estimées à partir de mesures issues de trois sondes respectivement disposées en sortie dudit onduleur, entre ledit convertisseur de tension et ladite tension continue et sur ladite tension continue dudit ensemble de batteries. Description sommaire des figures La manière de réaliser l’invention ainsi que les avantages qui en découlent, ressortiront bien des modes de réalisation qui suivent, donnés à titre indicatif mais non limitatif, à l’appui des figures 1 à 5 qui constituent : La figure 1 est une représentation schématique d’un équipement d’équilibrage à batteries de l’état de la technique ; La figure 2 est une représentation schématique d’une borne de recharge à batterie de l’état de la technique ; La figure 3 est une représentation schématique d’une borne de recharge « rapide » de l’état de la technique ; La figure 4 est une représentation schématique d’un équipement d’équilibrage selon un mode de réalisation de l’invention ; et La figure 5 est un ordinogramme des étapes de gestion d’un organe de supervision de l’équipement d’équilibrage de la figure 4. Equipement d’équilibrage (10) d’un réseau haute-tension ou moyenne-tension comportant : - une entrée de réseau (11) intégrant des organes de protection (12) dudit réseau et des organes de mesure (13) des performances dudit réseau pour détecter les besoins d’équilibrage ; - un transformateur (21) comportant un premier enroulement connecté en sortie de ladite entrée de réseau (11) et configuré pour abaisser la tension dudit réseau ; - un onduleur (15) connecté sur un second enroulement dudit transformateur (14) et configuré pour transformer une tension alternative en une tension continue ; - un ensemble de batteries (17) connectées sur ladite tension continue ; et - un organe de supervision (22) configuré pour activer ledit onduleur (15) et assurer la charge ou la décharge desdites batteries (17) lorsqu’un déséquilibre est mesuré sur ledit réseau par lesdits organes de mesure (13) ; caractérisé en ce que ledit équipement d’équilibrage (10) comporte également un convertisseur de tension (23) connecté en entrée sur ladite tension continue dudit ensemble de batteries (17) et en sortie sur au moins une prise de recharge (24) d’un véhicule électrique ou hybride ; et des moyens de détection d’un besoin de charge de ladite prise de recharge (24) ; ledit organe de supervision (22) étant configuré pour activer ledit convertisseur de tension (23) lorsqu’un besoin de charge est détecté sur ladite prise de recharge (24) et que les besoins d’injection sur le réseau sont inférieurs à une valeur seuil. Equipement d’équilibrage selon la revendication 1, dans lequel lesdits organes de mesure (13) des performances dudit réseau pour détecter les besoins d’équilibrage comportent un compteur d’énergie dédié au gestionnaire dudit réseau et un compteur d’énergie indépendant. Equipement d’équilibrage selon la revendication 1 ou 2, dans lequel lesdits moyens de détection d’un besoin de charge de ladite prise de recharge (24) correspondent à une sonde de mesure de la puissance de recharge demandée (Prrve) sur ladite prise de recharge (24). Equipement d’équilibrage selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel ledit équipement d’équilibrage (10) comporte une sonde disposée en sortie dudit onduleur (15) de sorte à mesurer une puissance instantanée (Peq) consommée par ladite prise de recharge (24) et ledit ensemble de batteries (17). Equipement d’équilibrage selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel ledit équipement d’équilibrage (10) comporte une sonde disposée sur ladite tension continue dudit ensemble de batteries (17) de sorte à mesurer une puissance instantanée (Pbat) consommée par ledit ensemble de batteries (17). Equipement d’équilibrage selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel ledit équipement d’équilibrage (10) comporte une sonde disposée entre ledit convertisseur de tension (23) et ladite tension continue dudit ensemble de batteries (17) de sorte à mesurer une puissance instantanée (Pre) consommée par ladite prise de recharge (24). Procédé de gestion d’un équipement d’équilibrage selon l’une des revendications 1 à 6, ledit procédé comportant les étapes suivantes : - mesure (50) de la différence entre une mesure de tension (mU), une mesure de fréquence (mF) et une mesure de courant (mI) du réseau et des valeurs nominales pour déterminer les besoins d’injection et/ou de soutirage (ΔU, ΔF, ΔI ) ; - détermination (51, 52) d’une puissance de commande (Pc1, Pc2) du convertisseur de tension (15) connecté à l’ensemble des batteries (17) en fonction des besoins d’injection et/ou de soutirage (ΔT, ΔF, ΔC) de puissance active et/ou réactive ; - si les besoins d’injection (ΔT, ΔF, ΔC) sont supérieurs à une puissance maximum d’injection (Pmax), désactivation du convertisseur de tension (23) et activation de l’onduleur (15) connecté à l’ensemble de batteries (17) pour injecter ladite puissance maximum d’injection (Pmax), - si les besoins d’injection (ΔT, ΔF, ΔC) sont inférieurs à une puissance maximum d’injection (Pmax), désactivation du convertisseur de tension (23) et activation de l’onduleur (15) connecté à l’ensemble de batteries (17) pour injecter ladite puissance de commande (Pc1, Pc2), - si les besoins de soutirage (ΔT, ΔF, ΔC) sont inférieurs à une puissance de recharge demandée (Prrve) sur ladite prise de recharge (24) et que le niveau de charge de l’ensemble des batteries (17) est supérieur à une valeur seuil, désactivation de l’onduleur (15) connecté à l’ensemble de batteries (17) et activation du convertisseur de tension (23) pour soutirer ladite puissance de commande (Pc1, Pc2), et - si les besoins de soutirage (ΔT, ΔF, ΔC) sont supérieurs à une puissance de recharge demandée (Prrve) sur ladite prise de recharge (24) et que le niveau de charge de l’ensemble des batteries (17) est inférieur à une valeur seuil, activation de l’onduleur (15) et du convertisseur de tension (23) jusqu’à ce que le niveau de charge de l’ensemble des batteries (17) soit supérieur à ladite valeur seuil. Procédé de gestion selon la revendication 7, dans lequel ladite puissance de commande (Pc1, Pc2) est déterminée (52) en fonction de pertes de charge (Pe) estimées à partir de mesures (Peq, Pre, Pbat) issues de trois sondes respectivement disposées en sortie dudit onduleur (15), entre ledit convertisseur de tension (23) et ladite tension continue et sur ladite tension continue dudit ensemble de batteries (17).