TITRE : PROCEDE DE GESTION DE TENSION D’UNE BATTERIE POUR VEHICULE

La présente invention revendique la priorité de la demande française N ⁰ 2010076 déposée le 02.10.2020 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.

La présente invention concerne le domaine automobile, notamment celui de la gestion énergétique d’un stockeur électrique, sous contrainte thermique, pour des véhicules thermiques, hybrides ou électriques.

L’utilisation de stockeurs électriques 12V au Lithium, comme batteries de servitude dans l’automobile, sera de plus en plus répandue. Ce type de stockeur apporte des avantages certains, notamment en terme de poids, de densité d’énergétique. Néanmoins, il est nécessaire de systématiquement s’assurer que ce type de composant opère dans des limites en températures, permettant une utilisation en toute sécurité.

On connaît du document FR2941 102B1 un procédé de pilotage de super condensateurs dans lequel en cas de problème thermique il est prévu une régulation des super condensateurs à une tension fixe prédéterminée. Ce procédé ne permet donc pas d’adapter en dynamique la régulation électrique.

L’invention a pour objectif de pallier au moins un des inconvénients de l’état de la technique susmentionné.

Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l’invention un procédé de gestion de tension d’une batterie de véhicule équipé d’un réseau de bord avec au moins un consommateur électrique, comprenant une mesure de température de la batterie, caractérisé en ce que : -on détermine à partir de la température de la batterie une tension minimale batterie et une tension maximale de batterie entre lesquelles la protection thermique de la batterie est jugée assurée,

-on détermine une consigne préalable de tension de batterie, -on détermine une consigne finale de tension de la batterie en fonction de la consigne préalable et des tensions minimale et maximale de batterie autorisées.

L’effet technique est de permettre d’ajuster en continu et au plus juste la valeur de la tension de consigne en fonction de la contrainte thermique de la batterie.

Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaisons :

Selon une réalisation, la consigne finale de tension est :

-égale à la tension minimale si la consigne de tension préalable est inférieure à la tension minimale,

-égale à la consigne de tension préalable si la consigne de tension préalable est comprise entre la tension minimale et la tension maximale,

-égale à la tension maximale si la tension maximale est inférieure à la consigne de tension préalable.

Selon une réalisation, la tension minimale batterie et la tension maximale de batterie sont déterminés respectivement à partir d’une intensité minimale et d’une intensité maximale.

Selon une réalisation, on détermine à partir de la mesure de température un niveau de criticité thermique et on détermine à partir de ce niveau de criticité thermique l’intensité minimale et l’intensité maximale.

Selon une réalisation, on détermine à partir du niveau de criticité thermique une information relative à une demande de délestage d’au moins un consommateur électrique du réseau de bord.

Selon une réalisation, le niveau de criticité thermique comprend trois niveaux de criticité croissante déterminés selon que la température de batterie est respectivement inférieure à un premier seuil de température, ou compris entre le premier seuil de température et un deuxième seuil de température, ou supérieure au second seuil de température, le second seuil de température étant supérieur au premier seuil de température.

Selon une réalisation, le premier seuil de température est de 60 °C et le second seuil de température est de 80 °C. Selon une réalisation, on détermine une tension à vide de la batterie, on détermine une résistance interne de la batterie, la tension minimale de batterie étant alors égale à la valeur maximum choisie entre :

-la valeur d’une tension minimale garantissant le fonctionnement du réseau de bord du véhicule et

-la valeur de la tension à vide plus le produit de la résistance interne et de l’intensité minimale de batterie.

L’invention a aussi pour objet un véhicule comprenant une batterie et un réseau de bord équipé d’au moins un consommateur électrique, caractérisé en ce qu’il comprend les moyens d’acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que les moyens de commande requis à mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des variantes précédemment décrites.

Selon une réalisation, la batterie est une batterie Lithium-Ion.

D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d’un mode particulier de réalisation, non limitatif de l’invention, faite en référence aux figures dans lesquelles :

[Fig 1] : représente schématiquement des étapes et sous-étapes du procédé de gestion de tension de batterie de véhicule selon la présente invention.

La figure 1 représente les étapes et sous-étapes du procédé de gestion de tension de batterie pour une batterie de véhicule.

Le véhicule comprend la batterie 10 qui est un stockeur électrique basse tension fonctionnant aux environs de 12 volts. Cette batterie 10 est de préférence de type Lithium- Ion. Le véhicule comprend les moyens d’acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que les moyens de commande requis à mise en œuvre du procédé de l’invention.

Cette invention décrit un procédé permettant, lorsque la température de la batterie dépasse certains seuils, d’adapter dynamiquement le courant circulant dans la batterie d’une part, pour limiter les échauffements. D’autre part ce procédé permet d’agir sur la consommation du réseau électrique 12V du véhicule, en réduisant préventivement, la consommation de consommateurs électriques non indispensables, de façon à prioriser l’énergie du générateur électrique à d’éventuelles besoins futurs liés à la sécurité.

Dans le cas d’un véhicule utilisant une batterie 10, ce procédé permet d’éviter son échauffement trop important, qui peut conduire à sa mise en protection par déconnexion du réseau de bord.

Cette situation est problématique car dans ce cas, la batterie n’est plus reliée au réseau de bord 12V du véhicule et ne peut donc plus être utilisée en support du générateur, pour alimenter les organes sécuritaires en cas de manœuvre d’urgence.

Pour cela, cette invention réalise les actions suivantes :

D’une part, elle détermine le niveau de criticité de la contrainte thermique de la batterie 10 à prendre en compte.

D’autre part, à partir de l’évolution thermique de la batterie 10, le procédé détermine un courant batterie minimal et maximal à respecter, dans le cadre de l’exploitation de la batterie 10, ainsi qu’un besoin de délestage de consommateurs électriques non indispensables, pouvant être plus ou moins important.

Par ailleurs, elle calcule la tension en circuit ouvert de la batterie 10.

Elle détermine également les contraintes en tension minimale et maximale à respecter pour la consigne de tension de régulation devant être appliquée aux bornes de la batterie 10.

Enfin, elle détermine une consigne de tension à appliquer aux bornes de la batterie 10, pour respecter des besoins pouvant notamment être liés à la régulation de son état de charge, tout en prenant en compte le besoin de limiter réchauffement du dit stockeur.

Cette invention peut se décomposer principalement en cinq sous fonctions et étapes décrites ci-après.

Au bloc 30 on détermine un niveau de criticité de réchauffement la batterie 10, en fonction de sa température mesurée par un calculateur (Battery Management System en anglais ou BMS), lié à la batterie 10 et dont le rôle est de mesurer et calculer les paramètres utiles de la batterie 10. Ce niveau de criticité sert à adapter la gestion énergétique du réseau de bord 12V du véhicule, pour réduire si nécessaire, les sollicitations de la batterie 10. Cette fonction 30 utilise comme paramètre d’entrée la température 11 de la batterie. A partir de cette donnée d’entrée, le bloc 30 fournit en sortie le niveau de criticité thermique 31 .

Le niveau de criticité thermique 31 pourra prendre 3 valeurs (Niveau_0, Niveau_1 et Niveau_2) qui seront l’image de la nécessité d’agir, pour limiter ou réduire les sollicitations énergétiques de la batterie 10, ayant un impact sur sa température.

Ainsi l’information de niveau de criticité thermique sera définie de la façon suivante :

Pour une température batterie 1 1 inférieure ou égale à un premier seuil de température T0, le niveau de criticité thermique 31 sera Niveau_0.

Pour une température batterie 1 1 supérieure au premier seuil de température T0 mais inférieure ou égale à un second seuil de température T1 , le niveau de criticité thermique 31 sera Niveau_1 .

Pour une température batterie 1 1 supérieure au second seuil de température T1 , le niveau de criticité thermique 31 sera Niveau_2.

A titre indicatif les deux seuils en température peuvent être T0 = 60°C et T1 = 80°C. Une cartographie en fonction de différents seuils de température du stockeur peut être utilisée pour déterminer en sortie le niveau de criticité thermique 31 .

Au bloc 40, le niveau de criticité thermique 31 de la batterie 10 est converti en contraintes électriques sur le courant circulant dans la batterie 10, en charge comme en décharge, de façon à limiter si nécessaire les sollicitations énergétiques de la batterie 10 pouvant avoir un impact sur sa température.

Plus précisément, plus la criticité thermique 31 liée à réchauffement de la batterie 10 sera importante, plus il faudra limiter sa plage d’utilisation en courant pour limiter son échauffement. Cette fonction 40 produit donc les limites minimales et maximales à ne pas dépasser, pour le courant circulant dans la batterie 10, en charge comme en décharge, de façon à limiter son échauffement.

Par ailleurs, un mécanisme supplémentaire permet de demander le délestage autrement dit une désactivation d’au moins un consommateur électrique du réseau basse tension, de certains composants électriques dit non prioritaires comme les organes de confort thermiques du véhicule tels que par exemple des sièges chauffants, lunette chauffante, etc. Cette délestage qui peut être plus ou moins important, selon la criticité de réchauffement de la batterie 10.

Ce délestage a pour objectif de réduire la consommation électrique du réseau de bord du véhicule, pour prioriser les capacités de fourniture en énergie électrique du producteur électrique 12V du véhicule. Ce producteur électrique peut être un alternateur ou convertisseur de tension DC/ DC associé à une batterie dite haute tension par exemple 48V ou 400V), vers d’éventuels besoins d’alimentation futurs des consommateurs sécuritaires du véhicule tels que par exemple un contrôleur de trajectoire électronique, usuellement désigné ESP, une direction à assistance électrique, en cas de manœuvre d’urgence tels par exemple un freinage ou un évitement.

En effet, la batterie 10 étant à une température pouvant être critique, il est nécessaire d’agir d’une part sur sa sollicitation énergétique, pour éviter qu’elle ne se mette en protection, ce qui se traduirait par sa déconnexion du réseau de bord 12V du véhicule et donc par l’impossibilité pour elle, d’assurer les besoins sécuritaires qui lui sont alloués, dans le cadre des manœuvre d’urgence du véhicule.

D’autre part, les performances de la batterie 10 pouvant être dégradées en fonction de la température, une réduction préventive de la consommation du réseau de bord dans ce cas de figure, permet de prioriser l’énergie du producteur d’énergie électrique du véhicule vers les besoins liés à la sécurité de l’utilisateur le temps de la stabilisation de la batterie 10.

Ainsi, cette fonction 40 utilise comme paramètre d’entrée le niveau de criticité thermique 31 défini au bloc 30. A partir de cette donnée d’entrée, le bloc 40 fournit en sortie une information relative à une demande de délestage 41 , une intensité minimale de batterie 42, une intensité maximale de batterie 43. Pour cela nous pourrons considérer les paramètres en courant ci-dessous : l_batt_min_0 : 1 ^er Seuil de courant batterie minimal, en A (par exemple -100 A). I_batt_min_1 : 2 ^ème Seuil de courant batterie minimal, en A (par exemple -30 A) l_batt_max_0 : 1 ^er Seuil de courant batterie maximal, en A (par exemple 80 A) l_batt_max_1 : 2 ^ème Seuil de courant batterie maximal, en A (par exemple 30 A)

Avec, par convention une intensité négative qui désigne un courant de charge de la batterie et une intensité positive qui désigne un courant de décharge de la batterie.

Les courants de batterie limites (i.e. l’intensité minimale de batterie 42 et l’intensité maximale de batterie 43) autorisés, ainsi que la demande de délestage 41 des consommateurs électriques non essentiels du réseau de bord, seront définis de la façon suivante :

[Tableaux 1 ]

Au bloc 60 on estime la tension à vide 61 de la batterie 10, à partir des paramètres instantanés de tension de batterie 14, intensité de batterie 13 et de résistance interne 12 de la batterie connus à chaque instant, grâce au calculateur BMS. A partir de ces données d’entrée, le bloc 60 fournit en sortie la tension à vide 61 .

La tension à vide 61 de la batterie 10 est égale à la tension de batterie 14 moins le produit de l’intensité de batterie 13 et de la résistance interne 12 de la batterie 10. Cette tension à vide peut être ensuite filtrée, en utilisant par exemple un filtre passe bas du 1 ^er ordre, de façon à disposer d’une information moins bruitée.

Au bloc 50, on détermine les tensions minimales 52 et maximales 51 autorisées aux bornes de la batterie 10, en fonction des limites de courant minimal 42 et maximal 43 voulus pour cette batterie 10, de façon à limiter son échauffement. La tension maximale 51 et la tension minimale 52 de la batterie 10, pour respecter ses contraintes thermiques sont alors calculées, en fonction des courants limites autorisés, 42,43, de la résistance interne 12 et de la tension à vide 61 estimées.

La tension maximale 51 est égale à la tension à vide 61 plus le produit de la résistance interne 12 et de l’intensité maximale de batterie 43.

Pour calculer la tension minimale 52 de batterie autorisée, un paramètre supplémentaire définissant la contrainte de tension minimale de régulation de la batterie 10, à considérer dans toutes les situations de vie, pour garantir notamment une tension minimale aux bornes du réseau de bord du véhicule sera prise en compte.

Si la tension de la batterie 10 est comprise entre la tension maximale 51 et tension minimale 52, la protection thermique de la batterie 10 est considérée comme assurée.

La tension minimale de régulation de la batterie 10 à appliquer aux bornes de la batterie 10 pour garantir le fonctionnement du réseau de bord du véhicule sera par exemple une valeur constante prédéterminée, par exemple 12.3V.

La tension minimale 52 de batterie est alors égale à la valeur maximum choisie entre :

-la valeur de la tension minimale de régulation et

-la valeur de la tension à vide 61 plus le produit de la résistance interne 12 et de l’intensité minimale de batterie 42.

Au bloc 70, on détermine la consigne de tension 71 à appliquer aux bornes de la batterie 10, à partir d’une consigne de tension préalablement calculée, pour des besoins de régulation de l’état de charge du stockeur notamment et en prenant en compte les limitations de tension permettant de réduire les échauffements de la batterie 10.

Dans ce bloc 70, le procédé détermine la consigne finale de tension 71 qu’il faut appliquer aux bornes de la batterie 10, à partir d’une consigne de tension 21 préalablement définie dans un bloc 20, tout en prenant en compte le besoin d’adapter la régulation énergétique du dit stockeur aux contraintes thermiques auxquelles il est soumis. La consigne de tension 21 préalablement définie est une consigne de tension qui peut notamment être construite, pour réguler l’état de charge de la batterie 10 à un certain niveau, par exemple 85 % de son état de sa capacité maximale. La consigne finale de tension 71 à appliquer aux bornes de la batterie est définie de la façon ci-dessous selon différentes conditions de tension :

[Tableaux 2] Cette invention permet d’adapter dynamiquement la régulation énergétique très basse tension d’un véhicule, en fonction de la température de la batterie 10. Ce procédé permet d’éviter un échauffement trop important de la batterie 10, qui peut conduire à sa mise en protection par déconnexion du réseau de bord. L’invention permet une grande flexibilité et précision dans la régulation électrique de l’ensemble du réseau de bord basse tension (12V) du véhicule.