CA2865799A1 - Dispositif de charge comprenant un convertisseur dc-dc - Google Patents

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Abstract

L'invention a pour objet un dispositif de charge (2) pour un appareil motorisé (8), l'appareil motorisé (8) comprenant une batterie (5) et des équipements (7a, 7b, 7c), ledit dispositif de charge (2) comprenant : - un premier module de conversion (3) adapté à convertir un courant alternatif d'entrée en un courant continu ayant une première tension; - un deuxième module de conversion (4) adapté à convertir un courant continu ayant une première tension en un courant continu ayant une deuxième tension inférieure à la première tension; - un module de commutation (6) connecté au premier module de conversion (3), au deuxième module de conversion (4) et adapté à être connecté à la batterie (5); le module de commutation (6) étant adapté : - dans un mode de charge, à alimenter le deuxième module de conversion (4) et la batterie (5) par le premier module de conversion (3); - dans un mode d'utilisation, à alimenter le deuxième module de conversion (4) par la batterie (5); le deuxième module de conversion (4) étant adapté à alimenter les équipements (7a, 7b, 7c); et le deuxième module de conversion (4) comprenant un convertisseur SEPIC. L'invention concerne également l'appareil motorisé comprenant ce dispositif et un procédé d'alimentation électrique l'utilisant.

Description

DISPOSITIF DE CHARGE COMPRENANT UN CONVERTISSEUR DC-DC
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un dispositif de charge comprenant un convertisseur DC-DC couplé à un convertisseur AC-DC, ce dispositif de charge étant particulièrement approprié pour une utilisation en tant que dispositif embarqué dans un véhicule automobile électrique.
ARRIERE-PLAN TECHNIQUE
De nombreux engins mobiles utilisent l'énergie électrique et sont équipés de batteries, par exemple des véhicules électriques, des nacelles, des transpalettes... Ces engins comprennent généralement des chargeurs embarqués, c'est-à-dire des chargeurs de batteries électriques qui sont montés directement sur les engins mobiles.
La fonction principale de ces chargeurs embarqués est la recharge des batteries à partir de l'électricité disponible sur le réseau de distribution électrique.
Pour des raisons d'autonomie et de rendement, la ou les batteries de traction (qui sont utilisées pour alimenter le système de traction, c'est-à-dire la motorisation, des engins ci-dessus) ont des tensions élevées (par exemple 48 V, 60 V, voire 400 V et plus), alors que l'électronique embarquée demande une tension plus faible. La tension nominale la plus répandue est de 12 V : elle correspond aux équipements traditionnellement utilisés dans l'environnement automobile.
Il est donc nécessaire d'ajouter un convertisseur de tension continu-continu (DC-DC), qui abaisse la tension de la batterie de traction à la valeur demandée par les équipements de bord.
Il est avantageux d'intégrer à la fois ce convertisseur DC-DC et les moyens de charge de la batterie de traction dans un même dispositif de charge, pour effectuer des gains de volume, de poids, de connectique, de fiabilité, et pour faciliter l'intégration de ces équipements dans le véhicule ou autre engin motorisé.
2 De manière classique, il est connu d'utiliser à titre de convertisseur DC-DC dans un dispositif de charge tel que décrit ci-dessus : soit un circuit comprenant un transformateur, qui est un équipement lourd et encombrant ;
soit un convertisseur de type abaisseur série (Buck), qui ne comporte pas d'isolation galvanique et qui représente un risque de sécurité en cas de défaillance et de mise en court-circuit du commutateur du convertisseur (en effet, dans cette situation, la tension élevée d'entrée se trouve alors directement appliquée sur la sortie, ce qui peut endommager les équipements fonctionnant à basse tension).
lo Il existe donc un besoin d'améliorer la sécurité d'un dispositif de charge pour appareil motorisé (et notamment pour véhicule) comprenant un convertisseur DC-DC, sans recourir à des équipements lourds, encombrants et / ou coûteux.
RESUME DE L'INVENTION
L'invention concerne en premier lieu un dispositif de charge pour un appareil motorisé, l'appareil motorisé comprenant une batterie et des équipements, ledit dispositif de charge comprenant :
¨ un premier module de conversion adapté à convertir un courant alternatif d'entrée en un courant continu ayant une première tension ;
¨ un deuxième module de conversion adapté à convertir un courant continu ayant une première tension en un courant continu ayant une deuxième tension inférieure à la première tension ;
- un module de commutation connecté au premier module de conversion, au deuxième module de conversion et adapté à être connecté à la batterie ;
le module de commutation étant adapté :
¨ dans un mode de charge, à alimenter le deuxième module de conversion et la batterie par le premier module de conversion ;
¨ dans un mode d'utilisation, à alimenter le deuxième module de conversion par la batterie ;
le deuxième module de conversion étant adapté à alimenter les équipements ; et le deuxième module de conversion comprenant un convertisseur SEPIC.
Selon un mode de réalisation, la première tension vaut de 24 à 500 V, de préférence de 45 à 80 V.
3 Selon un mode de réalisation, la deuxième tension vaut de 5 à 20 V, de préférence de 10 à 15 V.
Selon un mode de réalisation, le courant alternatif d'entrée présente une tension de 80 V à 300 V, de préférence de de 85 à 265 V et / ou une puissance de 0,5 kW à 10 kW, de préférence de 1 kW à 6 kW.
Selon un mode de réalisation, le convertisseur SEPIC comporte une entrée, une sortie, et un condensateur assurant une isolation capacitive entre l'entrée et la sortie, le condensateur présentant de préférence une capacité
de 2 F à 100 F, de manière plus particulièrement préférée de 15 F à
45 F.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de charge de l'invention est intégré, ou embarqué, dans l'appareil motorisé.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de charge de l'invention comprend un boîtier, dans lequel sont disposés le premier module de conversion, le deuxième module de conversion, et le module de commutation.
L'invention a également pour objet un appareil motorisé comprenant le dispositif de charge tel que décrit ci-dessus, ainsi que la batterie et les équipements mentionnés ci-dessus.
Selon un mode de réalisation, l'appareil motorisé est un véhicule.
Selon un mode de réalisation, l'appareil motorisé est un véhicule automobile à alimentation électrique.
Selon un mode de réalisation, les équipements comprennent un ou plusieurs équipements choisis parmi une batterie secondaire, des capteurs, des voyants, un ordinateur de bord, des moyens d'éclairage et un autoradio.
L'invention a également pour objet un procédé d'alimentation électrique d'équipements d'un appareil motorisé, comprenant la fourniture d'un courant continu ayant une première tension, la conversion de ce courant en un courant continu ayant une deuxième tension inférieure à la première tension, et l'alimentation des équipements avec ce courant continu ayant une deuxième tension, dans lequel l'étape de conversion est effectuée au moyen d'un convertisseur SEPIC.
Selon un mode de réalisation, la première tension vaut de 24 à 500 V, de préférence de 45 à 80 V, et / ou la deuxième tension vaut de 5 à 20 V, de préférence de 10 à 15V.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend la fourniture d'un courant alternatif d'entrée et la conversion de celui-ci en le courant continu de première tension.
4 Selon un mode de réalisation, le courant continu de première tension alimente en outre une batterie de l'appareil motorisé.
Selon un mode de réalisation, le courant alternatif d'entrée présente une tension de 80 V à 300 V, de préférence de de 85 à 265 V et / ou une puissance de 0,5 kW à 10 kW, de préférence de 1 kW à 6 kW.
Selon un mode de réalisation (alternatif), le courant continu de première tension est fourni par une batterie de l'appareil motorisé.
Selon un mode de réalisation, l'appareil motorisé est un véhicule, de préférence un véhicule automobile à alimentation électrique.
Selon un mode de réalisation, les équipements comprennent un ou plusieurs équipements choisis parmi une batterie secondaire, des capteurs, des voyants, un ordinateur de bord, des moyens d'éclairage et un autoradio.
La présente invention permet de surmonter les inconvénients de l'état de la technique. Elle fournit plus particulièrement un dispositif de charge pour appareil motorisé (et notamment pour véhicule) assurant une isolation capacitive du convertisseur DC-DC et garantissant ainsi la sécurité du dispositif même en cas de défaillance en court-circuit d'un composant, sans recourir à des équipements lourds, encombrants et / ou coûteux tels que les transformateurs.
Ceci est accompli grâce à l'utilisation d'un convertisseur de type SEPIC. Le terme SEPIC signifie single-ended primary-inductor converter , c'est-à-dire convertisseur à inductance primaire simple. L'architecture de type SEPIC est connue pour les applications de faible puissance (ordinateurs de bureau...), mais les présents inventeurs ont reconnu que cette architecture peut être mise à profit dans le cadre d'une application de forte puissance (par exemple jusqu'à 500 W) telle que la charge d'appareils motorisés (du type véhicules électriques).
Dans le cadre de l'invention, le convertisseur SEPIC offre un bon rendement, une structure simple, un fonctionnement fiable et un faible encombrement.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
La figure 1 représente de manière schématique un dispositif de charge selon l'invention, intégré dans un appareil motorisé, fonctionnant en mode de charge.
La figure 2 représente de manière schématique le même dispositif de charge fonctionnant en mode d'utilisation.

La figure 3 est un schéma de principe d'un convertisseur SEPIC
utilisé dans le cadre de l'invention.
La figure 4 est un schéma de principe d'un convertisseur AC-DC
susceptible d'être utilisé dans le cadre de l'invention.
5 La figure 5 représente de manière schématique un commutateur utilisé dans le cadre de l'invention.
DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION
L'invention est maintenant décrite plus en détail et de façon non limitative dans la description qui suit.
En faisant référence aux figures 1 et 2, un dispositif de charge 2 selon l'invention est adapté à être monté ou intégré dans un appareil motorisé 8 qui comprend une batterie 5 et des équipements 7a, 7b, 7c. La batterie 5 est adaptée à délivrer, et à être chargée par, un courant continu présentant une première tension, notée Ul. Les équipements 7a, 7b, 7c sont adaptés à être chargés et / ou à fonctionner avec un courant continu présentant une deuxième tension notée U2, U2 étant inférieure à Ul.
Selon un mode de réalisation préféré, l'appareil motorisé 8 est un véhicule, notamment un véhicule automobile, à alimentation électrique. Dans d'autres modes de réalisation, l'appareil motorisé 8 peut être un engin de manutention tel qu'une nacelle élévatrice, un chariot élévateur ou un transpalette.
La batterie 5 représente la batterie de traction du véhicule (ou de l'engin), c'est-à-dire la batterie responsable de l'alimentation du moteur du véhicule (ou de l'engin). Il est entendu que cette batterie 5 peut représenter une batterie unique ou un ensemble de batteries.
Les équipements 7a, 7b, 7c peuvent comprendre des capteurs, des voyants, un ordinateur de bord, des moyens d'éclairage, un autoradio...
Ils peuvent également comprendre une batterie secondaire, elle-même susceptible d'alimenter le reste des équipements 7a, 7b, 7c.
La tension U1 vaut en général de 24 à 500 V, de préférence de 45 à
80V.
La tension U2 vaut en général de 5 à 20 V, de préférence de 10 à
15V.
A titre d'exemple, U1 peut valoir 60 V environ et U2 peut valoir 12 V
environ.
Le dispositif de charge 2 comprend un premier module de conversion 3, un deuxième module de conversion 4, et un module de commutation 6 qui
6 est connecté au premier module de conversion 3, au deuxième module de conversion 4 et, lorsque le dispositif de charge 2 est intégré dans l'appareil motorisé 8, à la batterie 5.
Le premier module de conversion 3 est adapté à convertir un courant d'alimentation alternatif en courant continu à la tension Ul.
Le deuxième module de conversion 4 est adapté à convertir un courant continu à la tension U1 en un courant continu à la tension U2 inférieure à Ul.
En faisant référence à la figure 4, le premier module de conversion 3 comporte généralement une entrée 21 destinée à être reliée au réseau électrique et un pré-régulateur à absorption sinusoïdale 22 (ou PFC) suivi d'un convertisseur continu-continu avec isolation galvanique 23. Le premier module de conversion 3 transforme ainsi l'énergie électrique disponible sur le réseau d'alimentation en tension continue, isolée du secteur. Dans le cas d'une application à la charge de batterie, il adapte cette tension aux conditions nécessaires à la charge de la batterie.
Le deuxième module de conversion 4 comprend un convertisseur SEPIC qui assure la conversion du courant continu de tension U1 en le courant continu de tension U2.
Le dispositif de charge 2 peut fonctionner selon au moins deux modes distincts, à savoir un mode de charge et un mode d'utilisation. Par exemple, lorsque l'appareil motorisé 8 est un véhicule automobile, celui-ci est immobilisé et relié au réseau électrique en mode de charge, tandis qu'en mode d'utilisation le véhicule est déconnecté du réseau électrique, et peut par exemple rouler.
En faisant référence à la figure 1, en mode de charge, une source d'alimentation 1 (telle que le réseau électrique) alimente en courant alternatif le premier module de conversion 3. Cette source d'alimentation 1 peut être une source monophasée, biphasée, triphasée ou toute autre source électrique.
Par exemple, pour une tension monophasée, la tension alternative peut être de 85 V à 265 V et le courant de 16 A environ.
Le module de commutation 6 assure que le premier module de conversion 3 alimente en courant continu de tension U1 à la fois la batterie 5 (qui est ainsi chargée) et le deuxième module de conversion 4.
En faisant référence à la figure 2, en mode d'utilisation, le premier module de conversion 3 n'est pas connecté à une quelconque source d'alimentation électrique et il n'est donc pas utilisé. Le dispositif de charge 2
7 tout comme l'appareil motorisé 8 auquel il est intégré sont alimentés en courant continu de tension U1 par la batterie 5.
Plus précisément, le module de commutation 6 assure que la batterie alimente le deuxième module de conversion 4.
5 En mode de charge tout comme en mode d'utilisation, le deuxième module de conversion 4 alimente en courant continu de tension U2 les équipements 7a, 7b, 7c de l'appareil motorisé.
La tension U2 peut être par exemple de 6 à 16 V avec une valeur nominale de 12 V, la puissance étant de 200 W à quelques kilowatts. Ces valeurs sont dépendantes des caractéristiques des équipements 7a, 7b, 7c et sont susceptibles d'augmenter, tant pour la tension que pour la puissance.
En faisant référence à la figure 3, le convertisseur SEPIC du deuxième module de conversion 4 comporte des bornes d'entrée 11a, 11b, à
savoir une première borne d'entrée lia et une deuxième borne d'entrée llb reliée à la référence de tension. En parallèle des bornes d'entrée lia, 11 b est connecté un premier condensateur 12. Aux bornes du premier condensateur 12 est connecté un circuit série comportant une première inductance 13 et un transistor 14 (une des bornes du transistor 14 étant reliée à la référence de tension.
Aux bornes du transistor 14 est connecté un circuit série comportant un deuxième condensateur 15 et une deuxième inductance 16 (une des bornes de la deuxième inductance 16 étant reliée à la référence de tension).
Aux bornes de la deuxième inductance 16 est connecté un circuit série comportant une diode 17 et un troisième condensateur 18 (une des bornes du troisième condensateur 18 étant reliée à la référence de tension).
Enfin, les bornes du troisième condensateur 18 sont reliées à des bornes de sortie 19a, 19b, à savoir une première borne de sortie 19a et une deuxième borne de sortie 19b reliée à la référence de tension.
Le courant continu de tension U1 est appliqué aux bornes d'entrée 11a, 11b, tandis que le courant continu de tension U2 est délivré aux bornes de sortie 19a, 19b.
Les paramètres des composants sont déterminés en fonction de l'utilisation et du dimensionnement du convertisseur SEPIC.
A titre d'illustration, les paramètres des composants du convertisseur SEPIC peuvent être les suivants :
¨ premier condensateur 12 : capacité de 0,1 F à 10 F, de préférence de 0,4 F à 10 F;
8 PCT/EP2013/054631 ¨ première inductance 13 : valeur d'inductance 0,5 H à 100 H, de préférence de 5 H à 35 H
¨ deuxième condensateur 15: capacité de 2 F à 100 F, de préférence de 15 F à 45 F ;
¨ deuxième inductance 16 : valeur d'inductance 0,5 H à 100 H, de préférence de 5 H à 20 H ;
¨ troisième condensateur 18 : capacité de 20 F à 10 mF, de préférence de 1 mF à 5 mF.
Le transistor 14 peut être par exemple un transistor MOSFET ou un transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) ou tout autre commutateur.
La diode 17 est par exemple une diode Schottky.
Le convertisseur SEPIC assure une isolation capacitive entre l'entrée du convertisseur (partie de circuit notée A) et la sortie du convertisseur (partie de circuit notée B), grâce au deuxième condensateur 15.
Ainsi, la sécurité du dispositif est garantie en cas de défaillance des composants actifs et notamment du transistor 14.
La fonction du module de commutation 6 est de permettre l'aiguillage des tensions entre les divers modes de fonctionnement. La figure 5 présente un exemple de module de commutation 6 qui permet au deuxième module de conversion 4 d'être alimenté aussi bien par le premier module de conversion 3 que par la batterie 5.

Claims (16)

REVENDICATIONS
1. Dispositif de charge (2) pour un appareil motorisé (8), l'appareil motorisé (8) comprenant une batterie (5) et des équipements (7a, 7b, 7c), ledit dispositif de charge (2) comprenant :
¨ un premier module de conversion (3) adapté à convertir un courant alternatif d'entrée en un courant continu ayant une première tension ;
¨ un deuxième module de conversion (4) adapté à convertir un courant continu ayant une première tension en un courant continu ayant une deuxième tension inférieure à la première tension ;
¨ un module de commutation (6) connecté au premier module de conversion (3), au deuxième module de conversion (4) et adapté à être connecté à la batterie (5) ;
le module de commutation (6) étant adapté :
¨ dans un mode de charge, à alimenter le deuxième module de conversion (4) et la batterie (5) par le premier module de conversion (3) ;
¨ dans un mode d'utilisation, à alimenter le deuxième module de conversion (4) par la batterie (5) ;
le deuxième module de conversion (4) étant adapté à alimenter les équipements (7a, 7b, 7c) ; et le deuxième module de conversion (4) comprenant un convertisseur SEPIC.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la première tension vaut de 24 à 500 V, de préférence de 45 à 80 V ; et / ou dans lequel la deuxième tension vaut de 5 à 20 V, de préférence de 10 à 15 V.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le courant alternatif d'entrée présente une tension de 80 V à 300 V, de préférence de de 85 à 265 V et / ou une puissance de 0,5 kW à
kW, de préférence de 1 kW à 6 kW.
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le convertisseur SEPIC comporte une entrée (11a, 11b), une sortie (19a, 19b), et un condensateur (15) assurant une isolation capacitive entre l'entrée (11 a, 11 b) et la sortie (19a, 19b), le condensateur (15) présentant de préférence une capacité de 2 µF à 100 µF, de manière plus particulièrement préférée de 15 µF à 45 µF.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, qui est intégré
dans l'appareil motorisé (8) ; et/ou comprenant un boîtier dans lequel sont disposés le premier module de conversion (3), le deuxième module de conversion (4) et le module de commutation (6).
6. Appareil motorisé (8) comprenant le dispositif de charge (2) selon l'une des revendications 1 à 5, ainsi que la batterie (5) et les équipements (7a, 7b, 7c) mentionnés dans la revendication 1.
7. Appareil motorisé (8) selon la revendication 6, qui est un véhicule, de préférence un véhicule automobile à alimentation électrique.
8. Appareil motorisé (8) selon la revendication 6 ou 7, dans lequel les équipements (7a, 7b, 7c) comprennent un ou plusieurs équipements choisis parmi une batterie secondaire, des capteurs, des voyants, un ordinateur de bord, des moyens d'éclairage et un autoradio.
9. Procédé d'alimentation électrique d'équipements d'un appareil motorisé, comprenant la fourniture d'un courant continu ayant une première tension, la conversion de ce courant en un courant continu ayant une deuxième tension inférieure à la première tension, et l'alimentation des équipements avec ce courant continu ayant une deuxième tension, dans lequel l'étape de conversion est effectuée au moyen d'un convertisseur SEPIC.
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la première tension vaut de 24 à 500 V, de préférence de 45 à 80 V, et / ou dans lequel la deuxième tension vaut de 5 à 20 V, de préférence de 10 à 15 V.
11. Procédé selon la revendication 9 ou 10, comprenant la fourniture d'un courant alternatif d'entrée et la conversion de celui-ci en le courant continu de première tension.
12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel le courant continu de première tension alimente en outre une batterie de l'appareil motorisé.
13. Procédé selon la revendication 11 ou 12, dans lequel le courant alternatif d'entrée présente une tension de 80 V à 300 V, de préférence de de 85 à 265 V et / ou une puissance de 0,5 kW à
kW, de préférence de 1 kW à 6 kW.
14. Procédé selon la revendication 9 ou 10, dans lequel le courant continu de première tension est fourni par une batterie de l'appareil motorisé.
15. Procédé selon l'une des revendications 9 à 14, dans lequel l'appareil motorisé est un véhicule, de préférence un véhicule automobile à alimentation électrique.
16. Procédé selon l'une des revendications 9 à 15, dans lequel les équipements comprennent un ou plusieurs équipements choisis parmi une batterie secondaire, des capteurs, des voyants, un ordinateur de bord, des moyens d'éclairage et un autoradio.
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