EP2656494A1 - Dispositif et procede de conversion dc/dc dans le reseau de bord d'un vehicule - Google Patents

Dispositif et procede de conversion dc/dc dans le reseau de bord d'un vehicule

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Publication number
EP2656494A1
EP2656494A1 EP11815497.0A EP11815497A EP2656494A1 EP 2656494 A1 EP2656494 A1 EP 2656494A1 EP 11815497 A EP11815497 A EP 11815497A EP 2656494 A1 EP2656494 A1 EP 2656494A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
converter
current
voltage
converters
module
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11815497.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Aurélien BATTELIER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo Electrification SAS
Original Assignee
Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Systemes de Controle Moteur SAS filed Critical Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
Publication of EP2656494A1 publication Critical patent/EP2656494A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/22—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC
    • H02M3/24—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/28—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC
    • H02M3/285—Single converters with a plurality of output stages connected in parallel
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2105/00—Networks for supplying or distributing electric power characterised by their spatial reach or by the load
    • H02J2105/30—Networks for supplying or distributing electric power characterised by their spatial reach or by the load the load networks being external to vehicles, i.e. exchanging power with vehicles
    • H02J2105/33—Networks for supplying or distributing electric power characterised by their spatial reach or by the load the load networks being external to vehicles, i.e. exchanging power with vehicles exchanging power with road vehicles
    • H02J2105/37—Networks for supplying or distributing electric power characterised by their spatial reach or by the load the load networks being external to vehicles, i.e. exchanging power with vehicles exchanging power with road vehicles exchanging power with electric vehicles [EV] or with hybrid electric vehicles [HEV]

Definitions

  • the invention relates to a device and a conversion method in the on-board network of a vehicle, for example an automobile.
  • Stop-Start There are two complementary “Stop-Start” (or “stop-start”) solutions, starting from either a reinforced starter or an alternator-starter.
  • the Stop-Start function stops the engine when the vehicle is stopped and then restarts it instantly and quietly.
  • the reinforced starter makes it possible to perform the Stop-Start function with a reduction of consumption of 4 to 6% on the European cycle NEDC ("New European Driving Cycle"). Due to the non-intrusiveness of the system on the architecture of the vehicle, it can be installed in a very short time.
  • the Stop-Start function performed from a starter-alternator offers different levels of hybridization and, consequently, gains in consumption and emission reductions.
  • This alternator-starter allows to obtain an improved efficiency since it cuts the engine as soon as the vehicle rolls below a certain speed, the consumption being able to be reduced from 6 to 8% in European cycle NEDC and up to 25 % in busy urban traffic, where vehicles spend 35% of their time at a standstill. Installed in place of a conventional alternator, this alternator-starter requires little modification of the vehicle architecture.
  • a DC / DC converter 10 is connected at the input to a Stop-Start module 11 and to an energy storage module 12, based on ultra-capacitors, and output to the 14 volts onboard network 13, and a battery 14 via a switch 15.
  • a switch 15 Such a solution has a power doubled by its ability to handle higher electrical voltages.
  • it acts as an electric brake on the engine and transforms the energy thus recovered into electricity which is stored in ultra-capacitors 12 adapted to frequent cycles of loading / unloading.
  • This electricity can be restored to the 14 volts onboard network 13 via the DC / DC converter 10 or reused by 1 alternator-starter of the Stop-Start 11 module in order to restart the engine during the Stop-Start function, or help him with a strong demand for power. It makes it possible to significantly reduce the consumption of the heat engine, the gain obtained being estimated to be between 10 and 12% in the European NEDC cycle.
  • the DC / DC converter 10 thus manages energy exchanges between a floating network, for example a nominal voltage of 24 volts and the 14 volts vehicle network. But this DC / DC converter 10 is provided for a power of 2.4 kW. It does not meet power requirements between 2.4 kW and 4.8 kW for new types of vehicle in development.
  • the purpose of the invention is to propose a solution that makes it possible to meet such needs in a case where development time constraints do not make it possible to provide a new design of the DC / DC converter.
  • the present invention relates to a conversion device in the on-board network of a vehicle connected on the one hand to a Stop-Start module comprising an alternator-starter and to a set of supercapacities and on the other hand to the 14-volt onboard network. of the vehicle and a battery, characterized in that it comprises at least two hardware-and-software-identical DC / DC converters arranged in parallel connected to a supervisor by a communication system, with symmetrical input wiring. and out and learning ways the imbalance of wiring impedance for a specified period.
  • the device of the invention further comprises reset means.
  • the device of the invention comprises two DC / DC converters, each converter comprising a software module receiving from the supervisor via a CAN bus an on / off conversion command, a voltage setpoint, a maximum current setpoint to be output and signals measuring voltage and current, followed by a hardware module which comprises two averaging modules, followed by one of a voltage control loop and the other of a current control loop, connected to a module setpoint calculation followed by a switching power supply, and wherein the software module comprises a voltage corrector and a current corrector.
  • the device of the invention comprises a master supervisor and two slave converters receiving from it a common voltage setpoint and communicating with each other with adaptation of the voltage setpoint entering the converter providing the least current.
  • Each converter can include several modules:
  • a module for balancing the current as a function of the temperature and for performing the learning phase connected to:
  • an evaluation module of the delta value U f (delta Ohm), to a module for evaluating the desired voltage U_target for each of the converters, which receives an initial value of U_target delivered by a calculation module, and the value delta U delivered by the evaluation module of this value and in which one uses the following algorithm:
  • it comprises means for applying a voltage offset to the voltage setpoint of the DC / DC converter providing the least current.
  • the device of the invention comprises means for processing degraded modes, and diagnostic redundancy means.
  • the present invention also relates to a DC / DC conversion method in the on-board network of a vehicle implementing the device described above which comprises the following steps:
  • the method of the invention comprises a step of applying a voltage offset to the voltage setpoint of the DC / DC converter providing the least current.
  • the method of the invention comprises the following steps:
  • Figure 1 illustrates a device of the prior art.
  • FIGS 2 and 3 illustrate the device of the invention.
  • Figure 4 illustrates the current distribution between two DC / DC converters arranged in parallel.
  • Figure 5 illustrates the corresponding temperature measurements.
  • FIG. 6 represents a Pareto diagram proposing the ratio of lifetime to temperature differences (AT ° C) between two DC / DC converters arranged in parallel.
  • Figure 7 illustrates the existing wiring impedances between the two converters arranged in parallel and a load.
  • FIG. 8 illustrates the current voltage regulation block diagram of a DC / DC converter.
  • Figure 9 illustrates the principle of software control of a DC / DC converter.
  • Figure 10 illustrates an embodiment of the device of the invention.
  • FIGS. 11 and 12 respectively illustrate a control without a thermal balancing strategy and with a thermal balancing strategy according to the invention.
  • FIGS. 13A and 13B illustrate two examples of compensation respectively of Delta U (AU) as a function of Delta I ( ⁇ ), and delta U as a function of Delta Ohm.
  • FIG. 14 illustrates the implementation of the compensation of FIG. 13B in a DC / DC converter, in one embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 2 it is considered a power architecture providing for the paralleling of at least two DC / DC converters (for example 12V / 24V) 20 and 21.
  • DC / DC converters for example 12V / 24V
  • Figure 3 illustrates the wiring diagram of several DC / DC converters arranged in parallel. These converters 30 are connected on the one hand to a supervisor (ECU) 31 via a CAN bus 32, for example, and on the other hand to a power supply 33 and to a load 34 via wiring modules 35. and 36.
  • ECU supervisor
  • CAN bus 32 for example
  • a set of two DC / DC1 and DC / DC2 converters in parallel and means for communicating these converters with each other and with a supervisor (ECU) is considered as a nonlimiting example. using CAN bus.
  • each current difference of an ampere corresponds to a temperature difference of about one degree Celsius.
  • the temperature difference (or delta) between these two converters during their life cycles, strongly influences their respective lifetimes.
  • the Pareto diagram shown in Figure 6 assesses the lifetimes of these two converters according to their temperature differences (successively for a control card, for a power card and for the complete converter). It can be deduced from this diagram that the lifetime of the first DC / DC1 converter operating at temperatures 30 ° C higher than those of the second DC / DC2 converter is approximately five times shorter.
  • the operating constraints of such DC / DC converters arranged in parallel must therefore include algorithms to ensure their thermal equilibrium in order to optimize and harmonize their lifetimes.
  • the temperature difference is logically proportional to the measured current difference or it directly depends on the difference in wiring impedance between the load and each DC / DC converter.
  • FIG. 7 thus illustrates the wiring impedances R1, R2, and R3 between the two converters and the load.
  • the invention defines a strategy for managing the distribution of the respective currents of these two DC / DC converters according to their internal temperature, knowing that the temperature of a converter is directly related to the current it provides.
  • the objective is to achieve a temperature difference that is below a certain value, for example 10 ° C.
  • the invention proposes to use a current balancing strategy in performing training in the impedance imbalance of the wiring between the load and each DC / DC converter during a learning period, thus managing the current balance between each converter in order to harmonize their lifetimes.
  • the invention also makes it possible to envisage a reinitialization of the training of the imbalance of impedance of the wiring during the life of the converters.
  • DC / DC1 and DC / DC2 are identical from a hardware and software point of view connected to a communication system, for example a CAN bus ("Controller Area Network"). ") Private or public, and commissioned by an external supervisor (ECU).
  • ECU External Supervisor
  • Each DC / DC1 and DC / DC2 converter receives the following instructions:
  • a software module 40 receives the ON / OFF, U_target, instructions. I_max_target and the voltage measurement signals U_meas and I_meas current, and delivers PWM_U and PWM_I pulse width modulation signals.
  • a hardware module 41 which receives these signals PWM_U and PWM_I, comprises two averaging modules 42 and 43, followed by one of a voltage control loop 44 and the other of a current control loop 45, connected to each other. to a setpoint calculation module 46 followed by a switching power supply 47.
  • FIG. 9 illustrates the principle of regulation of the software module 50 of a DC / DC converter.
  • a software voltage corrector 51 receives a difference signal U ta rget ⁇ U me as and delivers the signal PWM_U.
  • a software current corrector 52 receives a difference signal I max _target-Imeas and delivers the signal PWM_I. If voltage is regulated, ie no current limitation is applied, the signal PWM_I is equal to 100% and it is the signal PWM_U which regulates the output voltage.
  • the current of a converter remains below the maximum current setpoint to be output I_max_target.
  • the current / thermal balancing strategy is implemented in the two DC / DC converters.
  • the master ECU does not handle the thermal balancing of both converters. It sends a single voltage target U target to both converters that self-balance at the end of the learning period. He does not limit them while running.
  • the strategy of thermal balancing by learning is implemented symmetrically in each DC / DC converter. But the adaptation of the voltage setpoint as a function of the measured wiring impedance difference can be antisymmetrically in both converters in the converter that provides the least current and that one must "boost", c that is, increase the output current.
  • Degraded mode processing (operation at X% of the total power) and redundancy of the diagnostics are also possible by the processing of information passing between the DC / DC converters and the master ECU and between the two DC / DC converters.
  • FIGS. 11 and 12 make it possible to highlight the characteristics of this embodiment in view of controlling two DC / DC converters in parallel respectively without and with a thermal balancing strategy.
  • the invention proposes to perform the wiring impedance unbalance learning, as illustrated in FIG. 12. It is therefore implemented internally of each DC / DC converter a learning phase. over a predetermined number of operating cycles in order to deduce the voltage difference to be applied to the voltage setpoint of one of the DC / DC converters (or anti-symmetrically to both) according to the measurement of the difference in average current and that of the average temperature difference between the converters during these learning cycles.
  • each of the converters records, for example, the average current difference over one operating cycle by comparison between its current and that delivered by the second converter and then saves this current difference I at the end of the cycle. This measurement is made during each cycle of learning and the previously recorded value is averaged over the last recorded from the second cycle.
  • thermo coherence is carried out which eventually allows to inhibit the correction as a result of the learning phase.
  • a compensation offset on the voltage setpoint is applied, as illustrated in FIGS. 13A and 13B, and is proportional (gain G) to the difference in impedance or depends on a table of dots.
  • gain G proportional to the difference in impedance or depends on a table of dots.
  • FIG. 13A shows an example in which the Delta U voltage compensation offset is proportional to the delta current difference I.
  • FIG. 13B shows an example of a "lookup table" consisting of a mapping which, at a difference in impedance delta ⁇ , associates a compensation offset Delta U to be applied to the converter.
  • each converter which, as illustrated in FIG. 14, comprises several modules, namely:
  • a module 61 for balancing the current as a function of temperature and for performing the learning phase connected to:
  • a delta evaluation module U f (delta Ohm)
  • a module 63 for evaluating the desired voltage (U target) for each of the converters which receives an initial value of U target delivered by a module 64 and a value Delta U delivered by the module 62, and in which one uses the following algorithm:
  • the offset offset delta U is added to the voltage setpoint U_target_l of the DC converter / DC 1.
  • the offset offset delta U is added to the voltage set point U_target_2 of the DC converter / DC 2.
  • the delta U can be saturated by a maximum value that can be calibrated after tests that make it possible to prevent such a phenomenon from occurring.
  • this delta value U is applied to the setpoint of one or the other of the DC / DC converters according to their wiring configuration.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

L'invention concerne un dispositif de conversion dans le réseau de bord d'un véhicule relié d'une part à un module Stop-Start (11)comprenant un alterno-démarreur et à un ensemble de supercapacités (12) et d'autre part au réseau de bord 14 volts du véhicule (13) et à une batterie(14).Ce dispositif comprend au moins deux convertisseurs DC/DC (20, 21) différenciés, identiques d'un point de vue matériel et logiciel disposés en parallèle reliés à un superviseur par un système de communication, avec des câblages symétriques en entrée et en sortie, et des moyens d'apprentissage du déséquilibre d'impédance de câblage pendant une période déterminée. L'invention concerne également un procédé de conversion mettant en oeuvre ce dispositif.

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE DE CONVERSION DC/DC DANS
LE RESEAU DE BORD D'UN VEHICULE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne un dispositif et un procédé de conversion dans le réseau de bord d'un véhicule, par exemple une automobile.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
On connaît un ensemble de solutions faciles à mettre en œuvre et pouvant être rapidement introduites sur le marché pour les différentes étapes de l'hybridation de véhicules. De telles solutions permettent une réduction significative de la consommation et des émissions de CO2.
Il existe deux solutions « Stop-Start » (ou « arrêt-marche ») complémentaires, à partir soit d'un démarreur renforcé soit d'un alterno-démarreur . La fonction Stop-Start coupe le moteur lors de l'arrêt du véhicule et le relance ensuite instantanément et sans bruit. Le démarreur renforcé permet de réaliser la fonction Stop-Start avec une réduction de la consommation de 4 à 6% sur cycle européen NEDC (« New European Driving Cycle ») . Du fait de la non- intrusivité du système sur l'architecture du véhicule, celui-ci peut être installé dans de très brefs délais. La fonction Stop-Start réalisée à partir d'un alterno- démarreur offre différents niveaux d'hybridation et, par conséquent, des gains en consommation et des réductions d'émissions. Cet alterno-démarreur permet d'obtenir un rendement amélioré puisqu'il coupe le moteur dès que le véhicule roule en-dessous d'une certaine vitesse, la consommation pouvant être réduite de 6 à 8% en cycle européen NEDC et jusqu'à 25% en circulation urbaine chargée, là où les véhicules passent 35% de leur temps à l'arrêt. Installé en lieu et place d'un alternateur classique, cet alterno- démarreur nécessite peu de modifications sur l'architecture du véhicule.
Il existe de plus une réalisation comprenant des ultra-condensateurs permettant de récupérer l'énergie cinétique au freinage et d'assister le moteur thermique en cas de besoin. Ainsi, comme illustré sur la figure 1, dans un mode de réalisation de l'art connu, un convertisseur DC/DC 10 est relié en entrée à un module Stop-Start 11 et à un module de stockage d'énergie 12, à base d'ultra-condensateurs, et en sortie au réseau de bord 14 Volts 13, et à une batterie 14 via un interrupteur 15. Une telle solution dispose d'une puissance doublée par sa capacité à gérer des tensions électriques supérieures. Lors des phases de ralentissement du véhicule, elle agit comme un frein électrique sur le moteur thermique et transforme l'énergie ainsi récupérée en électricité qui est stockée dans des ultra-condensateurs 12 adaptés à des cycles fréquents de chargement/déchargement . Cette électricité peut être restituée au réseau de bord 14 Volts 13 par l'intermédiaire du convertisseur DC/DC 10 ou réutilisée par 1 ' alterno-démarreur du module Stop- Start 11 afin de relancer le moteur thermique lors de la fonction Stop-Start, ou lui venir en aide lors d'une forte demande de puissance. Elle permet de diminuer de manière sensible la consommation du moteur thermique, le gain obtenu étant estimé comme situé entre 10 et 12% en cycle européen NEDC.
Le convertisseur DC/DC 10 gère ainsi les échanges d'énergie entre un réseau flottant par exemple de tension nominale 24 Volts et le réseau véhicule 14 Volts. Mais ce convertisseur DC/DC 10 est prévu pour une puissance de 2,4 kW. Il ne permet pas de répondre à des besoins en puissance compris entre 2,4 kW et 4,8 kW apparus pour de nouveaux types de véhicule en développement .
L'invention a pour objet de proposer une solution permettant de répondre à de tels besoins dans un cas où les contraintes de temps de développement ne permettent pas de prévoir une conception nouvelle du convertisseur DC/DC.
EXPOSÉ DE L' INVENTION
La présente invention concerne un dispositif de conversion dans le réseau de bord d'un véhicule relié d'une part à un module Stop-Start comprenant un alterno-démarreur et à un ensemble de supercapacités et d'autre part au réseau de bord 14 volts du véhicule et à une batterie, caractérisé en ce qu' il comprend au moins deux convertisseurs DC/DC identiques d'un point de vue matériel et logiciel disposés en parallèle reliés à un superviseur par un système de communication, avec des câblages symétriques en entrée et en sortie et des moyens d'apprentissage du déséquilibre d'impédance de câblage, pendant une période déterminée.
Avantageusement le dispositif de l'invention comprend, en outre des moyens de réinitialisation.
Avantageusement le dispositif de l'invention comprend deux convertisseurs DC/DC, chaque convertisseur comprenant un module logiciel recevant du superviseur via un bus CAN un ordre de conversion marche/arrêt, une consigne de tension, une consigne de courant maximum à débiter et des signaux de mesure de tension et de courant, suivi d'un module matériel qui comprend deux modules de moyennage, suivis l'un d'une boucle de commande de tension et l'autre d'une boucle de commande de courant, reliées à un module de calcul de consigne suivi d'une alimentation à découpage, et dans lequel le module logiciel comprend un correcteur de tension et un correcteur de courant.
Dans un mode de réalisation, le dispositif de l'invention comprend un superviseur maître et deux convertisseurs esclaves recevant de celui-ci une consigne de tension commune et communiquant entre eux avec adaptation de la consigne de tension entrant dans le convertisseur fournissant le moins de courant. Chaque convertisseur peut comprendre plusieurs modules :
- un module d'équilibrage du courant en fonction de la température et de réalisation de la phase d'apprentissage, relié :
- à un module d'évaluation de la valeur delta U = f (delta Ohm) , - à un module d'évaluation de la tension cherchée U_target pour chacun des convertisseurs, qui reçoit une valeur initiale de U_target délivrée par un module de calcul, et la valeur delta U délivrée par le module d'évaluation de cette valeur et dans lequel on utilise l'algorithme suivant :
if « Boost » DC/DC 1
(U_target_2 = U_tar_init
A D
U_target_l = U_tar_init
+delta_U)
else if « Boost » DC/DC 2
(U_target_l = U_tar_init
A D
U_target_2 = U_tar_init
+delta_U)
Avantageusement il comprend des moyens d'application d'un offset de tension à la consigne de tension du convertisseur DC/DC fournissant le moins de courant.
Avantageusement le dispositif de l'invention comprend des moyens de traitement des modes dégradés, et des moyens de redondance des diagnostics.
La présente invention concerne également un procédé de conversion DC/DC dans le réseau de bord d'un véhicule mettant en œuvre le dispositif décrit ci- dessus qui comprend les étapes suivantes :
- une étape de réception par chaque convertisseur, en provenance d'une unité de commande ou superviseur, d'une consigne de tension commune, par exemple via un système de communication et - une étape de communication par chaque convertisseur à l'autre convertisseur d'informations internes concernant le courant et la température interne, et
- une étape de modification de la consigne de tension appliquée à un convertisseur DC/DC en fonction des différences de température.
Avantageusement le procédé de l'invention comprend une étape d'application d'un offset de tension à la consigne de tension du convertisseur DC/DC fournissant le moins de courant.
Avantageusement le procédé de l'invention comprend les étapes suivantes :
- enregistrement dans chaque convertisseur de la différence de courant moyen sur un cycle de fonctionnement par comparaison entre son courant et celui débité par l'autre convertisseur puis sauvegarde de cette différence de courant en fin de cycle, en effectuant cette mesure durant chaque cycle de l'apprentissage et en moyennant la valeur précédemment enregistrée à la dernière enregistrée à partir du second cycle,
- enregistrement de la différence de température moyenne entre les deux convertisseurs sur le même nombre de cycles de fonctionnement, en effectuant une « cohérence thermique » qui permet éventuellement d' inhiber la correction à la suite de la phase d'apprentissage,
- application d'un offset de tension à la consigne de tension du convertisseur fournissant le moins de courant, cet offset étant déduit du déséquilibre d' impédance de câblage tiré de la phase d' apprentissage .
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La figure 1 illustre un dispositif de l'art antérieur .
Les figures 2 et 3 illustrent le dispositif de l'invention.
La figure 4 illustre la répartition en courant entre deux convertisseurs DC/DC disposés en parallèle. La figure 5 illustre les mesures de températures correspondantes.
La figure 6 représente un diagramme de Pareto proposant le rapport durée de vie sur différences de températures (AT°C) entre deux convertisseurs DC/DC disposés en parallèle.
La figure 7 illustre les impédances de câblage existant entre les deux convertisseurs disposés en parallèle et une charge.
La figure 8 illustre le synoptique de régulation de tension courant d'un convertisseur DC/DC.
La figure 9 illustre le principe de la régulation logiciel d'un convertisseur DC/DC.
La figure 10 illustre un mode de réalisation du dispositif de l'invention.
Les figures 11 et 12 illustrent respectivement une commande sans stratégie d'équilibrage thermique et avec stratégie d'équilibrage thermique selon l'invention.
Les figures 13A et 13B illustrent deux exemples de compensation respectivement de Delta U (AU) en fonction de Delta I (ΔΙ), et de delta U en fonction de Delta Ohm.
La figure 14 illustre la mise en œuvre de la compensation de la figure 13B dans un convertisseur DC/DC, dans un mode de réalisation du dispositif selon 1 ' invention .
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Dans le dispositif de l'invention, comme illustré sur la figure 2, on considère une architecture de puissance prévoyant la mise en parallèle d'au moins deux convertisseurs DC/DC (par exemple 12V/24V) 20 et 21. Dans cette figure 2, on reprend les références déjà utilisées sur la figure 1.
La figure 3 illustre le schéma électrique du câblage de plusieurs convertisseurs DC/DC disposés en parallèle. Ces convertisseurs 30 sont reliés d'une part à un superviseur (ECU) 31 par l'intermédiaire d'un bus CAN 32, par exemple, et d'autre part à une alimentation 33 et à une charge 34 via des modules de câblage 35 et 36.
Lors d'une telle mise en parallèle de plusieurs convertisseurs DC/DC élévateurs ou abaisseurs de tension recevant la même consigne et régulant en tension, le courant fourni par chaque convertisseur DC/DC dépend de l'impédance des câbles en sortie.
Dans le cas où les contraintes de tenue en tension nécessitent une précision telle qu'il n'est pas possible de limiter le courant dans l'un ou l'autre des convertisseurs sans risquer d'écrouler la tension, ou de déréguler sans une stratégie d'équilibrage des courants internes au superviseur ou à chaque convertisseur DC/DC, on ne peut assurer un équilibre des courants fournis par les différents convertisseurs.
Dans l'hypothèse d'un refroidissement identique pour chacun des convertisseurs DC/DC disposés en parallèle, un déséquilibre en courant se traduit par un déséquilibre thermique entre chaque convertisseur. Sachant que le positionnement de ces convertisseurs, leur environnement thermique et leur mode de refroidissement ne sont pas connus et ont très peu de chance d'être identiques, il est donc nécessaire de prévoir une stratégie de commande de ces convertisseurs .
Dans la suite, pour simplifier la description, on considère à titre d'exemple non limitatif un ensemble de deux convertisseurs DC/DC1 et DC/DC2 en parallèle et des moyens de communication de ces convertisseurs entre eux, et avec un superviseur (ECU) à l'aide de bus CAN.
Les courbes illustrées sur les figures 4 et
5 présentent les écarts de température mesurés en fonction des déséquilibres en courant entre le premier et le second convertisseur DC/DC (DC/DC1 et DC/DC2) refroidis de manière identique. En fonction du temps, chaque écart de courant d'un ampère correspond à une différence de température d'un degré Celsius environ. Or, la différence (ou delta) de température entre ces deux convertisseurs, lors de leurs cycles de vie, influence fortement leurs durées de vie respectives.
Le diagramme de Pareto illustré sur la figure 6 évalue les durées de vie de ces deux convertisseurs en fonction de leurs différences de température (successivement pour une carte de commande, pour une carte de puissance et pour le convertisseur complet) . On déduit de ce diagramme que la durée de vie du premier convertisseur DC/DC1 fonctionnant à des températures en moyenne 30 °C supérieures à celles du second convertisseur DC/DC2 est environ cinq fois plus courte. Les contraintes de fonctionnement de tels convertisseurs DC/DC disposés en parallèle doivent donc inclure des algorithmes visant à assurer leur équilibre thermique afin d'optimiser et d'harmoniser leurs durées de vie.
Dans le cas d'un refroidissement semblable des deux convertisseurs, la différence de température est logiquement proportionnelle à la différence de courant mesurée or celle-ci dépend directement de la différence d' impédance de câblage entre la charge et chaque convertisseur DC/DC. La figure 7 illustre ainsi les impédances de câblage RI, R2, et R3 entre les deux convertisseurs et la charge.
Pour réaliser un équilibrage thermique des deux convertisseurs DC/DC, l'invention définit une stratégie de gestion de la répartition des courants respectifs de ces deux convertisseurs DC/DC en fonction de leur température interne, en sachant que la température d'un convertisseur est directement liée au courant qu'il fournit. L'objectif recherché est d'atteindre une différence de température qui soit inférieure à une valeur déterminée, par exemple 10 °C.
Pour ce faire, l'invention propose d'utiliser une stratégie d'équilibrage en courant en réalisant un apprentissage du déséquilibre d' impédance du câblage entre la charge et chaque convertisseur DC/DC pendant une période d'apprentissage, en gérant ainsi l'équilibre en courant entre chaque convertisseur afin d'harmoniser leurs durées de vie.
L'invention permet également d'envisager une réinitialisation de l'apprentissage du déséquilibre d' impédance du câblage au cours de la vie des convertisseurs .
Dans le dispositif de l'invention on considère deux convertisseurs DC/DC (DC/DC1 et DC/DC2) identiques d'un point de vue matériel et logiciel reliés à un système de communication, par exemple un bus CAN (« Controller Area Network ») privé ou public, et commandés par un superviseur (ECU) externe. Un détrompage permet de définir la configuration de chaque convertisseur : ils ont donc deux identifiants différents après reconnaissance du détrompage et sont différenciés sur le réseau de communication. Ils sont commandés via deux trames différentes.
Chaque convertisseur DC/DC1 et DC/DC2 reçoit les consignes suivantes :
* un ordre de conversion ON/OF (marche/arrêt) ,
* une consigne de tension U_target,
* une consigne de courant maximum à débiter I_max_target .
Le synoptique de l'interface matériel/logiciel d'un convertisseur DC/DC 39, relié à une charge 48, est illustré sur la figure 8. Un module logiciel 40 reçoit les consignes ON/OFF, U_target, I_max_target et les signaux de mesure de tension U_meas et de courant I_meas, et délivre des signaux de modulation à largeur d'impulsion PWM_U et PWM_I . Un module matériel 41, qui reçoit ces signaux PWM_U et PWM_I, comprend deux modules de moyennage 42 et 43, suivis l'un d'une boucle de commande de tension 44 et l'autre d'une boucle de commande de courant 45, reliées à un module de calcul de consigne 46 suivi d'une alimentation à découpage 47.
La figure 9 illustre le principe de régulation du module logiciel 50 d'un convertisseur DC/DC. Un correcteur de tension logiciel 51 reçoit un signal différence Utarget ~ Umeas et délivre le signal PWM_U. Un correcteur de courant logiciel 52 reçoit un signal différence Imax_target-Imeas et délivre le signal PWM_I . Si l'on régule en tension, c'est-à-dire qu'aucune limitation de courant n'est appliquée, le signal PWM_I est égal à 100% et c'est le signal PWM_U qui régule la tension de sortie.
Dans la suite on se place dans le cas d'un équilibrage en courant, aucune limitation de courant n'étant appliquée : I_max_target > Imeas .
Autrement dit, dans les exemples suivants le courant d'un convertisseur reste inférieur à la consigne de courant maximum à débiter I_max_target .
Dans un mode de réalisation du dispositif de l'invention illustré sur la figure 10, la stratégie d'équilibrage courant/thermique est mise en œuvre dans les deux convertisseurs DC/DC. L'ECU maître ne gère pas l'équilibrage thermique des deux convertisseurs. Il envoie une consigne de tension unique U target aux deux convertisseurs qui s ' auto-équilibrent à l'issue de la période d'apprentissage. Il ne les limite pas en courant. La stratégie d'équilibrage thermique par apprentissage est mise en œuvre de façon symétrique dans chaque convertisseur DC/DC. Mais l'adaptation de la consigne de tension en fonction de la différence d' impédance de câblage mesurée peut se faire de façon antisymétrique dans les deux convertisseurs dans le convertisseur qui fournit le moins de courant et que l'on doit « booster », c'est-à-dire augmenter le courant de sortie.
Un traitement des modes dégradés (fonctionnement à X% de la puissance totale) et une redondance des diagnostics sont également possibles par le traitement des informations transitant entre les convertisseurs DC/DC et l'ECU maître et entre les deux convertisseurs DC/DC.
Les figures 11 et 12 permettent de mettre en évidence les caractéristiques de ce mode de réalisation au vu d'une commande de deux convertisseurs DC/DC en parallèle respectivement sans et avec stratégie d'équilibrage thermique. En absence d'équilibrage thermique, comme illustré sur la figure 11, les courants II et 12 (Itotal = Il + 12) dépendent des différences de longueur de câbles entre chaque convertisseur DC/DC1 et DC/DC2 et la charge. Une dissymétrie du câblage entraîne automatiquement un déséquilibre en courant.
Lorsque la contrainte est la tenue en tension et la précision de la régulation du côté de la charge, avant toute application de stratégie d'équilibrage en courant, il faut déterminer le convertisseur fournissant le moins de courant dont il faut « booster » le fonctionnement afin d'assurer l'équilibrage en courant sans brider l'autre convertisseur.
Pour éviter un tel déséquilibre en courant, l'invention propose de réaliser l'apprentissage de déséquilibre d'impédance de câblage, comme illustré sur la figure 12. On met donc en œuvre en interne de chaque convertisseur DC/DC une phase d'apprentissage sur un nombre prédéfini de cycles de fonctionnement afin de déduire la différence de tension à appliquer à la consigne de tension de l'un des convertisseurs DC/DC (ou de manière anti-symétrique aux deux) d'après la mesure de la différence de courant moyenne et celle de la différence de température moyenne entre les convertisseurs pendant ces cycles d'apprentissage.
Dans le cas de deux convertisseurs mis en parallèle, chacun des convertisseurs enregistre par exemple la différence de courant moyen sur un cycle de fonctionnement par comparaison entre son courant et celui débité par le second convertisseur puis sauvegarder cette différence de courant I en fin de cycle. On effectue cette mesure durant chaque cycle de l'apprentissage et on moyenne la valeur précédemment enregistrée à la dernière enregistrée à partir du second cycle.
On fait de même pour la différence de température moyenne entre les deux convertisseurs sur le même nombre de cycles de fonctionnement, on effectue une « cohérence thermique » qui permet éventuellement d' inhiber la correction à la suite de la phase d' apprentissage .
On applique enfin un offset de tension à la consigne de tension du convertisseur fournissant le moins de courant. Cet offset est déduit du déséquilibre d' impédance de câblage tiré de la phase d' apprentissage .
Afin de réduire le delta I, un offset de compensation sur la consigne de tension est appliqué, comme illustré sur les figures 13A et 13B, et est proportionnel (gain G) à la différence d' impédance ou dépend d'une table de points d'appui définis ultérieurement après caractérisation de la mise en parallèle des convertisseurs : Delta U compensation = f (Delta Ω) .
La figure 13A présente un exemple dans lequel l'offset de compensation en tension Delta U est proportionnel à la différence de courant delta I. La figure 13B présente un exemple de table de points d'appui (« lookup table » en anglais) consistant en une cartographie qui, à une différence d'impédance delta Ω, associe un offset de compensation Delta U à appliquer au convertisseur.
La phase d'apprentissage est réalisée dans chaque convertisseur qui, comme illustré sur la figure 14, comprend plusieurs modules, à savoir :
- un module 61 d'équilibrage du courant en fonction de la température et de réalisation de la phase d'apprentissage, relié :
- à un module 62 d'évaluation de delta U = f (delta Ohm) , - à un module 63 d'évaluation de la tension cherchée (U target) pour chacun des convertisseurs, qui reçoit une valeur initiale de U target délivrée par un module 64 et une valeur Delta U délivrée par le module 62, et dans lequel on utilise l'algorithme suivant :
if « Boost » DC/DC 1
(U_target_2 = U_tar_init
A D
U_target_l = U_tar_init
+delta_U)
else if « Boost » DC/DC 2
(U_target_l = U_tar_init
A D
U_target_2 = U_tar_init
+delta_U)
Autrement dit, lorsque la température T°C 1 du convertisseur DC/DC 1 est inférieure à celle T°C 2 du convertisseur DC/DC 2, l'offset de compensation delta U est ajouté à la consigne de tension U_target_l du convertisseur DC/DC 1. Lorsque la température T°C 2 du convertisseur DC/DC 2 est inférieure à celle T°C 1 du convertisseur DC/DC 1, l'offset de compensation delta U est ajouté à la consigne de tension U_target_2 du convertisseur DC/DC 2.
On « booste », en effet le convertisseur
DC/DC1 ou DC/DC2 le plus froid.
Si on connaît au préalable la configuration de câblage, on peut saturer le delta U par une valeur maximale calibrable après tests permettant d'empêcher un tel phénomène de se produire. On peut aussi éventuellement prévoir une valeur prédéfinie de delta U à appliquer en fin de phase d'apprentissage. Ainsi, après la phase d'apprentissage, cette valeur de delta U est appliquée à la consigne de l'un ou l'autre des convertisseurs DC/DC en fonction de leur configuration de câblage.
On peut prévoir une réinitialisation de l'apprentissage au cours de la vie du module : au bout de X cycles de réveil par exemple, en prévision d'une monte/démonte des convertisseurs et/ou de leur inversion dans le circuit de câblage au long de leur vie .

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de conversion dans le réseau de bord d'un véhicule relié d'une part à un module Stop-Start (11) comprenant un alterno-démarreur et à un ensemble de supercapacités (12) et d'autre part au réseau de bord 14 volts du véhicule (13) et à une batterie (14), caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux convertisseurs DC/DC (20, 21) différenciés, identiques d'un point de vue matériel et logiciel disposés en parallèle reliés à un superviseur par un système de communication avec des câblages symétriques en entrée et en sortie et des moyens d'apprentissage du déséquilibre d' impédance de câblage pendant une période déterminée.
2. Dispositif selon la revendication 1, qui comprend des moyens de réinitialisation.
3. Dispositif selon la revendication 1, qui comprend deux convertisseurs DC/DC, chaque convertisseur (30) comprenant un module logiciel (40) recevant du superviseur (31) via un bus CAN un ordre de conversion marche/arrêt, une consigne de tension, une consigne de courant maximum à débiter et des signaux de mesure de tension et de courant, suivis d'un module matériel (41) qui comprend deux modules de moyennage (42 et 43), suivis l'un d'une boucle de commande de tension (44) et l'autre d'une boucle de commande de courant (45) , reliées à un module de calcul de consigne (46) suivi d'une alimentation à découpage (47), et dans lequel le module logiciel (50) comprend un correcteur de tension et un correcteur de courant (52) .
4. Dispositif selon la revendication 2, comprenant un superviseur maître et deux convertisseurs esclaves recevant de celui-ci une consigne de tension commune, et communiquant entre eux avec adaptation de la consigne de tension entrant dans le convertisseur fournissant le moins de courant.
5. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel chaque convertisseur comprend plusieurs modules :
- un module (61) d'équilibrage du courant en fonction de la température et de réalisation de la phase d'apprentissage, relié :
- à un module (62) d'évaluation de la valeur delta U = f (delta Ohm) ,
- à un module (63) d'évaluation de la tension cherchée (U_target) pour chacun des convertisseurs, qui reçoit une valeur initiale de U_target délivrée par un module de calcul (64) et la valeur delta U délivrée par le module (64) d'évaluation de cette valeur, et dans lequel on utilise l'algorithme suivant :
if « Boost » DC/DC 1
(U_target_2 = U_tar_init
A D
U_target_l = U_tar_init
+delta_U)
else if « Boost » DC/DC 2 (U_target_l = U_tar_init
A D
U_target_2 = U_tar_init
+delta_U) .
6. Dispositif selon la revendication 5, qui comprend des moyens d'application d'un offset de tension à la consigne de tension du convertisseur DC/DC fournissant le moins de courant.
7. Dispositif selon la revendication 3, qui comprend des moyens de traitement des modes dégradés.
8. Dispositif selon la revendication 3, qui comprend des moyens de redondance des diagnostics.
9. Procédé de conversion DC/DC dans le réseau de bord d'un véhicule mettant en œuvre le dispositif selon la revendication 2, qui comprend les étapes suivantes :
- une étape de réception dans chaque convertisseur, en provenance du superviseur, d'une consigne de tension commune,
- une étape de communication par chaque convertisseur à l'autre convertisseur d'informations internes concernant le courant et la température interne, et
- une étape de modification de la consigne de tension appliquée à un convertisseur DC/DC en fonction des différences de température.
10. Procédé selon la revendication 9, comprenant une étape d'application d'un offset de tension à la consigne de tension du convertisseur DC/DC fournissant le moins de courant.
11. Procédé selon la revendication 10, comprenant les étapes suivantes :
- enregistrement dans chaque convertisseur de la différence de courant moyen sur un cycle de fonctionnement par comparaison entre son courant et celui débité par l'autre convertisseur puis sauvegarde de cette différence de courant en fin de cycle, en effectuant cette mesure durant chaque cycle de l'apprentissage et en moyennant la valeur précédemment enregistrée à la dernière enregistrée à partir du second cycle,
- enregistrement de la différence de température moyenne entre les deux convertisseurs sur le même nombre de cycles de fonctionnement, en effectuant une cohérence thermique qui permet éventuellement d' inhiber la correction à la suite de la phase d'apprentissage,
- application d'un offset de tension à la consigne de tension du convertisseur fournissant le moins de courant, cet offset étant déduit du déséquilibre d' impédance de câblage tiré de la phase d' apprentissage .
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