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FR3068789A1 - Dispositif de protection contre un court-circuit dans un reseau electrique d’un systeme pendant une recharge rapide d’une batterie - Google Patents

Dispositif de protection contre un court-circuit dans un reseau electrique d’un systeme pendant une recharge rapide d’une batterie Download PDF

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FR3068789A1
FR3068789A1 FR1756417A FR1756417A FR3068789A1 FR 3068789 A1 FR3068789 A1 FR 3068789A1 FR 1756417 A FR1756417 A FR 1756417A FR 1756417 A FR1756417 A FR 1756417A FR 3068789 A1 FR3068789 A1 FR 3068789A1
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PSA Automobiles SA
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Abstract

Un dispositif de protection (DP) équipe un système (S) comprenant une batterie (BR) rechargeable et connectée, via des premiers moyens de commutation (MC1) pouvant être placés dans des premier et second états dans lesquels respectivement ils permettent et empêchent la circulation de courant, à un réseau électrique (RE) auquel est connecté un connecteur de recharge (CR) couplé à une station (SR) de recharge rapide en courant continu. Ce dispositif de protection (DP) comprend des moyens de contrôle (MCT) qui, lors d'une recharge rapide de la batterie (BR) lorsqu'un courant de recharge entrant dans la batterie (BR) est suivi d'un courant de décharge sortant de la batterie (BR) et représentatif d'un court-circuit dans le réseau électrique (RE), déclenchent le placement des premiers moyens de commutation (MC1) dans leur second état et la transmission d'un message requérant l'arrêt immédiat de la recharge rapide à destination de la station (SR).

Description

DISPOSITIF DE PROTECTION CONTRE UN COURT-CIRCUIT DANS UN
RÉSEAU ÉLECTRIQUE D’UN SYSTÈME PENDANT UNE RECHARGE
RAPIDE D’UNE BATTERIE
L’invention concerne les systèmes qui comprennent un réseau électrique auquel sont connectés un connecteur de recharge, propre à être couplé à une station de recharge rapide en courant continu, et au moins une batterie rechargeable, éventuellement à groupe(s) de cellule(s) de stockage d’énergie électrique.
Certains systèmes comprennent au moins une batterie rechargeable alimentant un réseau électrique et pouvant faire l’objet d’une recharge rapide en courant continu lorsque ce réseau électrique est couplé à une station de recharge rapide en courant continu. C’est par exemple le cas de certains véhicules, de type tout électrique ou hybride et éventuellement de type automobile.
Il est rappelé que lors d’une recharge rapide la station de recharge, externe au système, est directement connectée au réseau électrique embarqué (par exemple à haute tension continue (ou HV DC (« high voltage direct current ») selon la terminologie anglosaxone) afin de recharger la batterie et éventuellement de faire fonctionner au moins un équipement électrique embarqué. La station de recharge adapte la puissance électrique de charge en fonction des consignes qu’elle reçoit du système, et plus particulièrement de moyens de commande de la batterie.
Lorsque le réseau électrique fait l’objet d’un court-circuit, par exemple du fait d’agression(s) (chocs, frottements, corrosion) subie(s) par l’isolant d’un conducteur sous tension ou de la présence d’une pièce conductrice détachée ou oubliée dans un carter d’un équipement (comme par exemple une vis métallique), un courant de forte intensité est appelé par la résistance électrique de faible valeur que représente ce court-circuit, ce qui induit localement une forte chaleur (ou point chaud). Il y a alors un risque d’incendie si ce point chaud se propage. Ce risque est accru lors d’une recharge rapide, généralement nommée « recharge de mode 4 >> dans les standards. En effet, le bilan électrique est alors fortement déséquilibré entre la puissance électrique qui est fournie par la station de recharge et le courant qui est consommé par la batterie, car la majorité du courant de court-circuit est fournie par la batterie, et non par la station de recharge, lorsque son électrochimie a une capacité à fournir bien plus de puissance instantanée que cette station de recharge. Les moyens de protection de la station de recharge ne sachant pas distinguer un courant de court-circuit d’un courant de recharge de la batterie, la station de recharge ne réagit pas nécessairement ou pas assez rapidement pour éviter le point chaud.
Afin de protéger le réseau électrique en présence d’un court-circuit plusieurs solutions ont été proposées.
Une première solution, dite préventive, consiste à prévoir des protections physiques, comme par exemple une isolation renforcée des conducteurs électriques ou une implantation des composants du réseau électrique dans des zones peu exposées aux chocs.
Cette première solution s’avère onéreuse (tant en adaptation matérielle qu’en adaptation architecturale) et peut être impossible à mettre en oeuvre dans certains systèmes de petites dimensions et/ou à taux élevé d’encombrement.
Une seconde solution, dite curative, consiste à installer des fusibles dans le réseau électrique ou à mettre en oeuvre des diagnostics électriques qui détectent les courts-circuits et coupent l’alimentation en puissance des équipements électriques connectés au réseau électrique.
La protection au moyen de fusibles présente plusieurs inconvénients. En effet, ces fusibles sont volumineux (et donc encombrants) et chers, et doivent être accessibles afin de pouvoir être remplacés. En outre, ces fusibles requièrent pour fondre un courant de court-circuit (ou « courant de défaut ») qui est important par rapport à leur calibre. Or, dans le cas d’un court-circuit impédant ou ayant une résistance importante, le courant de défaut (ou de court-circuit) peut être insuffisamment élevé pour faire fondre un fusible ou être détecté par la station de recharge, mais suffisant pour créer un point chaud dangereux.
II a également été proposé dans le document brevet FR 2831272 de mesurer dans un réseau électrique bitension d’un véhicule trois courants (11, I2, I3) transitant dans trois branches de ce réseau électrique et un courant de masse (I4) des équipement électriques consommateurs, et de considérer qu’il y a un court-circuit lorsque la somme des quatre courants 11+12+13+14 est nulle. Cette solution permet de détecter un court-circuit, mais elle ne permet pas de protéger le réseau électrique contre ce court-circuit, en particulier lors d’une recharge rapide.
L’invention a notamment pour but d’améliorer la situation.
Elle propose notamment à cet effet un dispositif de protection destiné à équiper un système comprenant une batterie rechargeable et connectée, via des premiers moyens de commutation pouvant être placés dans des premier et second états dans lesquels respectivement ils permettent et empêchent une circulation de courant, à un réseau électrique auquel est connecté un connecteur de recharge qui est propre à être couplé à une station de recharge rapide en courant continu.
Ce dispositif de protection se caractérise par le fait qu’il comprend des moyens de contrôle qui, lors d’une recharge rapide de la batterie lorsqu’un courant de recharge entrant dans la batterie est suivi d’un courant de décharge sortant de la batterie et représentatif d’un court-circuit dans le réseau électrique, déclenchent :
- un placement des premiers moyens de commutation dans leur second état, et
- la transmission d’un message requérant l’arrêt immédiat de la recharge rapide à destination de la station.
Ainsi, la présence d’un court-circuit dans le réseau électrique peut être très rapidement détectée, et dans ce cas le réseau électrique peut être immédiatement « isolé >> de toute source de courant (batterie et station).
Le dispositif de protection selon l’invention peut comporter d’autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment :
- ses moyens de contrôle peuvent effectuer le déclenchement lorsque le courant de recharge est suivi d’un courant de décharge qui est supérieur à un seuil de courant ;
- ses moyens de contrôle peuvent effectuer le déclenchement lorsque le courant de recharge est suivi du courant de décharge pendant une durée qui est supérieure à un seuil temporel ;
- il peut comprendre des moyens de mesure chargés de mesurer le courant de recharge et le courant de décharge ;
> les moyens de mesure peuvent être implantés dans la batterie.
L’invention propose également une batterie rechargeable, d’une part, propre à équiper un système et à être connectée, via des premiers moyens de commutation pouvant être placés dans des premier et second états dans lesquels respectivement ils permettent et empêchent une circulation de courant, à un réseau électrique auquel est connecté un connecteur de recharge propre à être couplé à une station de recharge rapide en courant continu, et, d’autre part, comprenant un dispositif de protection du type de celui présenté ci-avant.
Par exemple, cette batterie rechargeable peut comprendre au moins un groupe de cellule(s) de stockage d’énergie électrique.
L’invention propose également un système comprenant un réseau électrique auquel sont connectés un connecteur de recharge propre à être couplé à une station de recharge rapide en courant continu, et au moins une batterie rechargeable du type de celle présentée ci-avant et alimentant ce réseau électrique.
L’invention propose également un système comprenant, d’une part, un réseau électrique auquel sont connectés un connecteur de recharge propre à être couplé à une station de recharge rapide en courant continu, et au moins une batterie rechargeable alimentant ce réseau électrique, et, d’autre part, un dispositif de protection du type de celui présenté ci-avant.
Chacun de ces systèmes peut, par exemple, constituer un véhicule de type tout électrique ou hybride, et éventuellement de type automobile.
L’invention propose également un véhicule, éventuellement de type automobile, et comprenant l’un des systèmes présentés ci-avant.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’examen de la description détaillée ci-après, et du dessin annexé, sur lequel l’unique figure illustre schématiquement et fonctionnellement un exemple de véhicule de type tout électrique et comprenant une batterie rechargeable équipée d’un exemple de réalisation d’un dispositif de protection selon l’invention.
L’invention a notamment pour but de proposer un dispositif de protection DP destiné à équiper un système S afin de protéger son réseau électrique RE lorsqu’il fait l’objet d’un court-circuit pendant une phase de recharge rapide en courant continu d’au moins une batterie rechargeable BR.
Dans ce qui suit, on considère à titre d’exemple non limitatif que le système S est un véhicule automobile, comme par exemple une voiture. Mais l’invention n’est pas limitée à ce type de système. Elle concerne en effet tout type de système comportant au moins une batterie rechargeable et connectée à un réseau électrique auquel est également connecté un connecteur de recharge propre à être couplé à une station de recharge rapide en courant continu. Par conséquent, le système pourra être un véhicule (terrestre (et notamment un tramway alimenté par un caténaire), maritime (ou fluvial) ou aérien), une installation, éventuellement de type industriel, ou un bâtiment, par exemple. En variante, un système S peut faire partie d’un véhicule, éventuellement de type automobile.
Par ailleurs, on considère dans ce qui suit, à titre d’exemple non limitatif, que le véhicule S comprend un groupe motopropulseur (ou GMP) de type tout électrique. Mais le GMP pourrait également être de type hybride (thermique/électrique).
De plus, on considère dans ce qui suit, à titre d’exemple non limitatif, que la batterie rechargeable BR comprend un ensemble EG d’au moins un groupe de cellule(s) de stockage d’énergie électrique. Par exemple, chaque cellule peut être de type Li-ion, ou Ni-MH, ou plomb, ou Sodium-ion, ou encore Lithium-Métal-Polymère (ou LMP). Mais l’invention n’est pas limitée à ce type de batterie rechargeable. Elle concerne en effet tout type de batterie rechargeable pouvant être rechargée lors de phases de recharge rapide en courant continu (« recharges de mode 4 »).
On a schématiquement représenté sur l’unique figure un système S, ici un véhicule automobile, comprenant une chaîne de transmission, un calculateur de supervision CS, un dispositif de protection DP selon l’invention, et un réseau électrique RE auquel sont connectés une batterie (rechargeable) BR, un premier ensemble E1 d’équipements électriques consommateurs d’énergie électrique, un second ensemble E2 d’équipements électriques producteurs d’énergie électrique et un connecteur de recharge CR.
La chaîne de transmission comporte un groupe motopropulseur (ou GMP), ici de type tout électrique.
Le calculateur de supervision CS est propre à superviser (ou gérer) le fonctionnement du GMP.
Le GMP comprend notamment un équipement électrique MM définissant une machine motrice et faisant partie du premier ensemble E1, et un moyen de couplage MCP.
La machine motrice MM est une machine ou un moteur électrique (et donc non thermique) destiné(e) à fournir du couple pour au moins un train TV du véhicule V via le moyen de couplage MCP. On notera que dans l’exemple de réalisation illustré non limitativement, la machine motrice MM fournit du couple pour le train avant TV via le moyen de couplage MCP. Mais dans une variante de réalisation elle pourrait fournir du couple au seul train arrière TR ou bien aux trains avant TV et arrière TR. Ici, la machine motrice MM fournit son couple à un arbre de transmission AT qui est couplé au train avant TV, via le moyen de couplage MCP.
Compte tenu du type du véhicule S décrit, les trains avant TV et arrière TR comprennent des roues.
Le fonctionnement de la machine motrice MM est piloté par le calculateur de supervision CS.
La batterie BR est par exemple installée dans le soubassement du véhicule V. Elle comprend ici un ensemble EG d’au moins un groupe de cellule(s) qui est connecté au réseau électrique RE via des premiers moyens de commutation MC1.
Ces premiers moyens de commutation MC1 peuvent être placés dans au moins un premier état (fermé), dans lequel ils permettent la circulation de courant du réseau électrique RE vers la batterie BR ou de la batterie BR vers le réseau électrique RE, et un second état (ouvert) dans lequel ils empêchent la circulation de courant entre le réseau électrique RE et la batterie BR. Ils assurent donc au moins une fonction d’interrupteur. On notera que dans le cas du « mode 4 », on prévoit deux autres états afin d’éviter d’avoir de la haute tension au niveau du connecteur de recharge CR lorsque le véhicule circule, et donc pour que la partie du réseau électrique RE située entre la batterie rechargeable BR et le connecteur de recharge CR ne soit pas sous tension lors du roulage.
Par exemple, et comme illustré non limitativement sur l’unique figure, les premiers moyens de commutation MC1 peuvent comprendre des premier R1 et deuxième R2 relais de commutation installés respectivement sur les deux entrées/sorties de l’ensemble de groupe(s) de cellule(s) EG. Chacun de ces premier R1 et deuxième R2 relais de commutation peut, par exemple, comprendre au moins un interrupteur de puissance dont les premier et second états peuvent être contrôlés par des commandes en tension. Chaque interrupteur de puissance peut, par exemple, être de type IGBT (« Insulated Gâte Bipolar Transistor >> - transistor bipolaire à grille isolée), ou MOSFET, ou encore relais.
Le connecteur de recharge CR est connecté au réseau électrique RE et est propre à être couplé à une station SR de recharge rapide en courant continu, via un câble de recharge CL.
La station SR est connectée à un réseau d’alimentation en puissance électrique. Elle comprend des seconds moyens de commutation MC2 et un module de supervision de recharge MSR.
Les seconds moyens de commutation MC2 peuvent être placés dans un premier état (fermé), dans lequel ils permettent la circulation de courant de la station SR vers le réseau électrique RE du véhicule S, et un second état (ouvert) dans lequel ils empêchent la circulation de courant de la station SR vers le réseau électrique RE du véhicule S.
Par exemple, et comme illustré non limitativement sur l’unique figure, les seconds moyens de commutation MC2 peuvent comprendre des troisième R3 et quatrième R4 relais de commutation installés respectivement sur les deux sorties d’alimentation de la station SR. Chacun de ces troisième R3 et quatrième R4 relais de commutation peut, par exemple, comprendre au moins un transistor de puissance (éventuellement de type MOSFET) dont les premier et second états peuvent être contrôlés par des commandes en tension fournies par le module de supervision de recharge MSR.
Ce module de supervision de recharge MSR est chargé de contrôler la puissance électrique de recharge qui alimente le réseau électrique RE lors d’une phase de recharge rapide, en fonction de consignes et informations transmises par le véhicule S via le connecteur de recharge CR et le câble de recharge CL, et fournies par les moyens de commande de la batterie BR, lesquels font éventuellement partie de cette dernière (BR).
Le dispositif de protection DP comprend au moins des moyens de contrôle MCT qui sont chargés d’agir lors d’une recharge rapide de la batterie BR lorsqu’un courant de recharge entrant dans la batterie BR est suivi d’un courant de décharge sortant de la batterie BR et représentatif d’un courtcircuit dans le réseau électrique RE. Chaque fois que cette situation est présente, les moyens de contrôle MCT déclenchent un placement des premiers moyens de commutation MC1 dans leur second état (ouvert) et la transmission d’un message requérant l’arrêt immédiat de la recharge rapide à destination de la station SR (et plus précisément de son module de supervision de recharge MSR).
On comprendra en effet que le placement des premiers moyens de commutation MC1 dans leur second état (ouvert) empêche toute circulation de courant (sortant) de la batterie BR vers le réseau électrique RE, et qu’à réception de la requête le module de supervision de recharge MSR place les seconds moyens de commutation MC2 dans leur second état (ouvert), par exemple au moyen d’au moins une commande en tension, ce qui empêche toute circulation de courant (sortant) de la station SR vers le réseau électrique RE.
Ainsi, grâce à la surveillance du courant circulant entre la batterie BR et le réseau électrique RE lors d’une recharge rapide, on peut très vite détecter la présence d’un court-circuit dans ce réseau électrique RE et « isoler >> ce dernier (RE), et donc tous les équipements électriques qui sont connectés à lui, de toute source de courant (batterie BR et station SR). Il en résulte certes un arrêt de fonctionnement des équipements électriques, mais surtout un arrêt immédiat de la production d’une forte chaleur (ou point chaud) au niveau du court-circuit, et donc un empêchement de la propagation de ce point chaud.
On notera que le déclenchement du placement des premiers moyens de commutation MC1 dans leur second état (ouvert) peut, par exemple, se faire au moyen d’une commande en tension (et donc de type analogique). Mais dans une variante elle pourrait se faire au moyen d’une commande ou instruction de type numérique.
On notera également que le courant de recharge et le courant de décharge sont mesurés (ou estimés) par des moyens de mesure MM, par exemple sur une entrée/sortie de l’ensemble de groupe(s) de cellule(s) EG, comme illustré non limitativement. De préférence, on utilise un moyen de mesure de courant MM sur chaque rail de puisance. Ces moyens de mesure MM peuvent faire partie du dispositif de protection DP. Mais cela n’est pas obligatoire. En effet, ils peuvent éventuellement faire partie de la batterie BR ou d’un autre dispositif surveillant le fonctionnement de cette dernière (BR). Par ailleurs, ces moyens de mesure MM peuvent, comme illustré non limitativement, être implantés à l’intérieur de la batterie BR. Mais cela n’est pas obligatoire.
De préférence, les moyens de contrôle MCT peuvent effectuer le déclenchement (consécutif à la détection du court-circuit) lorsque le courant de recharge est suivi d’un courant de décharge qui est supérieur à un seuil de courant. Par exemple, lorsque le système S est un véhicule, ce seuil de courant peut être compris entre 10 A et 30 A. A titre d’exemple, ce seuil de courant peut être égal à 20 A.
Cette option est destinée à éviter l’arrêt d’une recharge rapide lorsque le courant de décharge sortant de la batterie BR est faible et donc que le risque de formation d’un point chaud dans le réseau électrique RE au niveau du court-circuit est très faible. Il y a en effet des phases de vie transitoires où la batterie BR peut délivrer du courant sans qu’il y ait de court-circuit pour autant.
Egalement de préférence, les moyens de contrôle MCT peuvent effectuer le déclenchement (consécutif à la détection du court-circuit) lorsque le courant de recharge est suivi d’un courant de décharge pendant une durée qui est supérieure à un seuil temporel. Par exemple, lorsque le système S est un véhicule, ce seuil temporel peut être compris entre 500 ms et 2 s. A titre d’exemple, ce seuil temporel peut être égal à 1 s.
Cette autre option, qui peut être éventuellement mais avantageusement combinée à la précédente, est destinée à éviter l’arrêt d’une recharge rapide en présence d’une erreur de mesure de courant par les moyens de mesure MM ou bien d’une mesure de courant juste mais très brève et donc non significative.
On notera également, comme illustré non limitativement sur l’unique figure, que les moyens de contrôle MCT peuvent faire partie de la batterie BR. Mais cela n’est pas obligatoire. En effet, ils peuvent éventuellement faire partie d’un calculateur, comme par exemple le calculateur de supervision CS, ou bien constituer une partie des moyens de commande de la batterie BR. Par conséquent, les moyens de contrôle MCT peuvent être réalisés sous la forme de modules logiciels (ou informatiques ou encore « software »), ou bien d’une combinaison de circuits électroniques (ou « hardware ») et de modules logiciels.
On notera également que l’invention peut être aussi considérée sous l’angle d’un procédé de protection pouvant être notamment mis en oeuvre au moyen d’un dispositif de protection DP du type de celui présenté ci-avant. Les fonctionnalités offertes par la mise en oeuvre du procédé selon l’invention étant identiques à celles offertes par le dispositif de protection DP présenté ciavant, seule la combinaison de fonctionnalités principales offerte par le procédé est présentée ci-après.
Ce procédé de protection comprend une étape dans laquelle, lors d’une recharge rapide de la batterie BR lorsqu’un courant de recharge entrant dans la batterie BR est suivi d’un courant de décharge sortant de la batterie BR et représentatif d’un court-circuit dans le réseau électrique RE, on place les premiers moyens de commutation MC1 dans leur second état et on transmet un message requérant l’arrêt immédiat de la recharge rapide à destination de la station SR.
L’invention offre plusieurs avantages, parmi lesquels :
- elle permet d’améliorer très notablement la sécurité électrique lors des recharges rapides,
- elle est très facile à mettre en oeuvre,
- elle est très peu onéreuse.

Claims (10)

1. Dispositif de protection (DP) pour un système (S) comprenant une batterie (BR) rechargeable et connectée, via des premiers moyens de commutation (MC1) pouvant être placés dans des premier et second états dans lesquels respectivement ils permettent et empêchent une circulation de courant, à un réseau électrique (RE) auquel est connecté un connecteur de recharge (CR) propre à être couplé à une station (SR) de recharge rapide en courant continu, caractérisé en ce qu’il comprend des moyens de contrôle (MCT) qui, lors d’une recharge rapide de ladite batterie (BR) lorsqu’un courant de recharge entrant dans ladite batterie (BR) est suivi d’un courant de décharge sortant de ladite batterie (BR) et représentatif d’un court-circuit dans ledit réseau électrique (RE), déclenchent un placement desdits premiers moyens de commutation (MC1) dans leur second état et la transmission d’un message requérant l’arrêt immédiat de ladite recharge rapide à destination de ladite station (SR).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle (MCT) effectuent ledit déclenchement lorsque ledit courant de recharge est suivi d’un courant de décharge supérieur à un seuil de courant.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle (MCT) effectuent ledit déclenchement lorsque ledit courant de recharge est suivi dudit courant de décharge pendant une durée supérieure à un seuil temporel.
4. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il comprend des moyens de mesure (MM) mesurant ledit courant de recharge et ledit courant de décharge.
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure (MM) sont implantés dans ladite batterie (BR).
6. Batterie rechargeable (BR) propre à équiper un système (S) et à être connectée, via des premiers moyens de commutation (MC1) pouvant être placés dans des premier et second états dans lesquels respectivement ils permettent et empêchent une circulation de courant, à un réseau électrique (RE) auquel est connecté un connecteur de recharge (CR) propre à être couplé à une station (SR) de recharge rapide en courant continu, caractérisée en ce qu’elle comprend un dispositif de protection (DP) selon l’une des 5 revendications précédentes.
7. Batterie rechargeable (BR) selon la revendication 6, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins un groupe de cellule(s) de stockage d’énergie électrique.
8. Système (S) comprenant un réseau électrique (RE) auquel est îo connecté un connecteur de recharge (CR) propre à être couplé à une station (SR) de recharge rapide en courant continu, caractérisé en ce qu’il comprend en outre au moins une batterie rechargeable (BR) selon la revendications 6 ou 7, connectée audit réseau électrique (RE), ou un dispositif de protection (DP) selon l’une des revendications 1 à 5.
15
9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce qu’il constitue un véhicule de type tout électrique ou hybride.
10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit véhicule est de type automobile.
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