FR2978308A1 - Chargeur de batterie embarque dans un vehicule automobile, a alimentation electrique continue - Google Patents
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Abstract
Chargeur de batterie embarqué dans un véhicule automobile, apte à être alimenté par un réseau d'alimentation électrique continu, comprenant un circuit réducteur de tension (4) connecté en entrée au réseau d'alimentation électrique (2) et en sortie à un circuit élévateur de tension (5), le circuit élévateur de tension (5) étant connecté à la batterie (3), des moyens de commande aptes à commander le courant circulant entre le circuit réducteur de tension (4) et le circuit élévateur de tension (5) de sorte qu'il soit supérieur au courant en entrée du circuit réducteur de tension (4) et supérieur au courant circulant dans la batterie (3).
Description
B11-1370FR 1 Chargeur de batterie embarqué dans un véhicule automobile, à alimentation électrique continue L'invention a pour domaine technique les chargeurs de batterie, et plus particulièrement les chargeurs de batterie pour véhicule automobile. Les chargeurs de batterie pour véhicule automobile sont traditionnellement encombrants et destinés à une utilisation en poste fixe pour recharger ponctuellement une batterie vieillissante. Toutefois, l'avènement progressif des véhicules électriques ou hybrides génère des besoins pour une recharge fréquente des batteries embarquées. De plus, la démocratisation de ces véhicules implique le développement d'une recharge nomade à partir d'une simple prise de courant domestique. Dés lors, les chargeurs de batterie doivent être embarqués dans le véhicule électrique ou hybride. Toutefois, afin de maximiser les points de recharge utilisables, il convient de pouvoir utiliser tous les réseaux d'alimentation électrique. En effet, il coexiste plusieurs réseaux de voltages différents, de fréquences différentes, monophasés, triphasés ou continus. Ainsi, s'il existe des chargeurs permettant l'alimentation par des réseaux monophasés ou triphasés, il demeure un besoin pour un chargeur apte à être alimenté par un réseau en courant continu. De même, il existe un besoin pour chargeur permettant de concilier des alimentations par un réseau d'alimentation électrique monophasé, triphasé ou continu. Selon un mode de réalisation, on propose un chargeur de batterie embarqué dans un véhicule automobile, apte à être alimenté par un réseau d'alimentation électrique continu. Le chargeur comprend un circuit réducteur de tension connecté en entrée au réseau d'alimentation électrique et en sortie à un circuit élévateur de tension, le circuit élévateur de tension étant connecté à la batterie, des moyens de commande aptes à commander le courant circulant entre le circuit réducteur de tension et le circuit élévateur de tension de sorte qu'il soit supérieur au courant en entrée du circuit réducteur de tension et supérieur au courant circulant dans la batterie.
Un avantage d'un tel chargeur est de disposer d'un meilleur rendement tout en limitant le nombre d'éléments inclus dans le transfert de puissance limitant ainsi les sources de pertes électriques. Un autre avantage de ce mode de réalisation est une augmentation de la durée de vie du chargeur due à une sollicitation moindre de ses composants Le chargeur peut être apte à être également alimenté par un réseau d'alimentation électrique délivrant une tension alternative monophasée. Le chargeur peut être apte à être également alimenté par un réseau d'alimentation électrique délivrant une tension alternative triphasée. Le chargeur peut être apte à être également alimenté par un réseau d'alimentation électrique délivrant un courant continu. Le chargeur peut être apte à être également alimenté par un réseau d'alimentation électrique délivrant une tension continue. Le chargeur peut comprendre un filtre interposé entre le réseau d'alimentation électrique et le circuit réducteur de tension. Les moyens de commande peuvent être aptes à délivrer un signal à modulation de largeur d'impulsion à destination du circuit réducteur de tension en fonction du courant en entrée du circuit réducteur de tension et du courant circulant entre le circuit réducteur de tension et le circuit élévateur de tension. Le chargeur peut comprendre une cartographie, du courant en entrée du circuit réducteur de tension en fonction de la puissance requise pour charger la batterie. Le chargeur peut comprendre un diviseur apte à déterminer le courant en entrée du circuit réducteur de tension en fonction de la puissance requise pour charger la batterie et de la tension du réseau d'alimentation électrique.
Le chargeur peut comprendre un premier interrupteur de court-circuit et un deuxième interrupteur de court-circuit connectés entre le réseau d'alimentation électrique et la batterie, et aptes à court-circuiter le circuit réducteur de tension et le circuit élévateur de tension lorsque le réseau d'alimentation électrique délivre un courant continu. Selon un autre mode de réalisation, on propose un procédé de commande d'un chargeur de batterie embarqué dans un véhicule automobile, apte à être alimenté par un réseau d'alimentation électrique continu, le chargeur comprenant un circuit réducteur de tension connecté en entrée au réseau d'alimentation électrique et en sortie à un circuit élévateur de tension, le circuit élévateur de tension étant connecté à la batterie. Le procédé peut comprendre des étapes au cours desquelles on commande le courant circulant entre le circuit réducteur de tension et le circuit élévateur de tension de sorte qu'il soit supérieur au courant en entrée du circuit réducteur de tension et supérieur au courant circulant dans la batterie. On peut commander l'émission d'un signal à modulation de largeur d'impulsion à destination du circuit réducteur de tension en fonction du courant en entrée du circuit réducteur de tension et du courant circulant entre le circuit réducteur de tension et le circuit élévateur de tension. On peut déterminer le courant en entrée du circuit réducteur de tension dans une cartographie en fonction de la puissance requise pour charger la batterie. On peut déterminer le courant en entrée du circuit réducteur de tension en divisant la puissance requise pour charger la batterie par la tension du réseau d'alimentation électrique. On peut actionner un premier interrupteur de court-circuit et un deuxième interrupteur de court-circuit connectés entre le réseau d'alimentation électrique et la batterie lorsque le réseau d'alimentation électrique délivre un courant continu. D'autres buts, caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée uniquement en tant qu'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre un mode de réalisation d'un batterie, -la figure 2 illustre un mode de réalisation d'un batterie incorporant un filtre d'entrée, - la figure 3 illustre un mode de réalisation d'un batterie à deux connexions entrantes, - la figure 4a illustre un moyen de commande d'un batterie, - la figure 4b un autre moyen de commande d'un batterie, et - la figure 5 illustre un autre mode de réalisation d'un chargeur de batterie.
Les réseaux d'alimentation électrique continus peuvent être soit régulés en tension (acronyme anglais « DC regulated »), soit régulés en courant (acronyme anglais « Current regulated »). Dans le cas d'un réseau régulé en tension, la tension de la prise du réseau d'alimentation électrique est constante. Le chargeur doit alors commander la régulation du courant de charge. Dans le cas d'un réseau régulé en courant, le courant de la prise du réseau d'alimentation électrique est constant, le chargeur doit simplement amener le courant à la batterie en minimisant les pertes. Un chargeur adapté à la recharge d'une batterie à partir d'un réseau d'alimentation électrique monophasé ou triphasé dispose de deux étages dont un étage de buck-boost inutilisé dans le cas de la charge d'une batterie par un réseau électrique continu. Toutefois, l'étage de buck-boost peut être employé afin d'obtenir une commande du chargeur plus stable et plus précise.
Un circuit de buck, également appelé hacheur série est un circuit réducteur de tension. Un circuit de boost est un circuit élévateur de tension. Les figures 1 à 3 illustrent des chargeurs adaptés à un réseau d'alimentation alternatif ou continu régulé en tension, tandis que la chargeur chargeur chargeur chargeur chargeur de de de de de figure 5 décrite ultérieurement illustre un chargeur adapté à un réseau d'alimentation continu régulé en courant. Un exemple d'utilisation de ce type de chargeur sur un réseau d'alimentation triphasée ou monophasée est décrit dans la demande FR2943188.
Sur la figure 1, on peut voir un chargeur 1 relié à réseau d'alimentation électrique 2 de type triphasé. Le chargeur 1 comprend un circuit réducteur de tension 4 relié par une connexion 11 à une inductance 6 reliée elle-même à une résistance 7. Le chargeur 1 comprend également un circuit élévateur de tension 5 relié en entrée à la résistance 7 et au circuit réducteur de tension 4. Le circuit élévateur de tension 5 est connecté en sortie à une batterie 3. Le circuit réducteur de tension 4 comprend trois connexions entrantes parallèles (4a,4b,4c), portant chacune une phase du réseau d'alimentation électrique et reliée chacune à une paire d'interrupteurs formant un bras du circuit réducteur de tension 4. La première connexion 4a est connectée entre un premier interrupteur 8a et un deuxième interrupteur 8b d'un premier bras du circuit réducteur de tension 4. La deuxième connexion 4b est connectée entre un premier interrupteur 9a et un deuxième interrupteur 9b d'un deuxième bras du circuit réducteur de tension 4. La troisième connexion 4c est connectée entre un premier interrupteur 10a et un deuxième interrupteur 10b d'un troisième bras du circuit réducteur de tension 4.
Les premiers interrupteurs (8a,9a,10a) de chaque bras du circuit réducteur de tension 4 sont par ailleurs connectés ensembles à la connexion 11. Les deuxièmes interrupteurs (8b,9b,10b) de chaque bras du circuit réducteur de tension 4 sont par ailleurs connectés ensembles à la connexion 12. La connexion 11 est reliée à l'inductance 6, elle-même reliée à la résistance 7. Le circuit élévateur de tension 5 comprend un premier interrupteur 13a connecté entre la résistance 7 et cathode de la batterie 3, et un deuxième interrupteur 13b connecté entre la résistance 7 et la connexion 12. La connexion 12 se poursuit vers l'anode de la batterie 3. Le chargeur 1 est apte à être alimenté par un réseau d'alimentation triphasé grâce aux trois connexions entrantes du circuit réducteur de tension 4 qui se confondent avec les connexions entrantes du chargeur 1. Ce même chargeur 1 peut être alimenté par un réseau d'alimentation monophasé en n'utilisant que deux connexions entrantes ainsi que deux bras du circuit réducteur de tension 4. La même configuration est employée pour une alimentation par un réseau continu. Le chargeur illustré par la figure 1 peut être alimenté par un réseau d'alimentation électrique continu régulé en tension. Une telle configuration permet d'amener la puissance électrique à la batterie via deux convertisseurs, un abaisseur de tension (circuit de buck) et un élévateur de tension (circuit de boost). Dans une telle configuration, le circuit réducteur de tension permet de tirer la puissance du réseau électrique tandis que le circuit élévateur de tension permet d'amener cette puissance à la batterie.
Le circuit réducteur de tension 4 et le circuit élévateur de tension 5 comprennent des interrupteurs qui créent un courant haché lorsqu'une alimentation continue est employée. Pour éviter d'obtenir un courant haché, on ajoute un filtre situé en entrée du chargeur comme illustré sur la figure 2. Le filtre contribue à l'élimination des harmoniques correspondant aux multiples de la fréquence de hachage. Sur la figure 2, les éléments communs avec la figure 1 portent les mêmes références. On peut voir notamment un filtre 16 connecté en entrée du circuit réducteur de tension 4 et comprenant un bras pour chacune des trois connexions entrantes (17a,17b,17c).
Le premier bras comprend une première impédance 18a reliée en série à une résistance 20a, l'ensemble étant connecté en parallèle avec une deuxième impédance 19a. Le premier bras est connecté en entrée à la première connexion 17a et en sortie à la première connexion 4a.
La même configuration est adoptée pour les deux autres bras du filtre 16. Le deuxième bras comprend une première impédance 18b reliée en série à une résistance 20b, l'ensemble étant connecté en parallèle avec une deuxième impédance 19b. Le deuxième bras est connecté en entrée à la deuxième connexion 17b et en sortie à la deuxième connexion 4b. Le troisième bras comprend une première impédance 18c reliée en série à une résistance 20c, l'ensemble étant connecté en parallèle avec une deuxième impédance 19c. Le troisième bras est connecté en entrée à la troisième connexion 17c et en sortie à la troisième connexion 4c. Trois capacités (21,22,23) sont connectées chacune entre deux des connexions entrantes du circuit réducteur de tension 4, les capacités étant situées entre la sortie du filtre 16 et l'entrée du circuit réducteur de tension 4. Une première capacité 21 est connectée entre la première connexion entrante 4a et la deuxième connexion entrante 4b du circuit réducteur de tension 4.
Une deuxième capacité 22 est connectée entre la deuxième connexion entrante 4b et la troisième connexion entrante 4c du circuit réducteur de tension 4. Une troisième capacité 23 est connectée entre la première connexion entrante 4a et la troisième connexion entrante 4c du circuit réducteur de tension 4. Les capacités contribuent, avec le filtre à l'élimination des harmoniques correspondant aux multiples de la fréquence de hachage. La chute de tension aux bornes du filtre 16 est négligeable sur la plage de puissance généralement utilisée pour charger une batterie automobile de sorte que les équations relatives à ce filtre ne sont pas détaillées. Toutefois, de telles équations font partie des connaissances générales de l'homme du métier. On considère alors que la tension en entrée du circuit réducteur de tension 4 est égale à la tension en sortie du réseau d'alimentation 2.
La figure 3 illustre le fonctionnement du chargeur 1 avec une alimentation monophasée. Une alimentation monophasée requiert deux conducteurs d'alimentation. Cela a pour conséquence que seuls deux des trois bras du filtre 16, et deux des trois bras du circuit réducteur de tension 4 sont utilisés. Une autre conséquence est que seuls deux condensateurs 22 et 23 sont employés. De plus, ces condensateurs sont tous les deux reliés par une armature à la masse. Par ailleurs, le courant circulant dans l'inductance 6 est utilisé afin de commander le circuit réducteur de tension 4 et le circuit élévateur de tension 5, pour obtenir la puissance de charge requise. Une commande de type Proportionnel-Intégral avec une composante de feed-forward est utilisée pour garder constant le courant circulant dans l'inductance 6. La régulation de ce courant implique de commander le circuit réducteur de tension 4. Pour cela, il est nécessaire de connaitre la valeur If du courant circulant en entrée du circuit réducteur de tension 4. La détermination de ce courant est explicitée ci-dessous. La tension d'entrée Ve est considérée comme constante, le réseau d'alimentation électrique étant régulé en tension. La tension d'entrée Ve est confondue avec la tension du réseau d'alimentation électrique V_dc. La commande du circuit réducteur de tension 4 doit donc réguler l'amplitude du courant pour atteindre la puissance requise pour charger la batterie. Le courant d'entrée le est égal à la somme du courant If circulant dans la première connexion entrante 4a du circuit réducteur de tension 4 et du courant le circulant dans le premier condensateur 21. Toutefois, le courant circulant dans une capacité alimentée en courant continu est nul. On peut donc en conclure que le courant d'entrée le est égal au courant If circulant dans la première connexion entrante 4a du circuit réducteur de tension 4. Le courant If, comme dans les cas d'alimentation monophasée ou triphasée, est une image de la puissance prise au réseau d'alimentation électrique. Par ailleurs, la puissance prise au réseau Pactive peut s'exprimer de la façon suivante : Pactive = If * Ve (Eq. 1) Connaissant la puissance requise pour charger la batterie, et la tension du réseau d'alimentation V_dc, on peut alors déterminer la valeur du courant If. Cette valeur est alors transmise au moyen de commande 16 du circuit réducteur de tension 4 illustré par la figure 4a. Le moyen de commande 16 du circuit réducteur de tension 4 comprend un diviseur 17 recevant en entrée la puissance requise Preq pour charger la batterie. Le diviseur 17 divise la valeur de puissance requise Preq par la tension V_dc du réseau d'alimentation électrique continu afin de déterminer le courant If d'entrée du circuit réducteur de tension 4 par application de l'équation 1. Le diviseur 17 est connecté en sortie à un modulateur de largeur d'impulsion 18. Le modulateur de largeur d'impulsion 18 est capable de déterminer un rapport cyclique a en fonction du courant d'entrée If et du courant d'impédance Id.
a = If/ Id (Eq. 2) La largeur d'impulsion des signaux de commande des interrupteurs du circuit réducteur de tension 4 est déterminée en fonction du rapport cyclique a. Alternativement, le moyen de commande 16 du circuit réducteur de tension 4 peut comprendre une cartographie 19 de la valeur du courant If en fonction de la puissance requise Preq pour charger la batterie. La valeur If est transmise à un modulateur de largeur d'impulsion 18 d'une façon similaire à celle ayant lieu dans le premier mode de réalisation et illustrée par la figure 4a. Ce mode de réalisation permet de compenser les incertitudes sur les valeurs des composants et leurs pertes. Ce mode de réalisation est illustré par la figure 4b. I1 est à noter que le courant dans le circuit élévateur de tension 5 étant constant, aux pertes prés, aucune puissance n'y est dissipée.
L'intégralité de la puissance entrant dans le chargeur est transmise à la batterie, aux pertes prés. Les pertes peuvent également être optimisées dans la mesure où le système fonctionne en régime permanent, l'alimentation se faisant en courant continu. L'optimisation des pertes implique une optimisation du courant d'inductance Id qui doit satisfaire deux exigences. Le courant Id ne doit pas être nul car il assure la transmission de puissance du circuit réducteur de tension 4 au circuit élévateur de tension 5. Par ailleurs, plus le courant Id est faible, plus les pertes sont faibles. La valeur minimum du courant Id doit être supérieure au courant d'entrée If, et supérieure au courant de batterie Ibatt. If = Preq / V_dc (Eq. 3) Ibatt = P_req / V_batt (Eq. 4) Avec Vbatt : la tension de batterie La valeur minimum du courant Id ne peut être déterminée de 20 façon exacte du fait du hachage du courant par le circuit réducteur de tension 4. I1 est donc nécessaire de prévoir une marge, bien plus faible toutefois que dans le cas d'une alimentation par un courant monophasé ou triphasé. Alternativement, il serait possible de commander la régulation 25 de la puissance transmise à la batterie en n'utilisant que le circuit élévateur de tension 5, le circuit réducteur de tension 4 laissant transiter toute la puissance. De même, il serait possible de commander la régulation de la puissance transmise à la batterie en n'utilisant que le circuit réducteur 30 de tension 4, le circuit élévateur de tension 5 laissant transiter toute la puissance. Dans ces deux derniers cas, une commande de type Proportionnel-Intégral suffirait à commander le circuit régulant la puissance.15 Dans le cas d'un réseau d'alimentation en courant continu régulé en courant, la régulation du courant par le chargeur n'est pas nécessaire. Les interrupteurs 8a et 9b sont fermés tandis que les interrupteurs 9a et 8b sont ouverts. De même, l'interrupteur 13a est fermé et l'interrupteur 13b est ouvert. Le courant fourni par le réseau d'alimentation électrique dispose ainsi d'un chemin fixe vers la batterie permettant au chargeur de consommer toute la puissance délivrée par le réseau. Alternativement, il est possible d'ajouter un premier interrupteur 21 de court-circuit et un deuxième interrupteur 22 de court-circuit permettant de court-circuiter le circuit réducteur de tension 4. Le premier interrupteur 21 de court-circuit est connecté d'une part entre l'interrupteur 13a et la batterie 3 et d'autre part au niveau de l'entrée 17a. Le deuxième interrupteur 22 de court-circuit est connecté d'une part entre l'interrupteur 13b et la batterie 3 et d'autre part au niveau de l'entrée 17b. Ce mode de réalisation est illustré sur la figure 5. Lorsque cette variante est utilisée pour recharger une batterie à partir d'un réseau d'alimentation électrique continu régulé en courant, les interrupteurs 8a,8b,9a,9b sont ouverts, ainsi que les interrupteurs 13a et 13b. Les interrupteurs 21 et 22 sont alors fermés. Pour toute autre utilisation, les interrupteurs 21 et 22 sont ouverts, les autres interrupteurs répondant alors aux consignes appropriées au type de réseau d'alimentation employé. Ce dernier mode de réalisation permet un meilleur rendement en limitant le nombre d'éléments inclus dans le transfert de puissance limitant ainsi les sources de pertes électriques. Un autre avantage de ce mode de réalisation est une augmentation de la durée de vie du chargeur due à une sollicitation moindre de ses composants.
Claims (15)
- REVENDICATIONS1. Chargeur de batterie embarqué dans un véhicule automobile, apte à être alimenté par un réseau d'alimentation électrique continu, caractérisé par le fait qu'il comprend un circuit réducteur de tension (4) connecté en entrée au réseau d'alimentation électrique (2) et en sortie à un circuit élévateur de tension (5), le circuit élévateur de tension (5) étant connecté à la batterie (3), des moyens de commande (16) aptes à commander le courant circulant entre le circuit réducteur de tension (4) et le circuit élévateur de tension (5) de sorte qu'il soit supérieur au courant en entrée du circuit réducteur de tension (4) et supérieur au courant circulant dans la batterie (3).
- 2. Chargeur de batterie selon la revendication 1, apte à être également alimenté par un réseau d'alimentation électrique (2) délivrant une tension alternative monophasée.
- 3. Chargeur de batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes, apte à être également alimenté par un réseau d'alimentation électrique (2) délivrant une tension alternative triphasée.
- 4. Chargeur de batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes, apte à être également alimenté par un réseau d'alimentation électrique (2) délivrant un courant continu.
- 5. Chargeur de batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes, apte à être également alimenté par un réseau d'alimentation électrique (2) délivrant une tension continue.
- 6. Chargeur de batterie selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, comprenant un filtre interposé entre le réseau d'alimentation électrique (2) et le circuit réducteur de tension (4).
- 7. Chargeur de batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de commande (16) sont aptes à délivrer un signal à modulation de largeur d'impulsion à destination du circuit réducteur de tension (4) en fonction du couranten entrée du circuit réducteur de tension (4) et du courant circulant entre le circuit réducteur de tension (4) et le circuit élévateur de tension (5).
- 8. Chargeur de batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une cartographie (19), du courant en entrée du circuit réducteur de tension (4) en fonction de la puissance requise pour charger la batterie (3).
- 9. Chargeur de batterie selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant un diviseur (17) apte à déterminer le courant en entrée du circuit réducteur de tension (4) en fonction de la puissance requise pour charger la batterie (3) et de la tension du réseau d'alimentation électrique (2).
- 10. Chargeur de batterie selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, comprenant un premier interrupteur (21) de court-circuit et un deuxième interrupteur (22) de court-circuit connectés entre le réseau d'alimentation électrique (2) et la batterie (3), et aptes à court-circuiter le circuit réducteur de tension (4) et le circuit élévateur de tension (5) lorsque le réseau d'alimentation électrique (2) délivre un courant continu.
- 11. Procédé de commande d'un chargeur de batterie embarqué dans un véhicule automobile, apte à être alimenté par un réseau d'alimentation électrique continu, le chargeur comprenant un circuit réducteur de tension (4) connecté en entrée au réseau d'alimentation électrique (2) et en sortie à un circuit élévateur de tension (5), le circuit élévateur de tension (5) étant connecté à la batterie (3), caractérisé par le fait qu'il comprend des étapes au cours desquelles : on commande le courant circulant entre le circuit réducteur de tension (4) et le circuit élévateur de tension (5) de sorte qu'il soit supérieur au courant en entrée du circuit réducteur de tension (4) et supérieur au courant circulant dans la batterie (3).
- 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel on commande l'émission d'un signal à modulation de largeur d'impulsion à destination du circuit réducteur de tension (4) en fonction du couranten entrée du circuit réducteur de tension (4) et du courant circulant entre le circuit réducteur de tension (4) et le circuit élévateur de tension (5).
- 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12, dans lequel on détermine le courant en entrée du circuit réducteur de tension (4) dans une cartographie en fonction de la puissance requise pour charger la batterie (3).
- 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12, dans lequel on détermine le courant en entrée du circuit réducteur de tension (4) en divisant la puissance requise pour charger la batterie (3) par la tension du réseau d'alimentation électrique (2).
- 15. Procédé selon les revendications 11 à 14, dans lequel on actionne un premier interrupteur (21) de court-circuit et un deuxième interrupteur (22) de court-circuit connectés entre le réseau d'alimentation électrique (2) et la batterie (3) lorsque le réseau d'alimentation électrique délivre un courant continu.
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-
2011
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