EP4320720A1 - Device for creating a dc voltage bus for a polyphase electrical system, motor vehicle and renewable energy generator comprising such a device - Google Patents

Device for creating a dc voltage bus for a polyphase electrical system, motor vehicle and renewable energy generator comprising such a device

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Publication number
EP4320720A1
EP4320720A1 EP22713715.5A EP22713715A EP4320720A1 EP 4320720 A1 EP4320720 A1 EP 4320720A1 EP 22713715 A EP22713715 A EP 22713715A EP 4320720 A1 EP4320720 A1 EP 4320720A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
branches
electrical system
branch
device forming
Prior art date
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Pending
Application number
EP22713715.5A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Francis Roy
Thomas Peuchant
David HERPE
Eric Laboure
Franck Castejon
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.)
SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Sorbonne Universite
Universite Paris Saclay
CentraleSupelec
Stellantis Auto SAS
Original Assignee
SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Sorbonne Universite
Universite Paris Saclay
CentraleSupelec
Stellantis Auto 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 SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Sorbonne Universite, Universite Paris Saclay, CentraleSupelec, Stellantis Auto SAS filed Critical SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Publication of EP4320720A1 publication Critical patent/EP4320720A1/en
Pending 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
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to the field of polyphase electrical systems, in particular three-phase, such as motor vehicle or renewable energy generator systems.
  • the invention relates more particularly to devices for generating a direct voltage for such electrical systems.
  • the classic electrical architectures of electric vehicles integrate a set of electronic power devices making it possible to adapt the current/DC voltage torque delivered by the battery on the one hand to the electrical power components of the vehicle, generally at 450V direct current and three-phase for motorization and connection to the network during charging operations on an alternating network; and on the other hand to an on-board network (usually at 12V).
  • the components in particular DC/DC converters, inverters and chargers are also present and cohabit with a thermal traction chain.
  • This architecture has a DC/AC converter (comprising an H-bridge) associated with a DC/DC converter opposite each cell or cluster of cells.
  • an objective of this invention is to generate a DC voltage by forming a constant or adjustable DC voltage bus in an electric vehicle traction chain generating a three-phase current wave to supply the electric traction machine, so as to supply a on-board direct current network.
  • the invention relates to a device forming a DC voltage bus for a polyphase electrical system, comprising several voltage branches each comprising a plurality of battery cell modules, each module comprising a cell or a cluster of battery cells, connected to a DC/AC converter comprising an H-bridge; said battery cell modules being connected together in series through the DC/AC converter; said voltage branches being each connected to a specific phase branch for said polyphase electrical system, at least one phase branch comprising a bypass connected to a rectifier module.
  • the device comprises control means capable of controlling the converters so as to generate at the output of each voltage branch a voltage corresponding to the sum of a reference voltage required for the operation of the polyphase electrical system and of a identical common mode voltage for each branch, the temporal superposition of the voltages at the output of each voltage branch forming a voltage plateau extracted by the rectifier module to obtain the DC voltage.
  • the set of DC/AC converters (each including the H bridge) in line with each cell makes it possible to generate a three-phase current wave to supply an electric traction machine.
  • the device makes it possible to eliminate DC/DC converters internal to the battery by adding identical voltage components to the waveforms generated by the traction inverter so as to create a constant DC bus with adjustable amplitude.
  • the device comprises three voltage branches connected to three phase branches each comprising a specific branch connected to said rectifier module;
  • - Said rectifier module comprises a bypass diode
  • Vmc common mode voltage
  • the device forming a direct voltage bus comprises a battery charging connection module on a high voltage direct voltage network associated with the voltage branches.
  • the invention further relates to a polyphase electrical system for a motor vehicle, comprising a device forming a direct voltage bus according to the invention, characterized in that the phase branches are connected to the traction motor of the motor vehicle, and the branches are connected to at least one electrical device of the vehicle.
  • Another object of the invention relates to a motor vehicle comprising a polyphase electrical system according to the invention.
  • the invention further relates to a polyphase electrical system for a renewable energy generator, comprising a device forming a DC voltage bus according to the invention, characterized in that the phase branches are connected to an electrical network, and the branches are connected to a renewable energy generator.
  • the invention also relates to a renewable energy generator system comprising a polyphase electrical system according to the invention.
  • the invention further relates to a method for generating polyphase electric current comprising steps for
  • FIG.1 schematically illustrates a battery cell module of a device according to a preferred variant
  • FIG.2 schematically illustrates a device forming a DC voltage bus according to a first preferred embodiment
  • FIG.3 schematically illustrates the voltages delivered by the voltage branches constituting the phases of the polyphase system with a device according to the first embodiment
  • FIG.4 schematically illustrates a bidirectional rectifier module for a device forming a DC voltage bus according to a second embodiment
  • FIG.5 schematically illustrates a device forming a DC voltage bus according to a third embodiment
  • - [Fig.6] schematically illustrates a device forming a DC voltage bus according to a fourth embodiment.
  • the invention relates to a device forming a direct voltage bus for a polyphase electrical system.
  • a polyphase electrical system in particular three-phase, can be an electrical system for a motor vehicle traction machine M; or an electrical system connected to the electricity grid and a PV renewable energy generator.
  • the device forming a DC voltage bus comprises voltage branches A1, A2, A3 making it possible to produce a polyphase voltage system, in particular three voltage branches.
  • Each voltage branch A1, A2, A3 comprises a plurality of battery cell modules C1, C2, C3.
  • Each battery cell module comprises a cell or a cluster of battery cells c1.
  • the battery cells are connected to a DC/AC converter.
  • the cells c1 are connected to a DC/AC converter which mainly comprises, or preferably consists of, an H-bridge circuit (H).
  • the cells c1 are also connected to a means of supervision BMS and/or of control Ct of the H-bridge and/or to a means of cell diagnostics.
  • the preferred battery cell module can be illustrated in Figure 1.
  • the battery cells c1 are connected to a battery management system BMS of the module, configured to supervise the cell or cells, carry out diagnostics and control the H-bridge. The detail of such an assembly can be the one depicted in Figure 1.
  • the battery cell modules are connected together in series via the DC/AC converter, so as to form each of said voltage branches A1, A2, A3.
  • Control means are provided to control all of the converters so as to obtain the desired voltage across the terminals of each voltage branch A1, A2, A3.
  • the set of voltage branches, A1, A2, A3 forms a multilevel inverter integrated into the battery.
  • Each voltage branch A1, k1, A3 is connected to a specific phase branch B1, B2, B3 for said polyphase electrical system. Furthermore, at least one phase branch, preferably the three phase branches B1, B2, B3 comprise a corresponding branch D1, D2, D3 connected to a rectifier module R1.
  • the DC/AC converter more particularly the H bridge in line with each cell c1 makes it possible, by placing it in series with the other DC/AC converters of the same voltage branch, to generate a three-phase current wave to supply a electric traction machine M.
  • the device makes it possible to eliminate DC/DC converters internal to the battery by adding to the reference polyphase voltages to be applied to the windings of the machine M, a set of identical voltages calculated to make it possible to form a constant DC voltage bus and amplitude adjustable.
  • the invention makes it possible to use a polyphase alternating current, in particular to supply the motor M with high voltage, and at the same time to use the particular voltage waveforms generated and applied to the terminals of the rectifier R1 to form a bus adjustable direct voltage, in particular at high or low voltage, or even at very low voltage.
  • the invention allows the creation of a DC voltage bus for the on-board network of a vehicle from the supply voltages of the traction machine M; to generate a constant or adjustable DC bus from variable amplitude and frequency voltages generated by the vehicle's traction inverter; and (in another embodiment) to generate an adjustable DC bus from alternating voltages imposed by the electrical network connected to PV photovoltaic panels for example.
  • the device forming a bus comprises three derivations D1, D2, D3, originating from said three specific phase branches B1, B2, B3.
  • the three derivations D1, D2, D3, start from their respective phase branch B1, B2, B3 from a tapping P1, P2, P3 on their respective phase branch B1, B2, B3.
  • Said branches D1, D2, D3 are connected together at the output, Sr, of said rectifier module R1.
  • said rectifier module R1 comprises a diode d1, d2, d3 per branch D1, D2, D3. This embodiment can be illustrated in Figure 2.
  • this embodiment involves a simplified rectifier module R1 having usual components, easy to obtain and to mount.
  • diodes are pondered to be particularly reliable and robust components.
  • the DC/DC converter of the devices of the prior art disappears and its functionality is replaced by a set of three diodes connected separately to each of the phases of the electric machine M.
  • the association of a specific control law in the generation of the voltage waveforms applied to the electric machine M makes it possible to produce a direct voltage of controlled and adjustable amplitude.
  • the first embodiment is suitable for use in an electric vehicle in traction or vehicle charging mode, that is to say with discharge or charging of the battery and recovery of energy during braking.
  • VMC common mode voltage
  • the tensions are here to be understood as instantaneous tensions, evolving according to time.
  • VMC common mode voltage
  • the control means are therefore provided to control the converters so as to generate at the output of each voltage branch A1, A2, A3 the voltage Vondl, Vond2, Vond3 corresponding to the sum of the reference voltage Vrefl, Vref2, Vref3 required for the operation of the polyphase electrical system, in this example the electrical machine, and of the common mode voltage, Vmc, identical for each voltage branch A1, A2, A3, and this so that the temporal superposition of these Vondl voltages, Vond2, Vond3 form a voltage plateau. It is this voltage plateau which, extracted by the rectifier module, makes it possible to obtain the DC voltage Vdc.
  • FIG. 3 illustrates the voltages Vondl, Vond2, Vond3 of the three arms A1, A2, A3 corresponding to the sum of a form of voltage identical to the three arms A1, A2, A3, this form of identical voltage being said to be of common mode Vmc , with respectively the reference voltages Vref1, Vref2, Vref3. The sum of these voltages is the one that we wish to apply to the machine M.
  • the three-phase voltages obtained have a characteristic repetitive shape, but not sinusoidal. It is noted in the figure that the temporal superposition of these forms of voltages Vond1, Vond2, Vond3 then causes a plateau p of maximum voltage to appear. This plate p is used to manufacture a DC voltage bus.
  • the rectifier module R1 makes it possible to take a DC voltage component which can be used for the on-board network.
  • a mode of connection of the windings of the machine M in star or in triangle allows the natural elimination of the form of identical voltage added to each of the references of the voltages of the branches A1, A2, A3 and the voltages at the terminals of the windings of the machine M have the desired perfect sine waveform. The operation of the electric machine M is therefore normal.
  • Another advantage of the invention lies in the control mode making it possible to generate the common mode voltage Vmc (that is, the form of identical voltage added to the voltage reference of each phase of the machine) required to obtain the voltage level on the DC network.
  • This particular control mode allows the circulation of a high fluctuating power circulating in all the cells of the different arms A1, A2, A3.
  • the management of this power in each battery element can be used to manage the balancing of the charge levels of the cells by authorizing in particular transfers of power from one voltage branch A1, k1, A3 to the other via the currents in the traction machine M.
  • a second embodiment is based on a rectifier module R2 which is bidirectional.
  • the rectifier module is modified by using, in a variant, a switching structure of the PWM type associated with a bridge arm for the management of the potential of the neutral (common mode voltage).
  • Figure 4 shows an example of PWM structure compatible with this mode of operation.
  • this structure makes it possible on the one hand to ensure the bidirectionality of the DC bus but on the other hand to finely control the drawing of energy in common mode and in differential mode while allowing adjustment of the DC voltage at the desired value. There is then nothing to prevent using the device forming a DC bus to supply another converter and another traction machine to ensure the four-wheel drive operation of a vehicle.
  • the device forming a bus comprises a battery charging connection module (socket F) associated with the voltage branches A1, k1, A3.
  • ocket F battery charging connection module
  • the third embodiment is suitable for use in an electric vehicle (of the rechargeable type) in rapid charging mode (high voltage direct current) of the vehicle battery on the mains.
  • Socket F is connected to the electrical network via a charging terminal delivering a direct voltage (for example at 350A - 1000V in maximum values).
  • switch(es) are provided to allow the series connection of the voltage branches, the disconnection of the two diodes connected to the voltage branches at the highest potentials and the disconnection of the traction machine M.
  • the invention concerns furthermore a polyphase electrical system comprising a device forming a direct voltage bus as described previously.
  • the electrical system may be a system for an electric vehicle traction motor, for example of the PHEV, BEV, etc. type; or else an electrical system for a renewable energy generator connected to an electrical network RE via the battery cells c1.
  • the first embodiment relates to a polyphase electrical system for a motor vehicle.
  • This system comprises the device forming a direct voltage bus as described previously as well as a traction motor M connected to the device forming the bus.
  • branches D1, D2, D3 are connected to at least one electrical device of the vehicle, more particularly to the network on board the vehicle. The details of the system have already been described previously. It can be illustrated in figure 2.
  • the second embodiment relates to a polyphase electrical system for a motor vehicle, including a bidirectional rectifier module.
  • this system comprises the device forming the DC voltage bus as described above, similar to that of the first embodiment with a difference at the level of the rectifier module which can for example be of the PWM type and bidirectional in terms of power transfer. energy (illustrated in Figure 4).
  • the third embodiment relates to a polyphase electrical system for a motor vehicle, including a connection module allowing fast charging of the battery on a high voltage DC charging station.
  • this system comprises the device forming the DC voltage bus as described previously, similar to that of the first embodiment with a difference at the level of the tap F and the switches s. It can be illustrated in figure 5.
  • the invention further relates to a motor vehicle comprising a polyphase electrical system as described previously.
  • the fourth embodiment relates to a polyphase electrical system for a renewable energy generator.
  • renewable energy generator is meant a device transforming mechanical or solar energy into electrical energy. These include, for example, photovoltaic PV panels, wind turbines, hydroelectric systems or other systems of the dynamo-electric type.
  • phase branches B1, B2, B3 are connected to an electrical network, and branches D1, D2, D3 are connected to a PV renewable energy generator. Furthermore, diodes d1, d2, d3 are inverted.
  • the MPPT (Maximum Power Point Tracking) control technique is a principle that makes it possible to follow the maximum power point of a nonlinear electrical generator such as the solar panel. The interest is to adjust the output voltage of the solar panels to obtain the maximum power for a given current (which depends on the sunshine).
  • the invention makes it possible to connect, via the three diodes d1, d2, d3 (figure 6), the PV solar panels directly to the battery and to eliminate the MPPT regulator, the maximum power search function now being directly managed by the battery .
  • the stationary firm application leads to reversing the direction of the diodes d1, d2, d3, the control principle remaining the same.
  • the invention makes it possible to connect photovoltaic panels (or other renewable energy generator) directly to the battery, avoiding traditional architecture.
  • the elimination of intermediate components brings both a simplification of the system and its assembly, as well as better efficiency.
  • a transformer T can be provided between the phase branches B1, B2, B3 and the electrical network RE.
  • the invention further relates to a renewable energy generator system comprising a PV renewable energy generator, and a polyphase electrical system as previously described connected to said PV renewable energy generator.
  • the possible variants of the invention include all the power electronic structures making it possible to use the common mode voltage generated to create auxiliary voltage sources, such as a module including a power factor corrector (PFC - Power Factor Corrector ) to absorb currents with controllable forms on the different phases of the battery.
  • PFC - Power Factor Corrector power factor corrector
  • the PFC package would replace diodes with a more complex structure that combines transistors and inductors.
  • a rectifier module including a DC-DC converter with or without galvanic isolation.
  • a DC-DC converter makes it possible to produce, for example, 12V or 48V.
  • the invention also relates to a particular method for generating polyphase electric current.
  • the method is preferably based on an architecture as described above.
  • the method includes a step for series-connecting battery cell modules C1, C2, C3 via the series connection of H-bridge DC/AC converters (DCAC).
  • DCAC H-bridge DC/AC converters
  • the method further comprises a step for connecting each of said voltage branches A1, k1, A3 to a specific phase branch B1, B2, B3 for a polyphase electrical system M, RE. This step results in generating a polyphase alternating voltage system, in particular at the terminals of the voltage branches A1, k1, A3.
  • the method further comprises a step for connecting at least one branch D1, D2, D3 of at least one phase branch B1, B2, B3 to a rectifier module R1, R2, R3 as the case may be.
  • the three branches D1, D2, D3 of the three phase branches B1, B2, B3 are connected to said rectifier module. This step results in forming a DC voltage bus, in particular at the terminals of the rectifier module R1, R2 or R3 as the case may be.
  • the basic principle consists in having the conversion structure of the traction chain generate voltages constituted by the superposition of a differential mode seen by the traction machine M and meeting the needs of motorization (traction/braking) of the vehicle ; and an adjustable common mode, naturally eliminated by the machine M (windings of the machine connected in star or delta).
  • the voltages of the inverter comprising the common mode and the differential mode are generated between the outputs of the phase branches of the inverter connected in star and the neutral point of this structure.
  • This common mode voltage is used to generate a DC on-board network.

Abstract

The invention relates to a device forming a DC voltage bus for a polyphase electrical system (M), comprising voltage legs (A1, A2, A3) each having a plurality of battery cell modules (C1, C2, C3), each module comprising a battery cell or a cluster of battery cells (c1), connected to a DC-to-AC converter (DCAC); said battery cell modules (C1, C2, C3) being connected together in series via the DC-to-AC converter (DCAC); said voltage legs (A1, A2, A3) each being connected to a specific phase leg (B1, B2, B3) for said polyphase electrical system (M), at least one phase leg (B1, B2, B3) having a branch (D1, D2, D3) connected to a rectifier module (R1). The invention also relates to a motor vehicle, a renewable energy generator and a method based on such a system.

Description

DESCRIPTION DESCRIPTION
TITRE : DISPOSITIF DE CREATION D’UN BUS DE TENSION CONTINUE POUR UN SYSTEME ELECTRIQUE POLYPHASE, VEHICULE AUTOMOBILE ET GENERATEUR A ENERGIE RENOUVELABLE COMPRENANT UN TEL DISPOSITIF La présente invention revendique la priorité de la demande françaiseTITLE: DEVICE FOR CREATING A DC VOLTAGE BUS FOR A POLYPHASE ELECTRICAL SYSTEM, MOTOR VEHICLE AND RENEWABLE ENERGY GENERATOR COMPRISING SUCH A DEVICE The present invention claims the priority of the French application
N°2103578 déposée le 08.04.2021 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence. No. 2103578 filed on 08.04.2021, the content of which (text, drawings and claims) is incorporated herein by reference.
L’invention se rapporte au domaine des systèmes électriques polyphasés, en particulier triphasés, tels que des systèmes de véhicule automobile ou de générateur d’énergie renouvelable. L’invention concerne plus particulièrement les dispositifs de génération d’une tension continue pour de tels systèmes électriques. The invention relates to the field of polyphase electrical systems, in particular three-phase, such as motor vehicle or renewable energy generator systems. The invention relates more particularly to devices for generating a direct voltage for such electrical systems.
Dans ce domaine, les architectures électriques classiques des véhicules électriques (de type BEV) intègrent un ensemble de dispositifs électroniques de puissance permettant d’adapter le couple courant / tension continue délivré par la batterie d’une part aux organes électriques de puissance du véhicule, généralement à 450V en courant continu et en triphasé pour la motorisation et la connexion au réseau lors des opérations de recharge sur un réseau alternatif ; et d’autre part à un réseau de bord (généralement à 12V). Dans le cas des véhicules hybrides rechargeables (de type PHEV), l’ensemble des composants, notamment des convertisseurs DC/DC, onduleurs et chargeurs sont également présents et cohabitent avec une chaîne de traction thermique. In this field, the classic electrical architectures of electric vehicles (of the BEV type) integrate a set of electronic power devices making it possible to adapt the current/DC voltage torque delivered by the battery on the one hand to the electrical power components of the vehicle, generally at 450V direct current and three-phase for motorization and connection to the network during charging operations on an alternating network; and on the other hand to an on-board network (usually at 12V). In the case of rechargeable hybrid vehicles (PHEV type), all the components, in particular DC/DC converters, inverters and chargers are also present and cohabit with a thermal traction chain.
Dans ce type d’architecture, toutes les cellules Li-ion sont parcourues par le courant appelé par les différents consommateurs (machine électrique, compresseur de climatisation, résistance de chauffage CTP et réseau de bord, etc.). La tension en sortie de batterie varie en ordre de grandeur de 270V à 450V en courant continu. Si cette architecture est la plus communément mise en œuvre, elle est critiquable pour sa complexité de montage, son volume et son rendement. En réponse à ces inconvénients, la demanderesse a proposé une architecture de chaîne de traction en rupture où chaque cellule Li-ion ou cluster de quelques cellules, est piloté individuellement pour produire en sortie de batterie une tension triphasée ainsi qu’une tension continue. Dans cette configuration, la batterie produit directement la tension triphasée, une tension continue réglable (haute tension) via un groupe de cellules ou de clusters ; ainsi qu’une tension (basse tension), par exemple en 12V, pour alimenter le réseau de bord et recharger la batterie au plomb. In this type of architecture, all the Li-ion cells are traversed by the current drawn by the various consumers (electrical machine, air conditioning compressor, PTC heating resistor and on-board network, etc.). The battery output voltage varies in orders of magnitude from 270V to 450V in direct current. If this architecture is the most commonly implemented, it is open to criticism for its complexity of assembly, its volume and its efficiency. In response to these drawbacks, the applicant has proposed a breakaway traction chain architecture where each Li-ion cell or cluster of a few cells is controlled individually to produce a three-phase voltage as well as a DC voltage at the battery output. In this configuration, the battery directly produces the three-phase voltage, an adjustable DC voltage (high voltage) via a group of cells or clusters; as well as a voltage (low voltage), for example 12V, to supply the on-board network and recharge the lead-acid battery.
Cette architecture présente au droit de chaque cellule ou cluster de cellules un convertisseur DC/AC (comprenant un pont en H) associés à un convertisseur DC/DC. This architecture has a DC/AC converter (comprising an H-bridge) associated with a DC/DC converter opposite each cell or cluster of cells.
Si cette architecture présente beaucoup d’intérêt (notamment en termes d’efficacité de la chaîne de traction, de disponibilité de la batterie en se donnant la possibilité de créer un by-pass d’une cellule ou d’un cluster, ...) sa complexité de mise en œuvre semble rédhibitoire pour une application industrielle, notamment par la présence de nombreux convertisseurs DC/DC au droit de chaque cellule ou cluster. If this architecture is of great interest (especially in terms of efficiency of the traction chain, availability of the battery by giving itself the possibility of creating a bypass of a cell or a cluster, ... ) its complexity of implementation seems prohibitive for an industrial application, in particular by the presence of numerous DC/DC converters at the level of each cell or cluster.
Il est donc recherché des solutions permettant de limiter la complexité de mise en œuvre de cette architecture en conservant tous les avantages. Ainsi, un objectif de cette invention est de générer une tension continue en formant un bus de tension DC constant ou réglable dans une chaîne de traction de véhicule électrique générant une onde de courant triphasé pour alimenter la machine électrique de traction, de façon à alimenter un réseau à bord en courant continu. Pour atteindre cet objectif, l’invention concerne un dispositif formant un bus de tension continue pour un système électrique polyphasé, comprenant plusieurs branches de tension comportant, chacune, une pluralité de modules de cellules de batterie, chaque module comprenant une cellule ou un cluster de cellules de batterie, connecté à un convertisseur DC/AC comprenant un pont en H ; lesdits modules de cellules de batterie étant connectés ensemble en série par l’intermédiaire du convertisseur DC/AC ; lesdites branches de tension étant, chacune, connectée à une branche de phase spécifique pour ledit système électrique polyphasé, au moins une branche de phase comportant une dérivation connectée à un module redresseur. Solutions are therefore sought that make it possible to limit the complexity of implementing this architecture while retaining all the advantages. Thus, an objective of this invention is to generate a DC voltage by forming a constant or adjustable DC voltage bus in an electric vehicle traction chain generating a three-phase current wave to supply the electric traction machine, so as to supply a on-board direct current network. To achieve this objective, the invention relates to a device forming a DC voltage bus for a polyphase electrical system, comprising several voltage branches each comprising a plurality of battery cell modules, each module comprising a cell or a cluster of battery cells, connected to a DC/AC converter comprising an H-bridge; said battery cell modules being connected together in series through the DC/AC converter; said voltage branches being each connected to a specific phase branch for said polyphase electrical system, at least one phase branch comprising a bypass connected to a rectifier module.
Avantageusement, le dispositif comprend des moyens de commandes propres à piloter les convertisseurs de sorte à générer à la sortie de chaque branche de tension une tension correspondant à la somme d’une tension de référence requise pour le fonctionnement du système électrique polyphasé et d’une tension de mode commun identique pour chaque branche, la superposition temporelle des tensions en sortie de chaque branche de tension formant un plateau de tension extrait par le module redresseur pour obtenir la tension continue. Advantageously, the device comprises control means capable of controlling the converters so as to generate at the output of each voltage branch a voltage corresponding to the sum of a reference voltage required for the operation of the polyphase electrical system and of a identical common mode voltage for each branch, the temporal superposition of the voltages at the output of each voltage branch forming a voltage plateau extracted by the rectifier module to obtain the DC voltage.
L’ensemble des convertisseurs DC/AC (comprenant chacun le pont en H) au droit de chaque cellule permet de générer une onde de courant triphasé pour alimenter une machine électrique de traction. The set of DC/AC converters (each including the H bridge) in line with each cell makes it possible to generate a three-phase current wave to supply an electric traction machine.
En outre, le dispositif permet de supprimer des convertisseurs DC/DC internes à la batterie en ajoutant aux formes d’onde générées par l’onduleur de traction des composantes de tension identiques de manière à créer un bus DC constant et réglable en amplitude. In addition, the device makes it possible to eliminate DC/DC converters internal to the battery by adding identical voltage components to the waveforms generated by the traction inverter so as to create a constant DC bus with adjustable amplitude.
Selon d’autres aspects pris isolément, ou combinés selon toutes les combinaisons techniquement réalisables : - le dispositif comprend trois branches de tension connectées à trois branches de phase comprenant chacune une dérivation spécifique connectée audit module redresseur ; et/ou According to other aspects taken in isolation, or combined according to all the technically feasible combinations: - the device comprises three voltage branches connected to three phase branches each comprising a specific branch connected to said rectifier module; and or
- ledit module redresseur comprend une diode par dérivation ; et/ou - Said rectifier module comprises a bypass diode; and or
- ledit module redresseur est bidirectionnel ; et/ou - la tension de mode commun, Vmc, est définie par la relation : - Said rectifier module is bidirectional; and/or - the common mode voltage, Vmc, is defined by the relationship:
Avec Vdc, la tension continue, et Vrefl, ..., VrefN, les tensions de référence requises pour le fonctionnement d’un système électrique polyphasé à N phases. - le dispositif formant bus de tension continue comprend un module de connexion de charge de batterie sur un réseau de tension continue à haute tension associé aux branches de tension. With Vdc, the DC voltage, and Vrefl, ..., VrefN, the reference voltages required for the operation of a polyphase electrical system with N phases. - the device forming a direct voltage bus comprises a battery charging connection module on a high voltage direct voltage network associated with the voltage branches.
L’invention concerne en outre un système électrique polyphasé pour véhicule automobile, comprenant un dispositif formant bus de tension continue selon l’invention, caractérisé en ce que les branches de phase sont connectées au moteur de traction du véhicule automobile, et les dérivations sont connectées à au moins un dispositif électrique du véhicule. The invention further relates to a polyphase electrical system for a motor vehicle, comprising a device forming a direct voltage bus according to the invention, characterized in that the phase branches are connected to the traction motor of the motor vehicle, and the branches are connected to at least one electrical device of the vehicle.
Un autre objet de l’invention a trait à un véhicule automobile comprenant un système électrique polyphasé selon l’invention. Another object of the invention relates to a motor vehicle comprising a polyphase electrical system according to the invention.
L’invention porte en outre sur un système électrique polyphasé pour générateur à énergie renouvelable, comprenant un dispositif formant bus de tension continue selon l’invention, caractérisé en ce que les branches de phase sont connectées à un réseau électrique, et les dérivations sont connectées à un générateur à énergie renouvelable. The invention further relates to a polyphase electrical system for a renewable energy generator, comprising a device forming a DC voltage bus according to the invention, characterized in that the phase branches are connected to an electrical network, and the branches are connected to a renewable energy generator.
L’invention a également trait à un système de générateur à énergie renouvelable comprenant un système électrique polyphasé selon l’invention. The invention also relates to a renewable energy generator system comprising a polyphase electrical system according to the invention.
L’invention a en outre pour objet une méthode de génération de courant électrique polyphasé comportant des étapes pour The invention further relates to a method for generating polyphase electric current comprising steps for
- connecter en série des modules de cellules de batterie ensemble par l’intermédiaire d’un convertisseur DC/AC comprenant un pont en H pour former des branches de tension comportant, chacune, une pluralité de modules de cellules de batterie ; - series-connecting battery cell modules together via a DC/AC converter comprising an H-bridge to form voltage branches each comprising a plurality of battery cell modules;
- connecter chacune desdites branches de tension à une branche de phase spécifique pour former un système électrique polyphasé de sorte à générer et utiliser un courant alternatif polyphasé ; - connecting each of said voltage branches to a specific phase branch to form a polyphase electrical system so as to generate and use a polyphase alternating current;
- connecter au moins une dérivation d’au moins une branche de phase à un module redresseur de sorte à utiliser un courant continu. - connect at least one tap of at least one phase branch to a rectifier module so as to use direct current.
L’invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l’invention, dans lesquelles : The invention will be further detailed by the description of non-limiting embodiments, and on the basis of the appended figures illustrating variants of the invention, in which:
- [Fig.1 ] illustre schématiquement un module de cellules de batterie d’un dispositif selon une variante préférée ; - [Fig.1] schematically illustrates a battery cell module of a device according to a preferred variant;
- [Fig.2] illustre schématiquement un dispositif formant bus de tension continue selon un premier mode de réalisation préféré ; - [Fig.2] schematically illustrates a device forming a DC voltage bus according to a first preferred embodiment;
- [Fig.3] illustre schématiquement les tensions délivrées par les branches de tension constituant les phases du système polyphasé avec un dispositif selon le premier mode de réalisation ; - [Fig.3] schematically illustrates the voltages delivered by the voltage branches constituting the phases of the polyphase system with a device according to the first embodiment;
- [Fig.4] illustre schématiquement un module redresseur bidirectionnel pour un dispositif formant bus de tension continue selon un deuxième mode de réalisation ; - [Fig.4] schematically illustrates a bidirectional rectifier module for a device forming a DC voltage bus according to a second embodiment;
- [Fig.5] illustre schématiquement un dispositif formant bus de tension continue selon un troisième mode de réalisation ; et - [Fig.6] illustre schématiquement un dispositif formant bus de tension continue selon un quatrième mode de réalisation. - [Fig.5] schematically illustrates a device forming a DC voltage bus according to a third embodiment; and - [Fig.6] schematically illustrates a device forming a DC voltage bus according to a fourth embodiment.
L’invention concerne un dispositif formant un bus de tension continue pour un système électrique polyphasé. Un tel système électrique polyphasé, en particulier triphasé, peut être un système électrique pour une machine de traction M de véhicule automobile ; ou un système électrique connecté au réseau électrique et à un générateur d’énergie renouvelable PV. The invention relates to a device forming a direct voltage bus for a polyphase electrical system. Such a polyphase electrical system, in particular three-phase, can be an electrical system for a motor vehicle traction machine M; or an electrical system connected to the electricity grid and a PV renewable energy generator.
Le dispositif formant un bus de tension continue comprend des branches de tension A1 , A2, A3 permettant de réaliser un système de tension polyphasé, en particulier trois branches de tension. Chaque branche de tension A1 , A2, A3 comprend une pluralité de modules de cellules de batterie C1, C2, C3. Chaque module de cellules de batterie comprend une cellule ou un cluster de cellules de batterie c1. Les cellules de batterie sont connectées à un convertisseur DC/AC. The device forming a DC voltage bus comprises voltage branches A1, A2, A3 making it possible to produce a polyphase voltage system, in particular three voltage branches. Each voltage branch A1, A2, A3 comprises a plurality of battery cell modules C1, C2, C3. Each battery cell module comprises a cell or a cluster of battery cells c1. The battery cells are connected to a DC/AC converter.
En particulier, dans un module de cellules de batterie C1, C2, C3, les cellules c1 sont connectées à un convertisseur DC/AC qui comprend principalement, ou de préférence est constitué par, un montage en pont en H (H). Les cellules c1 sont en outre connectées à un moyen de supervision BMS et/ou de contrôle Ct du pont en H et/ou à un moyen de diagnostic de cellule. Le module de cellules de batterie préféré peut être illustré par la figure 1 . Dans la variante préférée, les cellules de batterie c1 sont connectées à un système de gestion de batterie BMS du module, configuré pour superviser la ou les cellules, effectuer des diagnostiques et contrôler le pont en H. Le détail d’un tel montage peut être celui décrit dans la figure 1 . In particular, in a battery cell module C1, C2, C3, the cells c1 are connected to a DC/AC converter which mainly comprises, or preferably consists of, an H-bridge circuit (H). The cells c1 are also connected to a means of supervision BMS and/or of control Ct of the H-bridge and/or to a means of cell diagnostics. The preferred battery cell module can be illustrated in Figure 1. In the preferred variant, the battery cells c1 are connected to a battery management system BMS of the module, configured to supervise the cell or cells, carry out diagnostics and control the H-bridge. The detail of such an assembly can be the one depicted in Figure 1.
Les modules de cellules de batterie sont connectés ensemble en série par l’intermédiaire du convertisseur DC/AC, de sorte à former chacune desdites branches de tension A1, A2, A3. Des moyens de commandes, non représentés, sont prévus pour piloter l’ensemble des convertisseurs de sorte à obtenir la tension souhaitée aux bornes de chaque branche de tension A1 , A2, A3. L’ensemble des branches de tension, A1, A2, A3 forme un onduleur multiniveau intégré à la batterie. The battery cell modules are connected together in series via the DC/AC converter, so as to form each of said voltage branches A1, A2, A3. Control means, not shown, are provided to control all of the converters so as to obtain the desired voltage across the terminals of each voltage branch A1, A2, A3. The set of voltage branches, A1, A2, A3 forms a multilevel inverter integrated into the battery.
Chaque branche de tension A1 , kl, A3 est connecté à une branche de phase spécifique B1, B2, B3 pour ledit système électrique polyphasé. En outre, au moins une branche de phase, de préférence les trois branches de phase B1, B2, B3 comportent une dérivation correspondante D1, D2, D3 connectée à un module redresseur R1 . Each voltage branch A1, k1, A3 is connected to a specific phase branch B1, B2, B3 for said polyphase electrical system. Furthermore, at least one phase branch, preferably the three phase branches B1, B2, B3 comprise a corresponding branch D1, D2, D3 connected to a rectifier module R1.
Avantageusement, le convertisseur DC/AC, plus particulièrement le pont en H au droit de chaque cellule c1 permet, par mise en série avec les autres convertisseurs DC/AC de la même branche de tension, de générer une onde de courant triphasé pour alimenter une machine électrique de traction M. Advantageously, the DC/AC converter, more particularly the H bridge in line with each cell c1, makes it possible, by placing it in series with the other DC/AC converters of the same voltage branch, to generate a three-phase current wave to supply a electric traction machine M.
En outre, le dispositif permet de supprimer des convertisseurs DC/DC internes à la batterie en ajoutant aux tensions polyphasées de référence à appliquer aux enroulements de la machine M, un jeu de tensions identiques calculées pour permettre de former un bus de tension continue constante et réglable en amplitude. In addition, the device makes it possible to eliminate DC/DC converters internal to the battery by adding to the reference polyphase voltages to be applied to the windings of the machine M, a set of identical voltages calculated to make it possible to form a constant DC voltage bus and amplitude adjustable.
L’invention permet d’utiliser un courant alternatif polyphasé, en particulier pour alimenter le moteur M en haute tension, et en même temps d’utiliser les formes d’onde de tension particulières générées et appliquées aux bornes du redresseur R1 pour former un bus de tension continue réglable, en particulier en haute ou basse tension, voire en très basse tension. The invention makes it possible to use a polyphase alternating current, in particular to supply the motor M with high voltage, and at the same time to use the particular voltage waveforms generated and applied to the terminals of the rectifier R1 to form a bus adjustable direct voltage, in particular at high or low voltage, or even at very low voltage.
Plus précisément, l’invention permet la création d’un bus de tension DC pour le réseau de bord d’un véhicule à partir des tensions d’alimentation de la machine de traction M ; de générer un bus DC constant ou réglable à partir de tensions d’amplitude et de fréquence variable générées par l’onduleur de traction du véhicule ; et (dans un autre mode de réalisation) de générer un bus DC réglable à partir de tensions alternatives imposées par le réseau électrique connecté à des panneaux photovoltaïques PV par exemple. More specifically, the invention allows the creation of a DC voltage bus for the on-board network of a vehicle from the supply voltages of the traction machine M; to generate a constant or adjustable DC bus from variable amplitude and frequency voltages generated by the vehicle's traction inverter; and (in another embodiment) to generate an adjustable DC bus from alternating voltages imposed by the electrical network connected to PV photovoltaic panels for example.
En particulier, le dispositif formant bus comprend trois dérivations D1 , D2, D3, issues desdites trois branches de phase spécifiques B1 , B2, B3. Les trois dérivations D1, D2, D3, démarrent de leur branche de phase respectives B1 , B2, B3 à partir d’un piquage P1 , P2, P3 sur leur branche de phase respectives B1, B2, B3. Lesdites dérivations D1, D2, D3 sont connectées ensemble en sortie, Sr, dudit module redresseur R1 . Dans un premier mode de réalisation, ledit module redresseur R1 comprend une diode d1, d2, d3 par dérivation D1, D2, D3. Ce mode de réalisation peut être illustré par la figure 2. In particular, the device forming a bus comprises three derivations D1, D2, D3, originating from said three specific phase branches B1, B2, B3. The three derivations D1, D2, D3, start from their respective phase branch B1, B2, B3 from a tapping P1, P2, P3 on their respective phase branch B1, B2, B3. Said branches D1, D2, D3 are connected together at the output, Sr, of said rectifier module R1. In a first embodiment, said rectifier module R1 comprises a diode d1, d2, d3 per branch D1, D2, D3. This embodiment can be illustrated in Figure 2.
Avantageusement, ce mode de réalisation implique un module redresseur R1 simplifié ayant des composants usuels, faciles à obtenir et à monter. En outre, les diodes sont des composants réputés particulièrement fiables et robustes. Advantageously, this embodiment involves a simplified rectifier module R1 having usual components, easy to obtain and to mount. In addition, diodes are reputed to be particularly reliable and robust components.
Par ailleurs, le convertisseur DC/DC des dispositifs de l’art antérieur disparaît et sa fonctionnalité est remplacée par un jeu de trois diodes reliées distinctement à chacune des phases de la machine électrique M. L’association d’une loi de commande spécifique dans la génération des formes d’onde de tension appliquées à la machine électrique M permet de produire une tension continue d’amplitude maîtrisée et réglable. Furthermore, the DC/DC converter of the devices of the prior art disappears and its functionality is replaced by a set of three diodes connected separately to each of the phases of the electric machine M. The association of a specific control law in the generation of the voltage waveforms applied to the electric machine M makes it possible to produce a direct voltage of controlled and adjustable amplitude.
Dans cette configuration, le transfert d’énergie n’est possible que de la batterie vers le réseau DC et le système reste opérationnel dans les différentes situations de vie du système, à savoir les fonctionnements en mode traction, récupération d’énergie au freinage, recharge batterie en monophasé alternatif, triphasé et courant continu. In this configuration, energy transfer is only possible from the battery to the DC network and the system remains operational in the various life situations of the system, namely operation in traction mode, energy recovery during braking, single-phase alternating, three-phase and direct current battery charging.
Il suffit que les tensions soient présentes sur les branches du dispositif pour que l’invention génère une tension continue. It is sufficient for the voltages to be present on the branches of the device for the invention to generate a DC voltage.
La suppression des composants intermédiaires de l’art antérieur apporte à la fois une simplification du système et de son montage, ainsi qu’un meilleur rendement énergétique. The elimination of the intermediate components of the prior art brings both a simplification of the system and its assembly, as well as better energy efficiency.
Le premier mode de réalisation convient pour une utilisation en véhicule électrique en mode traction ou recharge de véhicule, c'est-à-dire avec décharge ou recharge de la batterie et récupération de l’énergie au freinage. The first embodiment is suitable for use in an electric vehicle in traction or vehicle charging mode, that is to say with discharge or charging of the battery and recovery of energy during braking.
Par exemple, en mode traction, le principe est le suivant : For example, in traction mode, the principle is as follows:
Aux tensions de référence, Vrefl, Vref2, Vref3, requises pour le fonctionnement du système électrique polyphasé, dans ce cas la machine électrique M, on rajoute une même tension de mode commun, VMC, telle que les tensions aux bornes des branches de tension A1, A2, A3 correspondent à Vondl, Vond2, Vond3, soit : To the reference voltages, Vrefl, Vref2, Vref3, required for the operation of the polyphase electrical system, in this case the electrical machine M, we add the same common mode voltage, VMC, such as the voltages at the terminals of the voltage branches A1 , A2, A3 correspond to Vondl, Vond2, Vond3, i.e.:
Vondl — Vrefl ¾C Vond2 — Vref2 + VMC Vondl — Vrefl ¾C V ond2 — V re f2 + VMC
Les tensions sont ici à comprendre comme des tensions instantanées, évoluant en fonction du temps. The tensions are here to be understood as instantaneous tensions, evolving according to time.
Les tensions entre phases et neutre de l’onduleur multiniveaux sont prélevées grâce aux trois diodes d1 , d2, d3. La tension continue Vdc prélevée est alors : The voltages between phases and neutral of the multilevel inverter are sampled using the three diodes d1, d2, d3. The DC voltage Vdc taken is then:
Pour générer une tension continue Vdc définie sur le bus continu, il faut donc ajouter aux tensions de référence Vrefl, Vref2, Vref3 requises pour le fonctionnement du système électrique polyphasé, dans cet exemple le moteur électrique, la tension de mode commun, VMC, suivante : To generate a DC voltage Vdc defined on the DC bus, it is therefore necessary to add to the reference voltages Vrefl, Vref2, Vref3 required for the operation of the polyphase electrical system, in this example the electric motor, the following common mode voltage, VMC, :
L’exemple est donné ici pour trois phases, cependant si le système polyphasé comprend N branches l’expression de la tension de mode commun, VMC, devient : The example is given here for three phases, however if the polyphase system comprises N branches the expression of the common mode voltage, VMC, becomes:
Les moyens de commandes sont donc prévus pour piloter les convertisseurs de sorte à générer à la sortie de chaque branche de tension A1 , A2, A3 la tension Vondl, Vond2, Vond3 correspondant à la somme de la tension de référence Vrefl, Vref2, Vref3 requise pour le fonctionnement du système électrique polyphasé, dans cet exemple la machine électrique, et de la tension de mode commun, Vmc, identique pour chaque branche de tension A1, A2, A3, et ceci de sorte que la superposition temporelle de ces tensions Vondl, Vond2, Vond3 forme un plateau de tension. C’est ce plateau de tension qui, extrait par le module redresseur permet d’obtenir la tension continue Vdc. The control means are therefore provided to control the converters so as to generate at the output of each voltage branch A1, A2, A3 the voltage Vondl, Vond2, Vond3 corresponding to the sum of the reference voltage Vrefl, Vref2, Vref3 required for the operation of the polyphase electrical system, in this example the electrical machine, and of the common mode voltage, Vmc, identical for each voltage branch A1, A2, A3, and this so that the temporal superposition of these Vondl voltages, Vond2, Vond3 form a voltage plateau. It is this voltage plateau which, extracted by the rectifier module, makes it possible to obtain the DC voltage Vdc.
Les tensions composées aux bornes des phases de la machine, U12, U23, U31 , sont alors : The line-to-line voltages at the terminals of the machine phases, U12, U23, U31, are then:
U 12 — Vond2 = Vre + VMC — Vref2 — VMC = Vre — Vref2 On peut donc constater que la tension de mode commun, VMC, est avantageusement éliminée dans l’expression des tensions composées appliquées à la machine M. Dans le cas de formes d’onde de référence, Vrefl, Vref2, Vref3 sinusoïdales, la machine M est alimentée par des tensions sinusoïdales qu’elle soit connectée en triangle ou en étoile. La tension de mode commun, VMC, est donc un degré de liberté permettant de régler la valeur de la tension du bus DC sans impacter les formes d’onde appliquées à la machine électrique. U 12 — V ond2 = V re + V MC — V re f 2 — V MC = V re — V re f 2 It can therefore be seen that the common mode voltage, VMC, is advantageously eliminated in the expression of the phase-to-phase voltages applied to the machine M. In the case of reference waveforms, Vref1, Vref2, Vref3 which are sinusoidal, the machine M is powered by sinusoidal voltages whether it is connected in delta or in star. The common mode voltage, VMC, is therefore a degree of freedom making it possible to adjust the value of the DC bus voltage without impacting the waveforms applied to the electrical machine.
La figure 3 illustre les tensions Vondl , Vond2, Vond3 des trois bras A1 , A2, A3 correspondant à la somme d’une forme de tension identique aux trois bras A1 , A2, A3, cette forme de tension identique étant dite de mode commun Vmc, avec respectivement les tensions de référence Vrefl, Vref2, Vref3. La somme de ces tensions est celle que l’on souhaite appliquer à la machine M. FIG. 3 illustrates the voltages Vondl, Vond2, Vond3 of the three arms A1, A2, A3 corresponding to the sum of a form of voltage identical to the three arms A1, A2, A3, this form of identical voltage being said to be of common mode Vmc , with respectively the reference voltages Vref1, Vref2, Vref3. The sum of these voltages is the one that we wish to apply to the machine M.
Les tensions triphasées obtenues présentent une forme répétitive caractéristique, mais non-sinusoïdale. On note sur la figure que la superposition temporelle de ces formes de tensions Vondl , Vond2, Vond3 fait alors apparaître un plateau p de tension maximale. Ce plateau p est utilisé pour fabriquer un bus de tension continue. Le module redresseur R1 permet de prélever une composante de tension continue qui peut être utilisée pour le réseau à bord. Un mode de connexion des enroulements de la machine M en étoile ou en triangle permet l’élimination naturelle de la forme de tension identique ajoutée à chacune des références des tensions des branches A1 , A2, A3 et les tensions aux bornes des enroulements de la machine M possèdent la forme d’onde sinusoïdale parfaite recherchée. Le fonctionnement de la machine électrique M est donc normal. The three-phase voltages obtained have a characteristic repetitive shape, but not sinusoidal. It is noted in the figure that the temporal superposition of these forms of voltages Vond1, Vond2, Vond3 then causes a plateau p of maximum voltage to appear. This plate p is used to manufacture a DC voltage bus. The rectifier module R1 makes it possible to take a DC voltage component which can be used for the on-board network. A mode of connection of the windings of the machine M in star or in triangle allows the natural elimination of the form of identical voltage added to each of the references of the voltages of the branches A1, A2, A3 and the voltages at the terminals of the windings of the machine M have the desired perfect sine waveform. The operation of the electric machine M is therefore normal.
Un autre intérêt de l’invention réside dans le mode de commande permettant de générer la tension de mode commun Vmc (soit, la forme de tension identique ajoutée à la référence de tension de chaque phase de la machine) requise pour obtenir le niveau de tension sur le réseau DC. Ce mode de commande particulier permet la circulation d’une puissance fluctuante importante circulant dans l’ensemble des cellules des différents bras A1, A2, A3. La gestion de cette puissance dans chaque élément de batterie peut être mise à profit pour gérer l’équilibrage des niveaux de charge des cellules en autorisant en particulier des transferts de puissance d’une branche de tension A1, kl, A3 à l’autre via les courants dans la machine de traction M. Another advantage of the invention lies in the control mode making it possible to generate the common mode voltage Vmc (that is, the form of identical voltage added to the voltage reference of each phase of the machine) required to obtain the voltage level on the DC network. This particular control mode allows the circulation of a high fluctuating power circulating in all the cells of the different arms A1, A2, A3. The management of this power in each battery element can be used to manage the balancing of the charge levels of the cells by authorizing in particular transfers of power from one voltage branch A1, k1, A3 to the other via the currents in the traction machine M.
L’utilisation de diodes implique un sens unidirectionnel donné par les diodes (tension VDC) . Ainsi, un deuxième mode de réalisation est basé sur un module redresseur R2 qui est bidirectionnel. The use of diodes implies a unidirectional direction given by the diodes (voltage VDC). Thus, a second embodiment is based on a rectifier module R2 which is bidirectional.
Pour assurer la bidirectionnalité du bus DC en puissance, le module redresseur est modifié en utilisant, dans une variante, une structure à découpage de type MLI associée à un bras de pont pour la gestion du potentiel du neutre (tension de mode commun). La figure 4 montre un exemple de structure MLI compatible avec ce mode de fonctionnement. To ensure the bidirectionality of the DC bus in power, the rectifier module is modified by using, in a variant, a switching structure of the PWM type associated with a bridge arm for the management of the potential of the neutral (common mode voltage). Figure 4 shows an example of PWM structure compatible with this mode of operation.
Malgré sa complexité, cette structure permet d’une part d’assurer la bidirectionnalité du bus DC mais d’autre part de contrôler finement le prélèvement d’énergie en mode commun et en mode différentiel tout en permettant le réglage de la tension DC à la valeur souhaitée. Rien n’empêche alors d’utiliser le dispositif formant bus DC pour alimenter un autre convertisseur et une autre machine de traction pour assurer le fonctionnement en quatre roues motrices d’un véhicule. Despite its complexity, this structure makes it possible on the one hand to ensure the bidirectionality of the DC bus but on the other hand to finely control the drawing of energy in common mode and in differential mode while allowing adjustment of the DC voltage at the desired value. There is then nothing to prevent using the device forming a DC bus to supply another converter and another traction machine to ensure the four-wheel drive operation of a vehicle.
D’autres modules redresseurs bidirectionnels peuvent être envisagés, notamment ceux connus de l’homme du métier. L’invention peut être adaptée aux systèmes de charge de batterie. Ainsi, dans un troisième mode de réalisation, le dispositif formant bus comprend un module de connexion de charge de batterie (prise F) associé aux branches de tension A1, kl, A3. Other bidirectional rectifier modules can be considered, in particular those known to those skilled in the art. The invention can be adapted to battery charging systems. Thus, in a third embodiment, the device forming a bus comprises a battery charging connection module (socket F) associated with the voltage branches A1, k1, A3.
Le troisième mode de réalisation convient pour une utilisation en véhicule électrique (du type rechargeable) en mode recharge rapide (continu haute tension) de batterie de véhicule sur secteur. La prise F est branchée au réseau électrique via une borne de charge délivrant une tension continue (par exemple à 350A - 1000V en valeurs maximales). En particulier, des interrupteurs (s) sont prévus pour permettre la mise en série des branches de tensions, la déconnection des deux diodes connectées aux branches de tension aux potentiels les plus élevés et la déconnection de la machine de traction M. L’invention concerne en outre un système électrique polyphasé comprenant un dispositif formant un bus de tension continue tel que décrit précédemment. Selon le mode de réalisation considéré, le système électrique peut être un système pour un moteur de traction de véhicule électrique, par exemple de type PHEV, BEV... ; ou alors un système électrique pour générateur à énergie renouvelable connecté à un réseau électrique RE par l’intermédiaire des cellules de batterie c1. The third embodiment is suitable for use in an electric vehicle (of the rechargeable type) in rapid charging mode (high voltage direct current) of the vehicle battery on the mains. Socket F is connected to the electrical network via a charging terminal delivering a direct voltage (for example at 350A - 1000V in maximum values). In particular, switch(es) are provided to allow the series connection of the voltage branches, the disconnection of the two diodes connected to the voltage branches at the highest potentials and the disconnection of the traction machine M. The invention concerns furthermore a polyphase electrical system comprising a device forming a direct voltage bus as described previously. According to the embodiment considered, the electrical system may be a system for an electric vehicle traction motor, for example of the PHEV, BEV, etc. type; or else an electrical system for a renewable energy generator connected to an electrical network RE via the battery cells c1.
Le premier mode de réalisation concerne un système électrique polyphasé pour véhicule automobile. Ce système comprend le dispositif formant un bus de tension continue tel que décrit précédemment ainsi qu’un moteur de traction M connecté au dispositif formant le bus. En outre, les dérivations D1, D2, D3 sont connectées à au moins un dispositif électrique du véhicule, plus particulièrement au réseau à bord du véhicule. Les détails du système ont déjà été décrits précédemment. Il peut être illustré par la figure 2. The first embodiment relates to a polyphase electrical system for a motor vehicle. This system comprises the device forming a direct voltage bus as described previously as well as a traction motor M connected to the device forming the bus. In addition, branches D1, D2, D3 are connected to at least one electrical device of the vehicle, more particularly to the network on board the vehicle. The details of the system have already been described previously. It can be illustrated in figure 2.
Le deuxième mode de réalisation concerne un système électrique polyphasé pour véhicule automobile, incluant un module de redresseur bidirectionnel. De même, ce système comprend le dispositif formant le bus de tension continue tel que décrit précédemment, similaire à celui du premier mode de réalisation avec une différence au niveau du module redresseur pouvant par exemple être du type MLI et bidirectionnel sur le plan du transfert d’énergie (illustré par la figure 4). The second embodiment relates to a polyphase electrical system for a motor vehicle, including a bidirectional rectifier module. Similarly, this system comprises the device forming the DC voltage bus as described above, similar to that of the first embodiment with a difference at the level of the rectifier module which can for example be of the PWM type and bidirectional in terms of power transfer. energy (illustrated in Figure 4).
Le troisième mode de réalisation concerne un système électrique polyphasé pour véhicule automobile, incluant un module de connexion permettant la recharge rapide de la batterie sur une borne de recharge DC à haute tension. De même, ce système comprend le dispositif formant le bus de tension continue tel que décrit précédemment, similaire à celui du premier mode de réalisation avec une différence au niveau de la prise F et des interrupteurs s. Il peut être illustré par la figure 5. The third embodiment relates to a polyphase electrical system for a motor vehicle, including a connection module allowing fast charging of the battery on a high voltage DC charging station. Likewise, this system comprises the device forming the DC voltage bus as described previously, similar to that of the first embodiment with a difference at the level of the tap F and the switches s. It can be illustrated in figure 5.
L’invention porte en outre sur un véhicule automobile comprenant un système électrique polyphasé tel que décrit précédemment. Le quatrième mode de réalisation concerne un système électrique polyphasé pour générateur à énergie renouvelable. Par « générateur à énergie renouvelable » est entendu un dispositif transformant de l’énergie mécanique ou solaire en énergie électrique. Il s’agit par exemple de panneaux photovoltaïques PV, d’éoliennes, de systèmes hydroélectriques ou d’autres systèmes de type dynamo-électriques. The invention further relates to a motor vehicle comprising a polyphase electrical system as described previously. The fourth embodiment relates to a polyphase electrical system for a renewable energy generator. By “renewable energy generator” is meant a device transforming mechanical or solar energy into electrical energy. These include, for example, photovoltaic PV panels, wind turbines, hydroelectric systems or other systems of the dynamo-electric type.
Dans ce système, les branches de phase B1 , B2, B3 sont connectées à un réseau électrique, et les dérivations D1 , D2, D3 sont connectées à un générateur à énergie renouvelable PV. En outre, les diodes d1, d2, d3 sont inversées. La technique de commande MPPT (Maximum Power Point Tracking) est un principe qui permet de suivre le point de puissance maximale d'un générateur électrique non linéaire comme le panneau solaire. L’intérêt est d’ajuster la tension de sortie des panneaux solaire pour obtenir le maximum de puissance pour un courant donné (qui est fonction de l’ensoleillement). L’invention permet de relier, via les trois diodes d1, d2, d3 (figure 6), les panneaux solaires PV directement à la batterie et de supprimer le régulateur MPPT, la fonction de recherche de puissance maximale étant maintenant directement gérée par la batterie. In this system, phase branches B1, B2, B3 are connected to an electrical network, and branches D1, D2, D3 are connected to a PV renewable energy generator. Furthermore, diodes d1, d2, d3 are inverted. The MPPT (Maximum Power Point Tracking) control technique is a principle that makes it possible to follow the maximum power point of a nonlinear electrical generator such as the solar panel. The interest is to adjust the output voltage of the solar panels to obtain the maximum power for a given current (which depends on the sunshine). The invention makes it possible to connect, via the three diodes d1, d2, d3 (figure 6), the PV solar panels directly to the battery and to eliminate the MPPT regulator, the maximum power search function now being directly managed by the battery .
Par rapport à l’application électromobilité (premier, deuxième et troisième modes de réalisation), l’application ferme stationnaire (quatrième mode de réalisation) conduit à inverser le sens des diodes d1 , d2, d3, le principe de commande restant le même. Compared to the electromobility application (first, second and third embodiments), the stationary firm application (fourth embodiment) leads to reversing the direction of the diodes d1, d2, d3, the control principle remaining the same.
Avantageusement, l’invention permet de connecter des panneaux photovoltaïques (ou autre générateur à énergie renouvelable) directement à la batterie, évitant l’architecture traditionnelle. De même, la suppression des composants intermédiaires apporte à la fois une simplification du système et de son montage, ainsi qu’un meilleur rendement. Advantageously, the invention makes it possible to connect photovoltaic panels (or other renewable energy generator) directly to the battery, avoiding traditional architecture. Similarly, the elimination of intermediate components brings both a simplification of the system and its assembly, as well as better efficiency.
Un transformateur T peut être prévu entre les branches de phase B1, B2, B3 et le réseau électrique RE. L’invention porte en outre sur un système de générateur à énergie renouvelable comprenant un générateur à énergie renouvelable PV, et un système électrique polyphasé tel que décrit précédemment connecté audit générateur à énergie renouvelable PV. Les variantes possibles de l’invention comprennent toutes les structures électroniques de puissance permettant d’utiliser la tension de mode commun générée pour créer des sources de tension auxiliaires, telles qu’un module incluant un correcteur de facteur de puissance (PFC - Power Factor Corrector) pour absorber des courants à formes pilotables sur les différentes phases de la batterie. Le boîtier PFC se substituerait aux diodes avec une structure plus complexe qui associe des transistors et des inductances. A transformer T can be provided between the phase branches B1, B2, B3 and the electrical network RE. The invention further relates to a renewable energy generator system comprising a PV renewable energy generator, and a polyphase electrical system as previously described connected to said PV renewable energy generator. The possible variants of the invention include all the power electronic structures making it possible to use the common mode voltage generated to create auxiliary voltage sources, such as a module including a power factor corrector (PFC - Power Factor Corrector ) to absorb currents with controllable forms on the different phases of the battery. The PFC package would replace diodes with a more complex structure that combines transistors and inductors.
D’autres variantes concernent un module redresseur incluant un convertisseur DC-DC avec ou sans isolation galvanique. L’ajout d’un convertisseur DC-DC permet de produire par exemple du 12V ou du 48V. Other variants relate to a rectifier module including a DC-DC converter with or without galvanic isolation. The addition of a DC-DC converter makes it possible to produce, for example, 12V or 48V.
L’invention porte également sur une méthode particulière de génération de courant électrique polyphasé. The invention also relates to a particular method for generating polyphase electric current.
La méthode est de préférence basée sur une architecture telle que décrite précédemment. La méthode comprend une étape pour connecter en série des modules de cellules de batterie C1, C2, C3 via la mise en série de convertisseurs DC/AC (DCAC) en pont en H. Les modules ainsi connectés forment ensemble des branches de tension A1, A2, A3. The method is preferably based on an architecture as described above. The method includes a step for series-connecting battery cell modules C1, C2, C3 via the series connection of H-bridge DC/AC converters (DCAC). The modules thus connected together form voltage branches A1, A2, A3.
La méthode comprend en outre une étape pour connecter chacun desdites branches de tension A1 , kl, A3 à une branche de phase spécifique B1, B2, B3 pour un système électrique polyphasé M, RE. Cette étape aboutit à générer un système de tension alternatif polyphasé, en particulier aux bornes des branches de tension A1, kl, A3. The method further comprises a step for connecting each of said voltage branches A1, k1, A3 to a specific phase branch B1, B2, B3 for a polyphase electrical system M, RE. This step results in generating a polyphase alternating voltage system, in particular at the terminals of the voltage branches A1, k1, A3.
La méthode comprend en outre une étape pour connecter au moins une dérivation D1, D2, D3 d’au moins une branche de phase B1, B2, B3 à un module redresseur R1, R2, R3 selon le cas. En particulier, les trois dérivations D1 , D2, D3 des trois branches de phase B1 , B2, B3 sont connectées audit module redresseur. Cette étape aboutit à former un bus de tension continue, en particulier aux bornes du module redresseur R1 , R2 ou R3 selon le cas. En particulier, le principe de base consiste à faire générer à la structure de conversion de la chaîne de traction des tensions constituées par la superposition d’un mode différentiel vu par la machine de traction M et répondant aux besoins de motorisation (traction/freinage) du véhicule ; et d’un mode commun réglable, éliminé naturellement par la machine M (enroulements de la machine connectés en étoile ou en triangle). Les tensions de l’onduleur comprenant le mode commun et le mode différentiel sont générées entre les sorties des branches de phase de l’onduleur connectées en étoile et le point neutre de cette structure. Cette tension de mode commun est utilisée pour générer un réseau de bord DC. The method further comprises a step for connecting at least one branch D1, D2, D3 of at least one phase branch B1, B2, B3 to a rectifier module R1, R2, R3 as the case may be. In particular, the three branches D1, D2, D3 of the three phase branches B1, B2, B3 are connected to said rectifier module. This step results in forming a DC voltage bus, in particular at the terminals of the rectifier module R1, R2 or R3 as the case may be. In particular, the basic principle consists in having the conversion structure of the traction chain generate voltages constituted by the superposition of a differential mode seen by the traction machine M and meeting the needs of motorization (traction/braking) of the vehicle ; and an adjustable common mode, naturally eliminated by the machine M (windings of the machine connected in star or delta). The voltages of the inverter comprising the common mode and the differential mode are generated between the outputs of the phase branches of the inverter connected in star and the neutral point of this structure. This common mode voltage is used to generate a DC on-board network.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif formant un bus de tension continue pour un système électrique polyphasé, comprenant des branches de tensions (A1, A2, A3) comportant, chacune, une pluralité de modules de cellules de batterie (C1, C2, C3), chaque module comprenant une cellule ou un cluster de cellules de batterie (c1 ), connecté à un convertisseur DC/AC (DCAC) comprenant un pont en H (H) ; lesdits modules de cellules de batterie (C1, C2, C3) étant connectés ensemble en série par l’intermédiaire du convertisseur DC/AC (DCAC) ; lesdites branches de tension (A1, kl, A3) étant, chacune, connectées à une branche de phase spécifique (B1, B2, B3) pour ledit système électrique polyphasé, au moins une branche de phase (B1, B2, B3) comportant une dérivation (D1, D2, D3) connectée à un module redresseur (R1 ; R2 ; R3). 1. Device forming a DC voltage bus for a polyphase electrical system, comprising voltage branches (A1, A2, A3) each comprising a plurality of battery cell modules (C1, C2, C3), each module comprising a cell or a cluster of battery cells (c1), connected to a DC/AC converter (DCAC) comprising an H-bridge (H); said battery cell modules (C1, C2, C3) being connected together in series through the DC/AC converter (DCAC); said voltage branches (A1, k1, A3) each being connected to a specific phase branch (B1, B2, B3) for said polyphase electrical system, at least one phase branch (B1, B2, B3) comprising a bypass (D1, D2, D3) connected to a rectifier module (R1; R2; R3).
2. Dispositif formant un bus de tension continue selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend des moyens de commandes propres à piloter les convertisseurs de sorte à générer à la sortie de chaque branche de tension (A1, kl, A3) une tension (Vondl , Vond2, Vond3) correspondant à la somme d’une tension de référence (Vrefl, Vref2, Vref3) requise pour le fonctionnement du système électrique polyphasé et d’une tension de mode commun (Vmc) identique pour chaque branche de tension (A1, kl, A3), la superposition temporelle des tensions (Vondl, Vond2, Vond3) en sortie de chaque branche de tension formant un plateau (p) de tension extrait par le module redresseur (R1 ; R2 ; R3) pour obtenir la tension continue (Vdc). 2. Device forming a DC voltage bus according to claim 1, characterized in that it comprises control means capable of controlling the converters so as to generate at the output of each voltage branch (A1, k1, A3) a voltage (Vondl, Vond2, Vond3) corresponding to the sum of a reference voltage (Vrefl, Vref2, Vref3) required for the operation of the polyphase electrical system and an identical common mode voltage (Vmc) for each voltage branch (A1, kl, A3), the temporal superposition of the voltages (Vondl, Vond2, Vond3) at the output of each voltage branch forming a voltage plateau (p) extracted by the rectifier module (R1; R2; R3) to obtain the DC voltage (Vdc).
3. Dispositif formant un bus de tension continue selon la revendication 1 ou la revendication 2, comprenant trois branches de tension (A1 , kl, A3) connectés à trois branches de phase spécifiques (B1, B2, B3) comprenant chacune une dérivation spécifique (D1, D2, D3) connectée audit module redresseur (R1 ; R2 ; R3). 3. Device forming a DC voltage bus according to claim 1 or claim 2, comprising three voltage branches (A1, k1, A3) connected to three specific phase branches (B1, B2, B3) each comprising a specific branch ( D1, D2, D3) connected to said rectifier module (R1; R2; R3).
4. Dispositif formant un bus de tension continue selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit module redresseur (R1 ; R3) comprend une diode (d1, d2, d3) par dérivation (D1, D2, D3). 4. Device forming a DC voltage bus according to one of claims 1 to 3, characterized in that said rectifier module (R1; R3) comprises a diode (d1, d2, d3) per branch (D1, D2, D3) .
5. Dispositif formant bus de tension continue selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit module redresseur (R2) est bidirectionnel. 5. Device forming a DC voltage bus according to any one of claims 1 to 3, characterized in that said rectifier module (R2) is bidirectional.
6. Dispositif formant bus de tension continue selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tension de mode commun (Vmc) est définie par la relation : 6. Device forming a DC voltage bus according to one of the preceding claims, characterized in that the common mode voltage (Vmc) is defined by the relationship:
Avec Vdc, la tension continue, et Vrefl , ..., VrefN, les tensions de référence requises pour le fonctionnement d’un système électrique polyphasé à N phases. With Vdc, the DC voltage, and Vrefl , ..., VrefN, the reference voltages required for the operation of an N-phase polyphase electrical system.
7. Dispositif formant un bus de tension continue selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant un module de connexion de charge de batterie (F) sur un réseau de tension continue à haute tension associé aux branches de tension (A1, A2, A3). 7. Device forming a direct voltage bus according to any one of claims 1 to 6, comprising a battery charging connection module (F) on a high voltage direct voltage network associated with the voltage branches (A1, A2 , A3).
8. Système électrique polyphasé pour véhicule automobile, comprenant un dispositif formant un bus de tension continue selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les branches de phase (B1 , B2, B3) sont connectées à un moteur de traction (M) du véhicule automobile, et les dérivations (D1, D2, D3) sont connectées à au moins un dispositif électrique du véhicule. 8. polyphase electrical system for a motor vehicle, comprising a device forming a DC voltage bus according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the phase branches (B1, B2, B3) are connected to a motor of traction (M) of the motor vehicle, and the branches (D1, D2, D3) are connected to at least one electrical device of the vehicle.
9. Véhicule automobile comprenant un système électrique polyphasé selon la revendication 8. 9. Motor vehicle comprising a polyphase electrical system according to claim 8.
10. Système électrique polyphasé pour générateur à énergie renouvelable (PV), comprenant un dispositif formant un bus de tension continue selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les branches de phase (B1, B2, B3) sont connectées à un réseau électrique (RE), et les dérivations (D1, D2, D3) sont connectées à un générateur à énergie renouvelable (PV). 10. polyphase electrical system for a renewable energy (PV) generator, comprising a device forming a direct voltage bus according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the phase branches (B1, B2, B3) are connected to a power grid (RE), and the branches (D1, D2, D3) are connected to a renewable energy (PV) generator.
11. Système de générateur à énergie renouvelable (PV) comprenant un système électrique polyphasé selon la revendication 10. 11. A renewable energy (PV) generator system comprising a polyphase electrical system according to claim 10.
12. Méthode de génération de courant électrique polyphasé comportant des étapes pour 12. Method for generating polyphase electric current comprising steps for
- connecter en série des modules de cellules de batterie (C1, C2, C3) par l’intermédiaire d’un convertisseur DC/AC (DCAC) comprenant un pont en H (H), pour former des branches de tension (A1, A2, A3) comportant, chacune, une pluralité de modules de cellules de batterie ; - serially connecting battery cell modules (C1, C2, C3) via a DC/AC converter (DCAC) comprising an H-bridge (H), to form voltage branches (A1, A2, A3) each comprising a plurality of battery cell modules;
- connecter chacune desdites branches de tension (A1, kl, A3) à une branche de phase spécifique (B1 , B2, B3) pour former un système électrique polyphasé (M ; RE) de sorte à générer et utiliser un courant alternatif polyphasé ; - connecting each of said voltage branches (A1, k1, A3) to a specific phase branch (B1, B2, B3) to form a polyphase electrical system (M; RE) so as to generate and use a polyphase alternating current;
- connecter au moins une dérivation (D1, D2, D3) d’au moins une branche de phase (B1, B2, B3) à un module redresseur (R) de sorte à utiliser un courant continu. - connect at least one branch (D1, D2, D3) of at least one phase branch (B1, B2, B3) to a rectifier module (R) so as to use direct current.
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