EP4595189A1 - Circuit d'alimentation électrique d'une unité de stockage d'énergie électrique de véhicule - Google Patents

Circuit d'alimentation électrique d'une unité de stockage d'énergie électrique de véhicule

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Publication number
EP4595189A1
EP4595189A1 EP23772288.9A EP23772288A EP4595189A1 EP 4595189 A1 EP4595189 A1 EP 4595189A1 EP 23772288 A EP23772288 A EP 23772288A EP 4595189 A1 EP4595189 A1 EP 4595189A1
Authority
EP
European Patent Office
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circuit
arms
arm
frequency
sub
Prior art date
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Pending
Application number
EP23772288.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Nicolas ALLALI
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Valeo Electrification SAS
Original Assignee
Valeo Electrification SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Electrification SAS filed Critical Valeo Electrification SAS
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Pending legal-status Critical Current

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    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/10—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by the energy transfer between the charging station and the vehicle
    • B60L53/12—Inductive energy transfer
    • B60L53/122—Circuits or methods for driving the primary coil, e.g. supplying electric power to the coil
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • H02M7/5387—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 using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
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    • H02J2207/20—Charging or discharging characterised by the power electronics converter

Definitions

  • the present invention relates to a contactless power supply circuit of a vehicle electrical energy storage unit.
  • the electrical energy storage unit has for example a nominal voltage of 12V, 48V, 60V or more, for example greater than 300V, for example 400V, 800V or 1000V
  • the object of the invention is to meet this need and it achieves this, according to one of its aspects, using an electrical power supply circuit of an electrical energy storage unit, this circuit power supply comprising:
  • the primary sub-circuit and the secondary sub-circuit being configured so as to exchange without contact by inductive coupling of electrical energy at the frequency of the alternating voltage at the input of the primary sub-circuit, the primary sub-circuit comprising for each phase of the alternating voltage at its input:
  • a first switching arm comprising two electronic switches controllable in series, between which a first terminal of the network phase can be connected
  • a second switching arm comprising two electronic switches controllable in series, between which a second terminal of the network phase is capable of being connected, and between which a first terminal of a primary inductive cell for the exchange of contactless energy is connected, and
  • a third switching arm comprising two electronic switches controllable in series, between which a second terminal of the primary inductive cell for contactless energy exchange is connected, the first, second, and third arms being mounted in parallel, and the control unit being configured to control these first, second and third switching arms so that:
  • first and second arms form a first inverter/rectifier
  • the second and third arms form a second inverter/rectifier.
  • the electrical network provides, for example, a nominal effective voltage of 230V with a frequency of 50 Hz or 60 Hz.
  • the electrical network is, for example, single-phase.
  • the electricity network is for example a regional or national electricity network. Alternatively, it may be an independent local network, comprising for example one or more batteries powered by energy sources such as wind turbines, solar panels, fuel cells or hydroelectricity generators.
  • the control unit is for example configured to control the first and second arms so that the first arm switches at a frequency greater than at least five times, in particular at least ten times, the frequency at which the second arm switches , the second arm switching at the frequency of the alternating voltage at the input of the sub- primary circuit.
  • each of its two controllable electronic switches is opened and closed in a complementary manner with the same switching frequency.
  • the second arm can switch at a frequency less than or equal to 60Hz, in particular less than or equal to 50Hz.
  • the first arm can then switch at a frequency greater than 250 Hz, in particular greater than 500 Hz.
  • This switching frequency of the first arm is for example less than 1 MHz, in particular at 500 kHz.
  • the control unit can be configured to control the second and third arms so that these two arms switch at the same frequency, and so that the third arm is modulated out of phase with respect to the second arm, these two arms switching at the frequency of the alternating voltage at the input of the primary sub-circuit.
  • the second and the third arm can switch at a frequency less than or equal to 60Hz, in particular less than or equal to 50Hz. This modulated phase shift makes it possible, for example, to regulate the power transmitted to the secondary sub-circuit.
  • the control unit can be configured to control the first and second arms so that these two arms also perform a power factor correction function.
  • a correction allows in a known manner for the current taken from the network to be as close as possible to a perfect sine at the network pulsation. This reduces the reactive current and the subharmonics which increase the energy losses in conduction.
  • the primary sub-circuit includes a primary inductive cell interacting with a secondary inductive cell of the secondary sub-circuit for the contactless exchange of electrical energy by inductive coupling.
  • the primary inductive cell may comprise in series: a coil enabling the generation of magnetic energy, and a capacitor, thus forming a resonant cell
  • the secondary inductive cell may comprise in series: a coil enabling the recovery of magnetic energy from the primary inductive cell, and a capacitor, thus forming a resonant cell.
  • these coils and these capacitors are chosen so that the primary inductive cell and the secondary inductive cell have the same resonant frequency.
  • the secondary sub-circuit may include:
  • a third inverter/rectifier capable of carrying out an impedance adaptation of the impedance on the alternating input of this third inverter/rectifier, independently of the impedance of the electrical energy storage unit.
  • the impedance on the alternating input of the third inverter/rectifier is represented by the ratio V/I where V is the voltage across the secondary inductive cell and I is the intensity of the current passing through it.
  • the impedance adaptation thus makes it possible to impose on the alternating input of the third inverter/rectifier an impedance independent of that of the electrical energy storage unit, which promotes contactless exchange by inductive coupling of low frequency electrical energy.
  • the third inverter/rectifier comprises two switching arms mounted in parallel, each of these switching arms comprises two controllable electronic switches mounted in series, the control unit being configured to control these two arms so that :
  • the other of these two arms switches at a frequency greater than that of said alternating voltage, for example at a frequency greater than at least five times, in particular at least ten times, the frequency of said alternating voltage and with a duty cycle modulated according to the alternating current circulating in the second inductive cell and the voltage on the alternating input of the third inverter/rectifier.
  • This frequency higher than that of the alternating voltage at which this arm of the third inverter/rectifier switches is for example the same as that at which the first arm switches.
  • the third inverter/rectifier comprises two switching arms mounted in parallel, each of these switching arms comprises two switches mounted in series, only one switch being controllable among the two switches of an arm, and the switching unit control being configured to control these two arms so as to carry out the impedance adaptation on the alternating input of this third inverter/rectifier.
  • control unit can be configured to control the different switching arms so as to selectively carry out:
  • the exchange of electrical energy can take place in one direction or the other.
  • the electrical energy storage unit may be a lithium-ion type battery.
  • This battery has for example a nominal voltage of 12V, 48V, 60V or more, for example greater than 300V, for example 400V, 800V or 1000V.
  • each controllable electronic switch is for example a transistor, for example bipolar, MOS or IGBT, or a thyristor.
  • Each controllable electronic switch is for example bidirectional.
  • control unit can be a digital processing circuit, for example an ASIC type integrated circuit (“Application-specific integrated circuit” in English) or a microcontroller.
  • ASIC Application-specific integrated circuit
  • the control unit may alternatively comprise a primary sub-circuit control module and a secondary sub-circuit control module.
  • the first and/or the second inductor can be made of metal wire, such as copper.
  • metal wire is solid, as opposed to Litz wire.
  • a solid metal wire does not have its cross section hollowed out.
  • at least one of these inductances, or even each of these inductances, is made of Litz wire.
  • the invention also relates, according to another of its aspects, to a component for the electrical supply of an electrical energy storage unit, comprising the electrical circuit as defined above, the component defining in particular a structure supporting the primary sub-circuit and the secondary sub-circuit in a rigidly coupled manner.
  • a component is commonly called an “on board charger” in English. This component is suitable for being embedded in a hybrid or electric vehicle.
  • the invention also relates, according to another of its aspects, to a device for supplying electricity to an electrical energy storage unit, comprising:
  • This terminal then receives electrical energy from an electrical network via a cable which can be a single-phase cable or a three-phase cable.
  • a cable which can be a single-phase cable or a three-phase cable.
  • the primary circuit and the secondary circuit are not integrated into the same physical component.
  • FIG.l schematically represents a power supply circuit according to an example of implementation of the invention.
  • FIG.2 schematically represents a variant of a third secondary sub-circuit inverter/rectifier.
  • 1 shows an electrical supply circuit 1 for an electrical energy storage unit 2.
  • This electrical energy storage unit 2 is for example a vehicle battery, which can have a nominal voltage of 48V, 60V, 300V, 400V, 800V or more. This battery is used to power an electric or hybrid vehicle propulsion system.
  • This electrical power supply circuit 1 includes:
  • the electrical power supply circuit 1 implements a contactless exchange of electrical energy by inductive coupling between the primary sub-circuit 3 and the secondary sub-circuit 6, for charging the electrical energy storage unit 2 .
  • primary sub-circuit 4 includes:
  • the electrical network 5 provides for example a nominal effective voltage of 230V with a frequency of 50 Hz or 60 Hz.
  • the electrical network 5 is here single-phase, so that the connector 9 is also single-phase.
  • Each arm Bl, B2 and B3 of the primary sub-circuit 4 here comprises two controllable electronic switches 12 connected in series, such as MOS, IGBT or bipolar transistors, or thyristors.
  • the first arm B1 thus comprises two controllable electronic switches 12 in series between which a first terminal of the network 5 is able to be connected, here via a smoothing coil.
  • the second arm B2 thus comprises two controllable electronic switches 12 in series between which a second terminal of the network 5 is capable of being connected, and between which a first terminal of the primary inductive cell 10 for contactless energy exchange is connected .
  • the third arm B3 thus comprises two controllable electronic switches 12 in series between which a second terminal of the primary inductive cell 10 for contactless energy exchange is connected.
  • the primary inductive cell 10 here comprises in series: a coil allowing the generation of magnetic energy, and a capacitor, thus forming a resonant cell.
  • the coil has for example an inductance between ImH and lOOmH and the capacitor has a capacitance between lOOpF and lOOmF.
  • a capacitor 15 is arranged in parallel with the three switching arms B1 to B3.
  • the latter has for example a capacity between IpF and ImF, for example lOpF.
  • This secondary sub-circuit 6 comprises a secondary inductive cell 20 for the exchange of energy without contact with the primary inductive cell 10, and
  • an inverter/rectifier 23 also called “third inverter/rectifier” hereinafter, capable of carrying out an adaptation of the equivalent impedance on its alternating input (therefore on the side of the secondary inductive cell 20), so as to vary this impedance independently of the impedance of the electrical energy storage unit 2.
  • the secondary inductive cell 20 here comprises in series: a coil making it possible to recover the magnetic energy from the primary inductive cell 10, and a capacitor 30, thus forming a resonant cell.
  • the coil has an inductance between ImH and lOOmH and the capacitor has a capacitance between lOOpF and lOOmF.
  • the inverter/rectifier 23 comprises in the example described two switching arms B4 and B 5, each arm comprising two controllable electronic switches 12 in series between which a terminal of the secondary inductive cell 20 for contactless energy exchange is connected.
  • the control of the inverter/rectifier 23 makes it possible, for example, to vary the equivalent impedance RR e f at the terminals of the alternating input, defined between the two midpoints of the arms, independently of the impedance at the output of this inverter/rectifier. rectifier 23.
  • the equivalent impedance RR e f is represented by the ratio V/I where V is the voltage across the alternating input, and I the intensity of the current on this alternating input.
  • RRef has for example a value between 5Q and 15'Q.
  • this configuration being determined in particular by at least one of: the position of the secondary sub-circuit 6 relative to the primary sub-circuit 4 and/or the power level to be transmitted and/or the voltage Vbatt at the terminals of the electrical energy storage unit 2, RR e f can have a fixed value and this value is for example in the aforementioned range.
  • the value of RRef can be modified, remaining in particular within the aforementioned range.
  • the inverter/rectifier 23 of Figure 1 is for example controlled as follows by the control unit 3, to carry out the impedance adaptation on the alternating input of the third inverter/rectifier 23:
  • the other of the two arms B5 or B4 switches at a frequency higher than that of the network 5, for example at least 5 times or 10 times the frequency of the network, and with a duty cycle modulated according to the alternating current measured at the output of the secondary inductive cell 20 and according to the voltage across the alternating input of this third inverter/rectifier 23.
  • the third inverter/rectifier 23 can be made differently.
  • the two switching arms B4 and B5 then each comprise two electronic switches in series:
  • Each connection to the secondary inductive cell 20 of a switching arm B4 or B5 is made via a coil 25 of the secondary inductive cell 20.
  • control unit 3 is configured to control the first and second arms B 1 and B2 so that the first arm B1 switches at a frequency greater than at least five times, in particular at least ten times, the frequency at which the second arm B2 switches, the second arm B2 switching at the network frequency 5.
  • the switching frequency at which the first arm B1 switches is for example the same as that at which arm B4 or B5 switches not switching to network frequency 5.
  • the second arm B2 switches here at network frequency 5, here
  • the two arms B1 and B2 form, for example, a “Totem POLE PFC rectifier” or “dual Boost PFC rectifier” assembly known in the electronic literature as an assembly.
  • control unit 3 is here configured to control the second and third arms B2 and B3 so that these two arms switch at the same frequency, which here is that of the network 5 , and that the third arm B3 is modulated out of phase with respect to the second arm B2.
  • This control of the second and third arms B2 and B3 allows the latter to form a second inverter/rectifier 22.

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Abstract

Circuit d'alimentation électrique (1) d'une unité de stockage d'énergie électrique (2), ce circuit d'alimentation électrique comprenant : - un sous-circuit primaire (4), apte à être connecté à un réseau de tension (5), - un sous-circuit secondaire (6), apte à être connecté à une unité de stockage d'énergie électrique (2), et - une unité de contrôle (3), le sous-circuit primaire (4) et le sous-circuit secondaire (6) étant configurés de manière à échanger sans contact par couplage inductif de l'énergie électrique à la fréquence de la tension alternative en entrée du sous-circuit primaire (4), le sous circuit-primaire (4) comprenant pour chaque phase de la tension alternative en son entrée: - un premier bras de commutation (B1), comprenant deux interrupteurs électroniques commandables (12) en série, entre lesquels une première borne de la phase du réseau est apte à être connectée, - un deuxième bras de commutation (B2), comprenant deux interrupteurs électroniques commandables (12) en série, entre lesquels une deuxième borne de la phase du réseau est apte à être connectée, et entre lesquels une première borne d'une cellule inductive primaire (10) pour l'échange d'énergie sans contact est connectée, et - un troisième bras de commutation (B3), comprenant deux interrupteurs électroniques commandables (12) en série, entre lesquels une deuxième borne de la cellule inductive primaire (10) pour l'échange d'énergie sans contact est connectée, les premier, deuxième, et troisième bras étant montés en parallèle.

Description

Description
Titre de 1’invention : Circuit d’alimentation électrique d’une unité de stockage d’énergie électrique de véhicule
La présente invention concerne un circuit d’alimentation électrique sans contact d’une unité de stockage d’énergie électrique de véhicule.
L’unité de stockage d 'énergie électrique présente par exemple une tension nominale de 12V, 48V, 60V ou plus, par exemple supérieure à 300V, par exemple de 400V, 800V ou 1000V
Il est connu d’alimenter électriquement par transmission sans contact par couplage inductif une unité de stockage d’énergie électrique de véhicule à une puissance comprise entre 3 et 50 kW, lorsque le véhicule est à l’arrêt ou lorsque celui-ci se déplace. Cette alimentation par transmission sans contact se fait alors au moyen de sous-circuits électriques distants couplés magnétiquement et accordés à la même fréquence de résonance. Les sous-circuits couplés magnétiquement mettent chacun en œuvre une cellule résonante de type LC. Cependant, pour transmettre un niveau de puissance satisfaisant, notamment plusieurs kW, il faut opérer à des fréquences élevées, notamment de l’ordre de 85 kHz ou plus, pour la fréquence de résonance de chaque sous-circuit résonant. En outre, ce type de solution nécessite d'opérer à faible distance entre les deux sous-circuits. Les niveaux de fréquence et de puissance mentionnés plus haut, pour une mise en œuvre en kW, peuvent en outre constituer un danger pour la santé des personnes exposées à proximité, ou un danger pour l’environnement en général.
US 2020/287468 et CN 113 765 358 divulguent des transformateurs et ne précisent pas à quelle fréquence le transfert d’énergie électrique via le circuit magnétique du transformateur s’effectue.
Il existe un besoin pour réaliser une alimentation électrique d’une unité de stockage d’énergie électrique par transmission sans contact qui remédie aux inconvénients précités.
L’invention a pour objet de répondre à ce besoin et elle y parvient, selon l’un de ses aspects, à l’aide d’un circuit d’alimentation électrique d'une unité de stockage d'énergie électrique, ce circuit d’alimentation électrique comprenant :
- un sous-circuit primaire, apte à être connecté à un réseau de tension,
- un sous-circuit secondaire, apte à être connecté à une unité de stockage d’énergie électrique, et
- une unité de contrôle, le sous-circuit primaire et le sous-circuit secondaire étant configurés de manière à échanger sans contact par couplage inductif de l’énergie électrique à la fréquence de la tension alternative en entrée du sous-circuit primaire, le sous circuit-primaire comprenant pour chaque phase de la tension alternative en son entrée:
- un premier bras de commutation, comprenant deux interrupteurs électroniques comman- dables en série, entre lesquels une première borne de la phase du réseau est apte à être connectée,
- un deuxième bras de commutation, comprenant deux interrupteurs électroniques comman- dables en série, entre lesquels une deuxième borne de la phase du réseau est apte à être connectée, et entre lesquels une première borne d'une cellule inductive primaire pour l'échange d'énergie sans contact est connectée, et
- un troisième bras de commutation, comprenant deux interrupteurs électroniques comman- dables en série, entre lesquels une deuxième borne de la cellule inductive primaire pour l'échange d'énergie sans contact est connectée, les premier, deuxième, et troisième bras étant montés en parallèle, et l'unité de contrôle étant configurée pour commander ces premier, deuxième et troisième bras de commutation de manière à ce que :
- les premier et deuxième bras forment un premier onduleur/redresseur, et
- les deuxième et troisième bras forment un deuxième onduleur/redresseur.
La réalisation d’un échange d’énergie électrique sans contact par couplage inductif à la fréquence de la tension alternative en entrée du sous-circuit primaire permet de remédier aux inconvénients précités en rapport avec les niveaux de fréquence élevés selon l’art antérieur.
La réalisation de deux onduleur/redresseur ayant un bras de commutation commun permet par ailleurs de réduire l’encombrement et les coûts associés au sous-circuit primaire.
Le réseau électrique fournit par exemple une tension efficace nominale de 230V avec une fréquence de 50 Hz ou 60 Hz. Le réseau électrique est par exemple monophasé.
Le réseau électrique est par exemple un réseau électrique régional ou national. En variante, il peut s’agir d’un réseau local indépendant, comprenant par exemple une ou plusieurs batteries alimentées par des sources d’énergie telles que éoliennes, des panneaux solaires, des piles à combustible ou des générateurs d’hydroélectricité.
L’unité de contrôle est par exemple configurée pour commander les premier et deuxième bras de manière à ce que le premier bras commute à une fréquence supérieure à au moins cinq fois, notamment à au moins dix fois, la fréquence à laquelle commute le deuxième bras, le deuxième bras commutant à la fréquence de la tension alternative en entrée du sous- circuit primaire. Au sens de la présente invention, lorsqu’un bras commute, chacun de ses deux interrupteurs électroniques commandables est ouvert et fermé de façon complémentaire avec la même fréquence de commutation.
Comme déjà mentionné, le deuxième bras peut commuter à une fréquence inférieure ou égale à 60Hz, notamment inférieure ou égale à 50Hz. Le premier bras peut alors commuter à une fréquence supérieure à 250 Hz, notamment supérieure à 500 Hz. Cette fréquence de commutation du premier bras est par exemple inférieure à 1 MHz, notamment à 500 kHz.
L’unité de contrôle peut être configurée pour commander les deuxième et troisième bras de manière à ce que ces deux bras commutent à la même fréquence, et à ce que le troisième bras soit modulé en déphasage par rapport au deuxième bras, ces deux bras commutant à la fréquence de la tension alternative en entrée du sous-circuit primaire. Comme déjà mentionné, le deuxième et le troisième bras peuvent commuter à une fréquence inférieure ou égale à 60Hz, notamment inférieure ou égale à 50Hz. Ce déphasage modulé permet par exemple de réguler la puissance transmise au sous-circuit secondaire.
L’unité de contrôle peut être configurée pour commander les premier et deuxième bras de manière à ce que ces deux bras réalisent en outre une fonction de correction de facteur de puissance (« Power factor correction » en anglais). Une telle correction permet de façon connue que le courant prélevé sur le réseau soit le plus proche d’un sinus parfait à la pulsation du réseau. On réduit ainsi le courant réactif et les sous-harmoniques qui augmentent les pertes énergétiques en conduction.
Le sous-circuit primaire comprend une cellule inductive primaire interagissant avec une cellule inductive secondaire du sous-circuit secondaire pour l’échange d’énergie électrique sans contact par couplage inductif. La cellule inductive primaire peut comprendre en série : une bobine permettant la génération d’énergie magnétique, et un condensateur, formant ainsi une cellule résonante, et la cellule inductive secondaire peut comprendre en série : une bobine permettant de récupérer l’énergie magnétique issue de la cellule inductive primaire, et un condensateur, formant ainsi une cellule résonante. Le cas échéant, ces bobines et ces condensateurs sont choisis de manière à ce que la cellule inductive primaire et la cellule inductive secondaire aient la même fréquence de résonance.
Le sous-circuit secondaire peut comprendre:
- la cellule inductive secondaire pour l'échange d'énergie sans contact, et
- un troisième onduleur/redresseur apte à réaliser une adaptation d’impédance de l’impédance sur l’entrée alternative de ce troisième onduleur/redresseur, indépendamment de l’impédance de l’unité de stockage d’énergie électrique. L’impédance sur l’entrée alternative du troisième onduleur/redresseur est représentée par le ratio V/I où V est la tension aux bornes de la cellule inductive secondaire et I l’intensité du courant qui la traverse. L’adaptation d’impédance permet ainsi d’imposer sur l’entrée alternative du troisième onduleur/redresseur une impédance indépendante de celle de l’unité de stockage d’énergie électrique, ce qui favorise l’échange sans contact par couplage inductif d’énergie électrique à basse fréquence.
Dans un exemple, le troisième onduleur/redresseur comprend deux bras de commutation montés en parallèle, chacun de ces bras de commutation comprend deux interrupteurs électroniques commandables montés en série, l’unité de contrôle étant configurée pour commander ces deux bras de manière à ce que :
- l’un de ces deux bras commute à la fréquence de la tension alternative en entrée du sous- circuit primaire et avec un rapport cyclique de 50%, et
- l’autre de ces deux bras commute à une fréquence supérieure à celle de ladite tension alternative, par exemple à une fréquence supérieure à au moins cinq fois, notamment à au moins dix fois, la fréquence de ladite tension alternative et avec un rapport cyclique modulé selon le courant alternatif circulant dans la deuxième cellule inductive et la tension sur l’entrée alternative du troisième onduleur/redresseur. Cette fréquence supérieure à celle de la tension alternative à laquelle commute ce bras du troisième onduleur/redresseur est par exemple la même que celle à laquelle commute le premier bras.
En variante encore, le troisième onduleur/redresseur comprend deux bras de commutation montés en parallèle, chacun de ces bras de commutation comprend deux interrupteurs montés en série, seul un interrupteur étant commandable parmi les deux interrupteurs d’un bras, et l’unité de contrôle étant configurée pour commander ces deux bras de manière à réaliser l’adaptation d’impédance sur l’entrée alternative de ce troisième onduleur/redresseur.
Dans tout ce qui précède, l’unité de contrôle peut être configurée pour commander les différents bras de commutation de manière à réaliser sélectivement :
- une charge de l’unité de stockage d’énergie électrique depuis le réseau de tension, ou
- une charge du réseau de tension depuis l’unité de stockage d’énergie électrique.
Ainsi, en fonction du besoin, l’échange d’énergie électrique peut s’effectuer dans un sens ou dans l’autre.
Dans tout ce qui précède, l’unité de stockage d’énergie électrique peut être une batterie de type lithium-ion. Cette batterie a par exemple une tension nominale de 12V, 48V, 60V ou plus, par exemple supérieure à 300V, par exemple de 400V, 800V ou 1000V. Dans tout ce qui précède, chaque interrupteur électronique commandable est par exemple un transistor, par exemple bipolaire, MOS ou IGBT, ou un thyristor. Chaque interrupteur électronique commandable est par exemple bidirectionnel.
Dans tout ce qui précède, l’unité de contrôle peut être un circuit de traitement numérique, par exemple un circuit intégré de type ASIC (« Application-specific integrated circuit » en anglais) ou un microcontrôleur.
L’unité de contrôle peut en variante comprendre un module de commande du sous- circuit primaire et un module de commande du sous-circuit secondaire.
Dans tout ce qui précède, la première et/ou la deuxième inductance peut être réalisée en fil métallique, comme du cuivre. Un tel fil métallique est plein, par opposition à du fil de Litz. Un fil métallique plein n’a pas sa section transversale évidée. En variante, l’une au moins de ces inductances, voire chacune de ces inductances, est en fil de Litz.
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un composant pour l’alimentation électrique d’une unité de stockage d’énergie électrique, comprenant le circuit électrique tel que défini ci-dessus, le composant définissant notamment une structure supportant de manière rigidement couplés entre eux le sous-circuit primaire et le sous- circuit secondaire. Un tel composant est couramment appelé « chargeur embarqué » (« on board charger » en anglais). Ce composant est apte à être embarqué dans un véhicule hybride ou électrique.
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un dispositif pour l’alimentation électrique d’une unité de stockage d’énergie électrique, comprenant:
- une borne de charge pour véhicule hybride ou électrique, dans laquelle est disposé le sous- circuit primaire du circuit électrique tel que défini ci-dessus, et
- un composant apte à être embarqué dans un véhicule hybride ou électrique, dans lequel est disposé le sous-circuit secondaire du circuit électrique tel que défini ci-dessus.
Cette borne reçoit alors de l’énergie électrique d’un réseau électrique via un câble qui peut être un câble monophasé ou un câble triphasé. Dans ce cas, le circuit primaire et le circuit secondaire ne sont pas intégrés à un même composant physique.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d’un exemple non-limitatif de mise en œuvre de celle-ci et à l’examen du dessin annexé sur lequel :
[Fig.l] représente de façon schématique un circuit d’alimentation électrique selon un exemple de mise en œuvre de l’invention, et
[Fig.2] représente de façon schématique une variante de troisième onduleur/redresseur de sous-circuit secondaire. On a représenté sur la figure 1, un circuit 1 d’alimentation électrique d'une unité de stockage d'énergie électrique 2. Cette unité de stockage d’énergie électrique 2 est par exemple une batterie de véhicule, pouvant présenter une tension nominale de 48V, 60V, 300V, 400V, 800V ou plus. Cette batterie sert à alimenter un système de propulsion de véhicule électrique ou hybride.
Ce circuit d’alimentation électrique 1 comprend :
- une unité de contrôle 3,
- un sous-circuit primaire 4, apte à être connecté à un réseau de tension 5, et
- un sous-circuit secondaire 6, comprenant l’unité de stockage d’énergie électrique 2.
Le circuit d’alimentation électrique 1 met en œuvre un échange d’énergie électrique sans contact par couplage inductif entre le sous-circuit primaire 3 et le sous-circuit secondaire 6, pour la charge de l’unité de stockage d’énergie électrique 2.
Dans l’exemple considéré, le sous-circuit primaire 4 comprend :
- un connecteur 9 apte à être branché au réseau électrique,
- trois bras de commutation Bl, B2 et B3, montés en parallèle et dont le fonctionnement sera décrit ci-après, et
- une cellule inductive primaire 10 dont le fonctionnement sera décrit ci-après.
Le réseau électrique 5 fournit par exemple une tension efficace nominale de 230V avec une fréquence de 50 Hz ou 60 Hz. Le réseau électrique 5 est ici monophasé, de sorte que le connecteur 9 est aussi monophasé.
Chaque bras Bl, B2 et B3 du sous-circuit primaire 4 comprend ici deux interrupteurs électroniques commandables 12 montés en série, tels que des transistors MOS, IGBT ou bipolaires, ou des thyristors.
Le premier bras B1 comprend ainsi deux interrupteurs électroniques commandables 12 en série entre lesquels une première borne du réseau 5 est apte à être connectée, ici via une bobine de lissage.
Le deuxième bras B2 comprend ainsi deux interrupteurs électroniques commandables 12 en série entre lesquels une deuxième borne du réseau 5 est apte à être connectée, et entre lesquels une première borne de la cellule inductive primaire 10 pour l'échange d'énergie sans contact est connectée.
Le troisième bras B3 comprend ainsi deux interrupteurs électroniques commandables 12 en série entre lesquels une deuxième borne de la cellule inductive primaire 10 pour l'échange d'énergie sans contact est connectée.
La cellule inductive primaire 10 comprend ici en série : une bobine permettant la génération d’énergie magnétique, et un condensateur, formant ainsi une cellule résonante. La bobine a par exemple une inductance comprise entre ImH à lOOmH et le condensateur a une capacité comprise entre lOOpF et lOOmF.
On constate qu’un condensateur 15 est disposé en parallèle des trois bras de commutation B1 à B3. Ce dernier présente par exemple une capacité comprise entre IpF et ImF, par exemple de lOpF.
On va maintenant décrire un premier exemple de sous-circuit secondaire 6 en référence à la figure 1. Ce sous-circuit secondaire 6 comprend une cellule inductive secondaire 20 pour l'échange d'énergie sans contact avec la cellule inductive primaire 10, et
- un onduleur/redresseur 23, encore appelé « troisième onduleur/redresseur » par la suite, apte à réaliser une adaptation de l’impédance équivalente sur son entrée alternative (donc du côté de la cellule inductive secondaire 20), de manière à faire varier cette impédance indépendamment de l’impédance de l’unité de stockage d’énergie électrique 2.
Comme on peut le voir sur la figure 2, la cellule inductive secondaire 20 comprend ici en série : une bobine permettant de récupérer l’énergie magnétique issue de la cellule inductive primaire 10, et un condensateur 30, formant ainsi une cellule résonante. Dans l’exemple considéré, la bobine a une inductance comprise entre ImH et lOOmH et le condensateur a une capacité comprise entre lOOpF et lOOmF.
L’onduleur/redresseur 23 comprend dans l’exemple décrit deux bras de commutation B4 et B 5, chaque bras comprenant deux interrupteurs électroniques commandables 12 en série entre lesquels une borne de la cellule inductive secondaire 20 pour l'échange d'énergie sans contact est connectée.
La commande de l’onduleur/redresseur 23 permet par exemple de faire varier l’impédance équivalente RRef aux bornes de l’entrée alternative, définie entre les deux points milieux des bras, indépendamment de l’impédance en sortie de cet onduleur/redresseur 23.
L’impédance équivalente RRef est représentée par le ratio V/I où V est la tension aux bornes de l’entrée alternative, et I l’intensité du courant sur cette entrée alternative.
RRef a par exemple une valeur comprise entre 5Q et 15'Q. Pour une configuration de recharge donnée, cette configuration étant notamment déterminée par l’un au moins parmi : la position du sous-circuit secondaire 6 par rapport au sous-circuit primaire 4 et/ou le niveau de puissance à transmettre et/ou la tension Vbatt aux bornes de l’unité de stockage d’énergie électrique 2, RRef peut avoir une valeur fixe et cette valeur est par exemple dans la plage précitée. D’une configuration de recharge à l’autre, par exemple en cas d’éloignement plus important entre le sous-circuit primaire 4 et le sous-circuit secondaire 6 et/ou pour tenir compte du vieillissement du système, la valeur de RRef peut être modifiée, restant notamment dans la plage précitée. L’onduleur/redresseur 23 de la figure 1 est par exemple commandé comme suit par l’unité de contrôle 3, pour réaliser l’adaptation d’impédance sur l’entrée alternative du troisième onduleur/redresseur 23:
-l’un des deux bras B4 ou B5 commute à la fréquence du réseau 5 et avec un rapport cyclique de 50%, et
- l’autre des deux bras B5 ou B4 commute à une fréquence supérieure à celle du réseau 5, par exemple au moins 5 fois ou 10 fois la fréquence du réseau, et avec un rapport cyclique modulé selon le courant alternatif mesuré en sortie de la cellule inductive secondaire 20 et selon la tension aux bornes de l’entrée alternative de ce troisième onduleur/redresseur 23. L’un des interrupteurs commandables du bras B4 ou B5 qui commute à une fréquence supérieure à celle de la puissance transmise depuis le sous-circuit primaire 4 est par exemple piloté selon un rapport cyclique a tandis que l’autre interrupteur commandable de ce bras B4 ou B5 est piloté selon un rapport cyclique 1- a, et a est par exemple déterminé selon l’équation ci-dessous oc=R_(Ref X |I| )/V_batt
En variante, comme représenté sur la figure 2, le troisième onduleur/redresseur 23 peut être réalisé autrement. Les deux bras de commutation B4 et B5 comprennent alors chacun deux interrupteurs électroniques en série :
- un interrupteur électronique commandable 12 entre la connexion à la cellule inductive secondaire 20 et la borne négative de l’unité de stockage d’énergie électrique 2, et
-une diode 13 entre la connexion à la cellule inductive secondaire 20 et la borne positive de l’unité de stockage d’énergie électrique 2.
Chaque connexion à la cellule inductive secondaire 20 d’un bras de commutation B4 ou B5 se fait par l’intermédiaire d’une bobine 25 de la cellule inductive secondaire 20.
On va maintenant décrire la façon dont les bras B1 à B3 du sous-circuit primaire 4 sont commandés.
Dans l’exemple considéré, l’unité de contrôle 3 est configurée pour commander les premier et deuxième bras B 1 et B2 de manière à ce que le premier bras B1 commute à une fréquence supérieure à au moins cinq fois, notamment à au moins dix fois, la fréquence à laquelle commute le deuxième bras B2, le deuxième bras B2 commutant à la fréquence du réseau 5. La fréquence de commutation à laquelle commute le premier bras B1 est par exemple la même que celle à laquelle commute le bras B4 ou B5 ne commutant pas à la fréquence du réseau 5.
Comme déjà mentionné, le deuxième bras B2 commute ici à la fréquence du réseau 5, ici
50Hz ou 60Hz. Cette commande des premier et deuxième bras B1 et B2 permet que ces derniers forment un premier onduleur/redresseur 21. Le cas échéant, cette commande des bras B1 et B2 peut aussi permettre que ces deux bras B1 et B2 réalisent en outre une fonction de correction de facteur de puissance (« Power factor correction » en anglais). Les deux bras B1 et B2 forment par exemple un montage « Totem POLE PFC rectifier» ou « dual Boost PFC rectifier » connu dans la littérature électronique comme montage.
En complément de ce qui vient d’être dit, l’unité de contrôle 3 est ici configurée commander les deuxième et troisième bras B2 et B3 de manière à ce que ces deux bras commutent à la même fréquence, qui est ici celle du réseau 5, et à ce que le troisième bras B3 soit modulé en déphasage par rapport au deuxième bras B2. Cette commande des deuxième et troisième bras B2 et B3 permet que ces derniers forment un deuxième onduleur/redresseur 22.
L’invention n’est pas limitée à l’exemple qui vient d’être décrit.

Claims

Revendications Circuit d’alimentation électrique (1) d'une unité de stockage d'énergie électrique (2), ce circuit d’alimentation électrique comprenant :
- un sous-circuit primaire (4), apte à être connecté à un réseau de tension (5),
- un sous-circuit secondaire (6), apte à être connecté à une unité de stockage d’énergie électrique (2), et
- une unité de contrôle (3), le sous-circuit primaire (4) et le sous-circuit secondaire (6) étant configurés de manière à échanger sans contact par couplage inductif de l’énergie électrique à la fréquence de la tension alternative en entrée du sous-circuit primaire (4), le sous circuit-primaire (4) comprenant pour chaque phase de la tension alternative en son entrée:
- un premier bras de commutation (Bl), comprenant deux interrupteurs électroniques commandables (12) en série, entre lesquels une première borne de la phase du réseau est apte à être connectée,
- un deuxième bras de commutation (B2), comprenant deux interrupteurs électroniques commandables (12) en série, entre lesquels une deuxième borne de la phase du réseau est apte à être connectée, et entre lesquels une première borne d'une cellule inductive primaire (10) pour l'échange d'énergie sans contact est connectée, et
- un troisième bras de commutation (B3), comprenant deux interrupteurs électroniques commandables (12) en série, entre lesquels une deuxième borne de la cellule inductive primaire (10) pour l'échange d'énergie sans contact est connectée, les premier, deuxième, et troisième bras étant montés en parallèle, et l'unité de contrôle (3) étant configurée pour commander ces premier, deuxième et troisième bras de commutation de manière à ce que : les premier (Bl) et deuxième (B2) bras forment un premier onduleur/redresseur (21), et les deuxième et troisième bras forment un deuxième onduleur/redresseur (22). Circuit selon la revendication 1, l’unité de contrôle (3) étant configurée pour commander les premier (Bl) et deuxième (B2) bras de manière à ce que le premier bras (Bl) commute à une fréquence supérieure à au moins cinq fois, notamment à au moins dix fois, la fréquence à laquelle commute le deuxième bras (B2), le deuxième bras commutant à la fréquence de la tension alternative en entrée du sous-circuit primaire (4). Circuit selon la revendication 2, le deuxième bras (B2) commutant à une fréquence inférieure ou égale à 60Hz, notamment inférieure ou égale à 50Hz. Circuit selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’unité de contrôle (3) étant configurée commander les deuxième (B2) et troisième (B3) bras de manière à ce que ces deux bras (B2, B3) commutent à la même fréquence, et à ce que le troisième bras soit modulé en déphasage par rapport au deuxième bras, ces deux bras (B2, B3) commutant à la fréquence de la tension alternative en entrée du sous-circuit primaire (4). Circuit selon la revendication 4, le deuxième (B2) et le troisième (B3) bras commutant à une fréquence inférieure ou égale à 60Hz, notamment inférieure ou égale à 50Hz. Circuit selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’unité de contrôle (3) étant configurée pour commander les premier (Bl) et deuxième (B2) bras de manière à ce que ces deux bras réalisent en outre une fonction de correction de facteur de puissance. Circuit selon l’une quelconque des revendications précédentes, le sous-circuit secondaire (6) comprenant :
- une cellule inductive secondaire (20) pour l'échange d'énergie sans contact, et
- un troisième onduleur/redresseur (23) apte à réaliser une adaptation d’impédance de l’impédance sur l’entrée alternative de ce troisième onduleur/redresseur (23), indépendamment de l’impédance de l’unité de stockage d’énergie électrique (2). Circuit selon la revendication 7, le troisième onduleur/redresseur (23) comprenant deux bras de commutation (B4, B5) montés en parallèle, l’unité de contrôle (3) étant configurée pour commander ces deux bras (B4, B5) de manière à ce que :
- l’un de ces deux bras commute à la fréquence de la tension alternative en entrée du sous-circuit primaire (4) et avec un rapport cyclique de 50%, et
- l’autre de ces deux bras commute à une fréquence supérieure à celle de ladite tension alternative et avec un rapport cyclique modulé selon le courant alternatif circulant dans la cellule inductive secondaire (20) et la tension sur l’entrée alternative du troisième onduleur/redresseur (23). Circuit selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’unité de contrôle (3) étant configurée pour commander les différents bras de commutation (Bl, B2, B3, B4, B5) de manière à réaliser sélectivement :
- une charge de l’unité de stockage d’énergie électrique (2) depuis le réseau de tension (5), ou
- une charge du réseau de tension (5) depuis l’unité de stockage d’énergie électrique (2). Composant pour l’alimentation électrique d’une unité de stockage d’énergie électrique (2), comprenant le circuit électrique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, le composant définissant notamment une structure supportant de manière rigidement couplés entre eux le sous-circuit primaire (4) et le sous-circuit secondaire (6). Dispositif pour l’alimentation électrique d’une unité de stockage d’énergie électrique (2), comprenant - une borne de charge pour véhicule hybride ou électrique, dans laquelle est disposé le sous-circuit primaire (4) du circuit électrique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, et
- un composant apte à être embarqué dans un véhicule hybride ou électrique, dans lequel est disposé le sous-circuit secondaire (6) du circuit électrique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.
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