FR2937803A3

FR2937803A3 - Dispositif pour la mise en forme d'un courant de charge d'une source de tension continue rechargeable d'un vehicule automobile electrique ou hybride

Info

Publication number: FR2937803A3
Application number: FR0857189A
Authority: FR
Inventors: Serge Loudot
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2008-10-23
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2010-04-30

Abstract

L'invention concerne un dispositif pour la charge d'une source de tension continue (10) d'un véhicule automobile électrique ou hybride, le véhicule comprenant : - ladite source de tension continue (10), - un onduleur (20), - un ensemble rotor/stator (30), configuré pour transformer l'énergie délivrée par la source de tension (10) en énergie mécanique, le dispositif comprenant : - des moyens de raccordement (50) à un réseau d'électricité délivrant une tension alternative (40), et caractérisé en ce que le dispositif comprend : - un circuit redresseur (60, 61, 62), relié au dit réseau (40), et au point neutre (N) de l'ensemble rotor/stator (30), - des moyens de filtrage (70), pour filtrer la sortie du circuit redresseur (60, 61, 62), et reliés au point neutre (N), - un circuit hacheur élévateur (80) piloté, connecté à la source de tension (10) et aux dits moyens de filtrage (70) .

Description

DISPOSITIF POUR LA MISE EN FORME D'UN COURANT DE CHARGE D'UNE SOURCE DE TENSION CONTINUE RECHARGEABLE D'UN VEHICULE AUTOMOBILE ELECTRIQUE OU HYBRIDE.

La présente invention concerne le domaine des véhicules automobiles électriques ou hybrides. Plus précisément, l'invention concerne un dispositif pour la mise en forme d'un courant de charge d'une source de tension continue rechargeable de véhicule automobile électrique ou hybride, le véhicule comprenant : - ladite source de tension continue, - un onduleur configuré pour piloter un ensemble rotor/stator, relié à la source de tension continue, - un ensemble rotor/stator, relié à l'onduleur, et configuré pour transformer l'énergie électrique délivrée par la source de tension continue via l'onduleur en une énergie mécanique fournie au véhicule, le dispositif comprenant des moyens de raccordement à un réseau d'électricité délivrant une tension alternative et dans lequel l'onduleur est configuré pour piloter l'ensemble rotor/stator. Un tel dispositif est connu de l'homme du métier, mais nécessite le plus souvent un bloc chargeur dédié, 25 c'est-à-dire des solutions chères et complexes. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant une solution simple à mettre en oeuvre et relativement peu onéreuse. Avec cet objectif en vue, le dispositif selon 30 l'invention, par ailleurs conforme au préambule cité ci-avant, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend : - un circuit redresseur, en l'espèce à diodes, relié éventuellement directement d'une part au dit réseau d'électricité délivrant une tension alternative, et relié d'autre part au point neutre de l'ensemble rotor/stator, - des moyens de filtrage, en l'espèce un condensateur, pour filtrer la tension en sortie du circuit redresseur, et reliés au point neutre de l'ensemble rotor/stator, - un circuit hacheur élévateur piloté, connecté 10 d'une part à la source de tension continue rechargeable et d'autre part aux dits moyens de filtrage. De préférence, le circuit hacheur élévateur comprend respectivement par phase du moteur, un bras de l'onduleur et une inductance de l'ensemble rotor/stator. 15 Dans un mode de réalisation, le circuit redresseur comprend, voire est constitué de, un pont à diodes. Dans un autre mode de réalisation, le circuit redresseur comprend, voire est constitué de, un pont à diodes monté en amont d'un circuit élévateur de tension 20 dont la tension est filtrée par lesdits moyens de filtrage, et d'un circuit abaisseur de tension monté en aval des dits moyens de filtrage et alimentant le point neutre de l'ensemble rotor/stator. Dans un autre mode de réalisation, le circuit 25 redresseur comprend, voire est constitué de, un pont à diodes monté en pont complet, dont la tension est filtrée par lesdits moyens de filtrage, et d'un circuit abaisseur de tension monté en aval desdits moyens de filtrage et alimentant le point neutre de l'ensemble rotor/stator. 30 Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre des moyens de mesure de tension, par exemple un capteur, en sortie du circuit redresseur.

De préférence, le circuit hacheur élévateur est piloté par un signal de pilotage dont le rapport cyclique prédéfini commande un transistor d'un bras de l'onduleur. Avantageusement, chaque bras de l'onduleur est piloté par la même valeur de rapport cyclique, et déphasé par rapport à chaque autre bras. Dans un mode de réalisation, le circuit redresseur est embarqué. Alternativement, le circuit redresseur est débarqué. L'invention concerne également un véhicule automobile comprenant le dispositif selon l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 illustre un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, - la figure 2 illustre un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention, - la figure 3 illustre un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention, - la figure 4 illustre un mode de réalisation pour 25 établir un rapport cyclique de commande, - la figure 5 illustre une évolution du courant circulant dans une phase de l'ensemble rotor/stator, - la figure 6 illustre une évolution du courant circulant au point neutre de l'ensemble rotor/stator, 30 - la figure 7 illustre de façon synchrone, l'évolution du courant circulant au point neutre de l'ensemble rotor/stator et l'évolution du courant dans chaque bras, en fonction de l'évolution du courant de commande, et la figure 8 illustre l'évolution du courant absorbé du réseau et fourni à la source de tension 5 continue. Dans un véhicule automobile électrique ou hybride, le moteur électrique est configuré pour délivrer une force de traction. Les composants électriques et électroniques sont dimensionnés à cet effet, de sorte à 10 pouvoir délivrer un courant de traction de l'ordre de 100-200 A dans les phases, pour un véhicule nécessitant une puissance de l'ordre de 30 à 70 kW. Un moteur électrique comprend une source de tension continue 10, ou batterie, rechargeable. 15 La batterie est connectée à un onduleur 20, configuré pour piloter un ensemble rotor/stator 30, lui-même configuré pour transformer l'énergie électrique, ou courant de traction, délivrée par la source de tension continue 10 en une énergie mécanique fournie au véhicule. 20 La batterie 10 a une tension d'utilisation qui varie environ du simple au double, en fonction de son âge, de son état de charge, de la température, etc., en l'espèce la tension d'utilisation varie de 200V à 400V à l'heure actuelle pour une batterie de type Li/ion. 25 Comme vu précédemment, pour la (re)charge de la batterie 10, il est classique d'utiliser un bloc chargeur dédié, qui pilote la charge de la batterie selon un profil particulier. Un bloc chargeur classique comprend un système de 30 redressement avec contrôle du courant et de sa phase, un ensemble de condensateurs tampons d'énergie, un onduleur à transistors recréant une tension alternative sur un transformateur avant un étage de redressement et filtrage. L'avantage d'un bloc chargeur est de rendre un véhicule indépendant du type de réseau d'électricité délivrant une tension alternative (110V ou 220V typiquement), et grâce au transformateur, d'isoler le réseau de charge de la batterie du réseau d'électricité délivrant la tension alternative. Toutefois, un bloc chargeur est un élément embarqué distinct complexe, cher, volumineux, qui nécessite des moyens de refroidissement, et dédié à la fonction de charge, c'est-à-dire inutile hors opération de charge. Pour pallier ces inconvénients, le dispositif selon l'invention est un dispositif de contrôle du courant de charge de la batterie, ou générateur de courant piloté, qui vise à utiliser pour assurer la charge de la batterie 10 une partie au moins des composants préexistants pour assurer la fonction de traction électrique, de sorte à créer un partage de fonctions pour ces composants.

Pour une charge de la batterie 10, le courant de charge absorbé à partir du réseau d'électricité 40 délivrant une tension alternative doit être sinusoïdal et le plus en phase possible avec la tension du dit réseau. Or pour piloter le courant de charge, il faut que la tension crête du réseau soit inférieure à la tension d'utilisation de la batterie. A cet effet, le dispositif comprend des moyens de raccordement 50 à un réseau d'électricité 40 délivrant une tension alternative, par exemple sous forme de prise électrique. Pour adapter la tension délivrée par le réseau 40, le dispositif selon l'invention comprend un circuit redresseur, en l'espèce à diodes, directement relié d'une part au dit réseau d'électricité 40 délivrant une tension alternative, et relié d'autre part au point neutre N de l'ensemble rotor/stator 30.

Le dispositif comprend également des moyens de filtrage 70, en l'espèce un condensateur, configurés pour filtrer la tension en sortie du circuit redresseur, et reliés au point neutre N de l'ensemble rotor/stator 30. En l'espèce, le condensateur 70 et le circuit redresseur 60 sont montés en parallèle entre le point neutre N et la borne négative de la batterie 10. Enfin, selon l'invention, le dispositif comprend un circuit hacheur élévateur 80 piloté, connecté d'une part à la source de tension continue rechargeable 10 et d'autre part aux dits moyens de filtrage 70. L'onduleur 20 comprend une pluralité de bras, en l'espèce trois bras, respectivement notés 21, 22, et 23 sur les figures 1 à 3. La figure 1 illustre un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, particulièrement adapté pour une tension de réseau de 110V (par exemple aux Etats-Unis ou au Japon), et une batterie 10 susmentionnée. En effet, avec une tension de réseau de 110V, la tension réellement délivrée peut être de 110 2 = 160-170 V. Cette valeur reste inférieure aux tensions d'utilisation de 200-400V, ce qui est parfaitement compatible avec les tensions d'utilisation des batteries Li/ion susmentionnées.

Dans ce mode de réalisation, le circuit redresseur 60 est constitué d'un pont à diodes et le dispositif comprend en outre des moyens de mesure de tension 90, en l'espèce un capteur, en sortie du circuit redresseur 60, configuré pour mesurer la tension entre le point neutre N et la borne négative de la batterie 10. En revanche, sur un réseau 220V (par exemple en Europe), la tension réseau peut monter jusqu'à 320V-330V, il faut donc abaisser celle-ci pour charger la batterie 10. Dans cet esprit, un mode de réalisation de l'invention est illustré figure 2 : un circuit redresseur 61 comprend un pont à diodes 60 monté en amont d'un élévateur de tension dont la tension est filtrée par des moyens de filtrage 70, en l'espèce une capacité, et en parallèle d'un abaisseur de tension alimentant le point neutre N de l'ensemble rotor/stator 30.

De même, un autre mode de réalisation de l'invention est illustré figure 3. Dans ce cas, le circuit redresseur 62 est en pont complet, dont la tension de sortie est filtrée par des moyens de filtrage 70, en l'espèce une capacité, et monté en parallèle d'un abaisseur de tension alimentant le point neutre N de l'ensemble rotor/stator 30. Le choix du mode de réalisation de l'invention à mettre en oeuvre, illustré par exemple aux figures 1, 2 ou 3, peut être effectué en fonction de la valeur de la tension délivrée par le réseau d'électricité délivrant une tension alternative (i.e. 100V ou 220V). De préférence, il est effectué en fonction du rapport entre la valeur de la tension délivrée par le réseau d'électricité délivrant une tension alternative (i.e. 100V ou 220V) et la valeur de la tension d'utilisation de la batterie.

Par exemple, le mode de réalisation illustré à la figure 1, particulièrement adapté pour un réseau d'électricité délivrant une tension alternative de 110V avec une tension d'utilisation de la batterie dont la plage varie entre 200V et 400V est également adapté pour un réseau d'électricité délivrant une tension alternative de 220V avec une tension d'utilisation de la batterie dont la plage varie entre 400V et 500 ou 600V. Lors de la charge de la batterie 10, l'ensemble rotor/stator 30 est à l'arrêt. Selon l'art antérieur, l'onduleur 20 et l'ensemble rotor/stator 30 du moteur sont alors passifs, inutiles à leur fonction principale qui est de fournir du couple pour mouvoir le véhicule. Selon l'invention au contraire, on utilise les bobinages du stator 30 comme filtres. En effet, les bobinages se comportent comme des inductances de filtrage. Ces inductances 31, 32, 33 possèdent un point neutre N auquel est relié le circuit redresseur 60, 61, 62 ; elles sont couplées mais néanmoins les trois courants en résultant sont similaires et en phase. La recharge de la batterie 10 est effectuée grâce à un circuit hacheur élévateur 80 piloté, connecté d'une part à ladite source de tension continue 10, et d'autre part aux dits moyens de filtrage 70, c'est-à-dire au dit circuit redresseur 60, 61, 62. Avantageusement, selon l'invention, le circuit hacheur élévateur 80 comprend pour chaque phase du moteur, un bras respectif de l'onduleur 20 et une inductance respective correspondante de l'ensemble rotor/stator 30, de sorte à créer par phase du moteur, des couples (21,31) ; (22,32 ; (23,33) transistors de l'onduleur/inductance de l'ensemble rotor/stator respectifs. Selon l'invention, pour la charge de la batterie, les trois bras 21, 22, 23 de l'onduleur 20 ont une commande (des transistors) semblable mais déphasée entre deux bras successifs. Le raisonnement peut donc être développé pour un seul bras et une inductance correspondante. La génération du signal de commande de l'ouverture/fermeture des transistors de l'onduleur est basée sur le principe du contrôle du facteur de puissance, ou PFC pour Power Factor Corrector . Par exemple, pour un bras 21 donné, lorsque le transistor du 21B bras est fermé, l'inductance 31 correspondante subit toute la tension en sortie du circuit redresseur 60, et le courant augmente donc. Une fois le transistor 21B ouvert, le courant passe par la diode 21A pour venir charger la batterie 10. Le transistor 21B est alors de nouveau fermé, etc.

De même pour les transistors 22B, 23B des bras respectivement 22 et 23 de l'onduleur 20. On peut donc piloter l'ouverture/fermeture du transistor par la gestion d'un signal de commande (voir figure 7) dont le rapport cyclique est paramétrable. En fonction de la valeur du rapport cyclique (temps de fermeture / période), on peut modifier l'amplitude du courant de charge. En l'espèce, le rapport cyclique est variable de façon à ce que le courant de charge suive l'onde de tension (en phase et en amplitude).

Le signal de commande appliqué aux transistors de l'onduleur 20 est purement spécifique à la phase de recharge de la batterie 10 pour pouvoir absorber correctement le courant du réseau d'électricité délivrant une tension alternative. Un mode de réalisation pour l'établissement d'un rapport cyclique est illustré figure 4.

Sur la figure 4 : • Rapport cyclique est en l'espèce le rapport cyclique de la Modulation de Largeur d'Impulsions appliqué au bras considéré, • V bras est la tension moyenne, sur une période de la Modulation de Largeur d'Impulsions, de la tension entre une phase de l'onduleur 20 et la borne négative de la batterie 10, • Tension neutre machine est la tension mesurée entre le neutre et la borne négative de la batterie 10, • V self est la tension moyenne (sur période de la Modulation de Largeur d'Impulsions) aux bornes d'une inductance 31, 32, 33 générée par le régulateur pour que l'asservissement du courant fonctionne, • Consigne de courant est générée soit proportionnellement à la mesure de la tension neutre de l'ensemble rotor/stator 30, ou par un autre moyen qui permet de fournir une consigne proportionnelle à la tension du réseau redressée, • Courant phase machine est le courant mesuré sur les phases du moteur en sortie de l'onduleur 20. Cette stratégie peut être appliquée soit à toutes les phases (trois phases en l'espèce) simultanément, ou chaque phase peut avoir un régulateur dédié. Ce choix relève essentiellement de la variabilité des inductances de chaque phase en fonction de la position du rotor (sachant que celui-ci peut être dans n'importe quelle position au moment de la recharge).

Toutefois, le fait de disposer de trois phases permet de filtrer naturellement le courant absorbé au réseau 40 en déphasant de 2n/3 les impulsions de la Modulation de Largeur d'Impulsions de chaque phase.

La figure 5 montre ainsi le courant qui circule dans une phase moteur, piloté par un seul bras. Le courant pulsé suit la forme d'onde de la tension redressée. La figure 6 montre quant à elle le courant dans le 10 fil de neutre du point neutre N qui représente la somme des trois courants des phases 31, 32, 33. La figure 7 (courbe A) est un agrandissement de l'une des crêtes de la figure 3, de manière synchrone avec le signal de commande de chaque bras de l'onduleur 15 (en l'espèce trois signaux carrés de même rapport cyclique courbe C) et les courants passant dans chacune des phases (onduleur et inductance correspondante, soit en l'espèce trois courants, courbe B). Et la figure 8 illustre le courant de charge 20 (courbe E) absorbé au réseau et le courant de réseau (courbe D). Le courant de charge est continu, par impulsions de fréquence double à celle du courant délivré par le réseau d'électricité délivrant une tension alternative.

25 On peut remarquer que les figures 5 à 8 ont été obtenues pour un moteur triphasé. Le courant passant au niveau du point neutre N (figure 6) est bien d'amplitude trois fois supérieure à celle passant dans une phase (figure 5).

30 De même le courant courbe A, figure 7, est bien la somme des trois courants courbe B, figure 7. En outre, la fréquence d'un courant courbe B, figure 7, est trois fois inférieure à celle du courant de phase du moteur courbe A, figure 7. Il existe donc, de par la commande en déphasage, un filtrage de l'onde de courant, ce qui permet d'améliorer les conditions de raccordement du circuit redresseur et de limiter le filtrage par les moyens de filtrage 70. En l'espèce, le condensateur 70 peut n'être que de l'ordre 1pF : le décalage des commandes créé un filtrage naturel qui limite le courant efficace dans le fil de neutre ainsi que dans la capacité de filtrage. On peut noter également aux figures 5, 6 et 8, la procédure dite soft start ou démarrage en douceur qui produit une montée pilotée du courant au démarrage : l'amplitude maximale croit progressivement (de façon paramétrable), de sorte à ne pas créer d'à-coup sur le réseau, grâce à la commande appliquée aux transistors de l'onduleur. Grâce au partage de fonctions, les composants utilisés pour la traction n'ont pas besoin d'être redimensionnés pour la charge car la valeur du courant de charge est sensiblement inférieure à celle du courant de traction (de l'ordre de dix fois inférieure). Le fil reliant le point neutre N et le circuit redresseur 60, 61, 62 peut donc être un fil de faible 25 section (quelques mm'), et pas nécessairement blindé.

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif pour la mise en forme d'un courant de charge d'une source de tension continue (10) rechargeable d'un véhicule automobile électrique ou hybride, le véhicule comprenant : - ladite source de tension continue (10), - un onduleur (20), relié à la source de tension 10 continue (10), - un ensemble rotor/stator (30), relié à l'onduleur (20), et configuré pour transformer l'énergie électrique délivrée par la source de tension continue (10) via l'onduleur (20) en une énergie mécanique fournie au 15 véhicule, le dispositif comprenant : - des moyens de raccordement (50) à un réseau d'électricité délivrant une tension alternative (40), et caractérisé en ce que le dispositif comprend : - un circuit redresseur (60, 61, 62), relié d'une 20 part au dit réseau d'électricité (40) délivrant une tension alternative, et relié d'autre part au point neutre (N) de l'ensemble rotor/stator (30), - des moyens de filtrage (70), pour filtrer la tension en sortie du circuit redresseur (60, 61, 62), et 25 reliés au point neutre (N) de l'ensemble rotor/stator (30), un circuit hacheur élévateur (80) piloté, connecté d'une part à la source de tension continue rechargeable (10) et d'autre part aux dits moyens de 30 filtrage (70).
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le circuit hacheur élévateur (80) comprend respectivementpar phase du moteur, un bras (21, 22, 23) de l'onduleur (20) et une inductance (31, 32, 33) de l'ensemble rotor/stator (30).
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre des moyens de mesure de tension (90), en sortie du circuit redresseur (60, 61, 62), et dans lequel ledit circuit redresseur comprend un pont à diodes.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit redresseur (60, 61) est monté en amont d'un élévateur de tension dont la tension est filtrée par lesdits moyens de filtrage (70), et d'un abaisseur de tension monté en aval desdits moyens de filtrage (70) et alimentant le point neutre (N) de l'ensemble rotor/stator (30).
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le circuit redresseur (62) comprend un pont à diodes monté en pont complet, dont la tension est filtrée par lesdits moyens de filtrage (70), et d'un abaisseur de tension monté en aval desdits moyens de filtrage (70) et alimentant le point neutre (N) de l'ensemble rotor/stator (30).
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit hacheur élévateur (80) est piloté par un signal de pilotage dont le rapport cyclique prédéfini commande un transistor (21B, 22B, 23B) d'un bras (21, 22, 23) de l'onduleur (20).
7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel chaque bras (21, 22, 23) de l'onduleur (20) est piloté par la même valeur de rapport cyclique, et déphasé par rapport à chaque autre bras.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit redresseur (60, 61, 62) est embarqué.
9. Dispositif selon l'une quelconque des 5 revendications 1 à 7, dans lequel le circuit redresseur (60, 61, 62) est débarqué.
10. Véhicule automobile comprenant le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.