FR2982717A1 - Dispositif de conversion et de transformation d'une tension d'entree et dispositif d'alimentation d'un reseau embarque multitension d'un vehicule automobile - Google Patents

Abstract

Dispositif (32) pour la conversion et la transformation simultanée d'une tension d'entrée comportant un composant convertisseur (32') et un composant transformateur de tension continue (33) et ayant au moins un composant en pont convertisseur (34) avec au moins deux demi-ponts (A-F) et au moins l'un des deux demi-ponts (A-E) fait partie du composant convertisseur (32') et au moins un autre composant (F) des deux composants semi-conducteurs est le composant transformateur (33).

Description

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un dispositif de con- version et de transformation simultanée d'une tension d'entrée ainsi qu'un dispositif assurant l'alimentation d'un réseau embarqué multi- tension d'un véhicule automobile en lui fournissant au moins deux ten- sions continues ainsi qu'un réseau embarqué multitension équipé d'un tel dispositif. Etat de la technique Les réseaux embarqués multitension et tout spécialement les réseaux embarqués bitension, s'utilisent par exemple en technique automobile. Ces réseaux permettent de faire fonctionner des consommateurs électriques avec des tensions de fonctionnement différentes. En pratique, on connaît des réseaux embarqués bitension avec des tensions embarquées de 14 V et de 42 V. Les réseaux correspondant seront appelés dans le cadre de la présente description "partie de réseau". La partie de réseau à faible tension nominale (par exemple 14 V) est appelée dans le cadre de la demande "partie de réseau basse tension" ; une partie de réseau à tension nominale supérieure (par exemple 42 V) sera appelée "partie de réseau haute tension". La partie de réseau haute ten- sion sert fréquemment à l'alimentation d'une machine électrique comme moteur pour fournir une puissance suffisante. Pour alimenter les parties d'un réseau embarqué biten- sion, on peut utiliser un générateur commun qui fournit une tension de base par des redresseurs appropriés. La tension de base est appliquée à la première partie de réseau. Un transformateur de tension continue fournit séparément au redresseur, la tension pour la seconde partie du réseau à partir de la tension de base. Un tel transformateur est appelé "transformateur releveur" ou "transformateur abaisseur" ou encore "transformateur à double fonction" ; il est utilisé chaque fois comme appareil indépendant ayant un boîtier séparé ou encore avec un boîtier combiné à un redresseur. De tels dispositifs d'alimentation d'un réseau embarqué polyphasé d'un véhicule automobile avec au moins deux tensions continues, se composent ainsi d'au moins un générateur, d'un redresseur en aval du générateur pour alimenter la première partie de réseau ainsi qu'au moins un convertisseur de tension continue en aval du redresseur, pour alimenter la seconde partie, la énième partie de réseau. Cela complique la structure des circuits et se traduit par des redondances excessives et augmentant considérablement le nombre de composants.

But de l'invention La présente invention a pour but de développer une solu- tion simple et économique pour alimenter des réseaux embarqués multitension. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif pour la conversion et la transformation simultanée d'une tension d'entrée comportant un composant convertisseur et un composant transformateur de tension continue et ayant au moins un composant de pont convertisseur avec au moins deux demi-ponts et au moins l'un des deux demi- ponts fait partie du composant convertisseur et au moins un autre composant des deux composants semi-conducteurs est le composant transformateur. Selon l'invention, la fonction de transformation de ten- sion continue est réalisée du point de vue fonctionnel et du point de vue constructif par un seul convertisseur monté en pont avec un certain nombre de demi-ponts constituant des convertisseurs d'une machine électrique. Un ou plusieurs demi-ponts d'un composant redresseur monté en pont et qui ne servent pas à redresser le sens de passage d'une tension d'entrée, sont utilisés dans le cadre de la fonction de transformation de tension continue. Le convertisseur peut être un re- dresseur avec une tension alternative d'entrée pour une machine électrique fonctionnant comme générateur ou encore comme onduleur d'une tension continue d'entrée pour alimenter la machine électrique fonctionnant comme moteur; Les composants convertisseurs montés en pont, du commerce, comportent en général trois demi-ponts (ponts B6). Comme machines électriques de véhicules automobiles, on utilise entre autres des machines à cinq phases avec en général un convertisseur comprenant de tels composants en pont (2xB6), sachant qu'un demi-pont reste inutilisé. Ce demi-pont peut être utilisé dans le cadre de l'invention pour une transformation de tension continue. Cela se traduit par des avantages importants dans le montage de tels circuits, car en général un demi-pont suffit pour une transformation de tension continue de sorte que le composant convertisseur, séparé, utilisé pour la transfor- mation de tension continue selon l'état de la technique, sera complète- ment supprimé. Les demi-ponts peuvent avoir des diodes ou des éléments de commutation (transistors, MOSFET, IGBT) pour le redressement. Toute l'infrastructure d'un convertisseur correspondant sera utilisée si bien que l'inductance et/ou la capacité de la transformation de tension continue se feront avec les composants disponibles. L'invention s'applique à des machines électriques à auto-excitation ou excitation extérieure de réseaux embarqués à plusieurs niveaux de tension (réseaux embarqués multitension), en particulier pour les véhicules automobiles. Contrairement aux réseaux embarqués multitension, connus, les différentes parties de réseau ne sont pas re- liées par un transformateur de tension continue distinct qui est combiné en commun comme appareil propre avec un boîtier séparé ou un appareil propre dans un boîtier avec un convertisseur, mais on utilise un montage en pont à double fonction.

L'invention s'applique avantageusement au mode de fonc- tionnement comme onduleur avec comme tension d'entrée, une première tension continue transformée par le convertisseur fonctionnant comme onduleur, en une tension alternative pour alimenter la machine électrique fonctionnant comme moteur et la seconde tension continue est appliquée par le transformateur de tension continue pour alimenter l'autre partie du réseau embarqué. L'invention assure l'intégration fonctionnelle de deux ap- pareils en utilisant en commun des composants et/ou en simplifiant et/ou en remplaçant. Les éléments tels que le microcontrôleur, les pi- lotes, les capteurs, les capacités de circuit intermédiaire, les interfaces de communication ou analogues de l'état de la technique, utilisés séparément pour les différents composants, seront utilisés en commun selon l'invention. Comme déjà décrit la fonction d'un transformateur de tension continue selon l'invention est réalisée en utilisant le demi-pont "laissé libre" d'un composant convertisseur monté en pont. L'intégration fonctionnelle se fait vis-à-vis de l'état de la technique, notamment par l'utilisation commune de l'électronique de puissance, ce qui se traduit par une réduction de coût. Suivant une caractéristique particulièrement avanta- geuse, on utilise des composants convertisseurs montés en pont qui comportent au moins un demi-pont disponible servant de convertisseur. Cela est particulièrement avantageux dans le cas des machines électriques à cinq phases permettant d'appliquer six demi-ponts, en utilisant deux composants redresseurs en pont du commerce avec chaque fois trois demi-ponts (ponts B6) ou un composant usuel de convertis- seur monté en pont avec six demi-ponts (ponts B12). L'inductance de transformation nécessaire pour la trans- formation de tension continue peut être fournie de différentes manières. Par exemple, le câble de liaison avec chaque énième partie de réseau constitue l'inductance de transformateur. Si pour une partie de réseau il est prévu un élément EMV (élément de compatibilité électromagnétique), cet élément pourra assurer pour cette énième partie de réseau, en plus la fonction d'inductance de transformateur. Enfin, on pourra installer des inductances supplémentaires en amont des éléments EMV.

Les moyens de l'invention ne sont pas limités à un réseau embarqué bitension, mais peuvent s'utiliser pour un nombre quelconque de demi-ponts, par exemple deux ou plus de ponts pour la fonction de transformateurs. Ainsi, on pourra réaliser des transformateurs de tension continue, polyphasés, avec les moyens de l'invention.

Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation d'un dispositif de conversion et de transformation d'une tension d'entrée représenté dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre schématiquement un réseau embarqué bitension selon l'état de la technique, - la figure 2 montre schématiquement un réseau embarqué bitension selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, - la figure 3 montre un schéma d'un réseau embarqué bitension selon un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, - la figure 4 montre schématiquement la conversion et la transformation de la tension continue selon l'état de la technique, - la figure 5 montre schématiquement la conversion et la transformation de tension continue selon un mode de réalisation particulière- ment préférentiel de l'invention. Description de modes de réalisation de l'invention A titre de remarque, bien que les figures 1 à 3 montrent comme convertisseur, un redresseur de la tension alternative d'entrée d'une machine électrique fonctionnant comme génératrice, l'invention peut également s'appliquer avantageusement à un onduleur d'une ten- sion en continu d'entrée pour alimenter une machine électrique fonctionnant comme moteur. La figure 1 montre un réseau embarqué (réseau de bord) bitension de l'état de la technique selon une représentation schéma- tique. Le réseau embarqué bitension porte globalement la référence 100. Il comporte une machine électrique 131, par exemple un générateur à trois ou cinq phases, de préférence un générateur à griffes polaires. Le générateur 131 fournit une tension alternative ayant un nombre de phases que le redresseur 132 transforme en une tension continue.

La tension continu est appliquée par une première ligne d'alimentation 111 à un premier réseau partiel 110 du réseau embarqué bitension 100. La première partie de réseau 110 comporte en outre une batterie 112 ou un accumulateur capacitif. Comme cela est schématisé par la représentation de la batterie 112 à la figure 1, la première partie de réseau 110 est la partie haute tension, c'est-à-dire la partie de réseau à tension haute par comparaison à celle de l'autre partie de réseau. La première partie de réseau 110 est reliée à des utilisateurs 113. Il peut s'agir par exemple d'utilisateurs demandant beaucoup de puissance, tels que par exemple des freins, le chauffage, la direction assistée ou des moyens analogues. Un transformateur de tension continue 140 relie une seconde partie de réseau 120 à la première partie de réseau 110. Le transformateur de tension continue 140 fournit ainsi par une seconde ligne d'alimentation 121, une seconde tension à la seconde partie de réseau 120. Cette seconde partie de réseau 120 comporte également une batte- rie 122 et des utilisateurs 123. Comme le montre la représentation de la batterie 122 à la figure 1, la seconde partie de réseau 120 est la partie dite basse tension, c'est-à-dire une tension inférieure à celle de l'autre partie de réseau (ici la première partie de réseau). La seconde partie de réseau 120 peut comporter une autre machine électrique 124, par exemple un démarreur. Même si le transformateur de tension continue 140 de la figure 1 fonctionne comme transformateur abaisseur, on peut également utiliser un transformateur de tension continue comme transfor- mateur releveur en particulier dans les véhicules hybrides. La figure 2 est le schéma d'un réseau embarqué bitension d'un mode de réalisation particulièrement préférentiel de l'invention. Le réseau embarqué bitension porte globalement la référence 1. Il comprend deux parties 10, 20 qui ont pour l'essentiel les mêmes compo- sants que les parties de réseau 110 et 120 du réseau embarqué bitension 100 de l'état de la technique représenté à la figure 1. Ainsi, la première partie de réseau 10 est reliée par une ligne de branchement 11 à une batterie 12 et à un utilisateur 13. La seconde partie de réseau 20 est reliée par une ligne de branchement 21 également à une batterie 22 et à un utilisateur 23. Le réseau embarqué bitension 100 ou ses parties 10 et 20 sont alimentées selon un mode de réalisation préférentiel par un dispositif 30 assurant l'alimentation d'un réseau embarqué multitension d'un véhicule automobile avec au moins deux tensions continues (encore appelées ci-après dispositif d'alimentation de réseau embarqué multitension 30). Le dispositif d'alimentation de réseau embarqué multitension 30 comporte un dispositif 32 pour assurer en même temps la conversion et la transformation d'une tension d'entrée (encore appelée ci-après dispositif de conversion et de transformation) ainsi que d'un générateur 31 fournissant une tension alternative d'entrée (ici par exemple une tension à 5 phases) pour la machine électrique fonctionnant comme dispositif de conversion et de transformation (ou en option comme moteur). Contrairement à l'état de la technique, l'alimentation des deux parties de réseau 10, 20 par les lignes de branchement 21, 22 est assurée par le seul dispositif d'alimentation de réseau embarqué multitension 30. Pour cela, le dispositif de conversion et de transformation 32 comporte en plus d'un composant convertisseur 32', également un composant transformateur 33 qui accède à au moins un composant convertisseur en pont commun (voir également la figure 3). La figure 3 montre une variante de réalisation du réseau embarqué bitension 1 de la figure 2 explicitant notamment des détails du dispositif de conversion et de transformation 32. Le générateur 31 de l'exemple de réalisation de la figure 3 fournit une tension alternative à 5 phases par les lignes a-e. Le composant convertisseur 32' fonctionnant comme composant redresseur, dispose ainsi de cinq demi-ponts A-E utilisés pour le redressement. Ces ponts ont chacun (d'une manière non détaillée par les références), des éléments de commutation actifs Al-El ou A2-E2 (par exemple des transistors MOSFET) comme éléments re- dresseurs qui sont par exemple commandés par des lignes de com- mande A l'-E1' ou A2'-E2'. En variante, on peut également utiliser des diodes comme éléments redresseurs. La commande des éléments redresseurs est faite dans le cadre d'un appareil de commande détaillé selon la figure 5. Les demi- ponts A-E ont une borne médiane (m) dont toutes ne sont pas référen- cées. Les bornes médianes (m) sont reliées aux lignes de tension a-e du générateur 31. Les éléments de commutation Al-E1 ou A2-E2 sont commandés pour fournir aux sorties communes (x) et (y) des demi-ponts A-E, une tension redressée qui, dans le cadre de la présente des- cription, est appelée "tension de base". Dans le dispositif de conversion et de transformation 32 de la figure 3, le composant transformateur 33 est réalisé par un autre demi-pont F appelé ici "pont transformateur". Par une commande appropriée suivant l'angle de phase ou la tension des éléments de commu- tation F 1 et F2 du pont transformateur F, on obtient une transformation de tension continue. Les circuits de transformation de tension continue qui utilisent un ou plusieurs éléments de commutation en combinaison avec par exemple des inductances ou des capacités, sont des solutions techniques connues.

Le demi-pont F fait partie d'un composant en pont redresseur dont au moins un autre demi-pont est utilisé pour redresser. Dans l'exemple présenté, les demi-ponts A-F font partie d'un seul et même composant de pont convertisseur 34 (pont B12). Si on utilise d'autres composants convertisseurs en pont, du commerce avec chaque fois trois demi-ponts (pont B6), par exemple les demi-ponts A-C d'une part et les demi-ponts D-F d'autre part, pourront faire partie du même composant convertisseur monté en pont. La figure 3 montre le schéma d'un pont transformateur à transistors. Le montage d'un pont transformateur à diodes peut, le cas échéant être, différent de ce qui est usuel. Les parties de réseau 10, 20 reliées au dispositif convertisseur et transformateur 32, correspondent aux parties de la figure 2. Le dispositif convertisseur et transformateur 32 peut avoir une capacité de circuit intermédiaire C ainsi que d'autres compo- sants capacitifs et/ou inductifs Cl et C2 qui garantissent la compatibilité électromagnétique. Dans la représentation de la figure 3, on a en outre des fonctions résistives et inductives C11 et C21 qui sont par exemple en aval du montage en pont 32 ou peuvent être réalisées sous la forme d'inductances de lignes d'alimentation des branchements 11 et 21 des parties de réseau 10 et 20. Ils peuvent être utilisés dans le cadre de la conversion de tension continue. La figure 4 montre un schéma par blocs d'un convertis- seur et d'un transformateur de tension continue 400 selon l'état de la technique. Le circuit permet le fonctionnement du convertisseur comme redresseur pour le fonctionnement en générateur de la machine électrique 131 ou celle d'un onduleur pour le fonctionnement de la machine électrique 131 comme moteur. La conversion est indiquée dans le bloc 432 qui explicite la conversion de tension continue dans le bloc 440. Il s'agit par exemple du redresseur 132 et du transformateur de tension continue 140 de la figure 1. La figure 4 sera décrite à partir de la figure 1 et en utilisant les mêmes références pour désigner les mêmes éléments. La description suivant concerne une série de composants servant à la conversion dans le bloc 432 et à la transformation de ten- sion continue dans le bloc 440 ; ces composants sont des unités réalisées séparément. Ces unités ne sont pas répétées pour ne pas compliquer la description mais portent la même référence avec ou sans ('). Les composant correspondants peuvent par exemple être réalisés dans l'ap- pareil de commande 450 et en variante de la représentation de la figure 4, peuvent composer un nombre plus ou moins important de composants. On réalise une commande en utilisant une unité de cal- cul, centrale, par exemple un microcontrôleur 451. Cette unité de com- mande assure les fonctions de calcul et de commande centralisées et elle est reliée par un module de communication 452 à au moins une unité supérieure, par exemple pour la commande externe. L'unité de calcul 451 peut également avoir un circuit intégré dédié à une application (circuit ASIC) 453.

Selon les instructions de l'unité de calcul 451, on com- mande une unité pilote 454 qui assure la commande de composants de puissance tels que par exemple des éléments de commutation appropriés d'un redresseur dans le cas du composant pilote 454 ou d'un convertisseur de tension approprié dans le cas d'un composant pilote 454'.

L'alimentation de l'unité de calcul 451 et du composant pilote 454 est assurée par une alimentation de puissance 456. La première partie de réseau est raccordée à la première ligne d'alimentation 111. En mode générateur, le redresseur fournit en sortie un courant continu et en mode moteur, il reçoit comme onduleur, un courant continu. Le courant continu traverse par exemple un filtre 457 qui garantit la compatibilité électromagnétique. Une commande appropriée des éléments de commutation dans l'élément de conversion 455 règle le courant souhaité ou courant de travail, nécessaire (mode de fonctionnement comme onduleur) ou encore on redresse le courant al- ternatif (fonctionnement en mode redresseur). Une unité de saisie 458 constitue un capteur d'intensité pour le courant utile. Une unité capacitive 459 est prévue comme capacité de circuit intermédiaire. Par la borne 402 on raccorde la machine électrique (machine polyphasée). La transformation de tension continue correspond pour l'essentiel à ce qui a déjà été décrit. Cette transformation même est faite dans le bloc 455'. La tension étendue est fournie en sortie à la seconde ligne d'alimentation 121. La figure 5 montre le schéma 532 d'un convertisseur et d'un transformateur de tension continue selon un exemple de réalisa- tion préférentiel de l'invention. La figure 5 sera décrite en référence à la figure 2 et les éléments identiques porteront les mêmes références. Les lignes d'alimentation 11 et 21 relient les parties 10 et 20 du réseau embarqué par exemple décrit en liaison avec les figures 2 et 3. En amont des lignes de branchement 11 et 21, on peut également prévoir des filtres 57 connus en soi pour garantir la compatibilité élec- tromagnétique. Le branchement 402 est relié à la machine électrique (polyphasée). En mode de fonctionnement comme générateur, le redresseur fournit un courant continu à la borne 11 et en mode de fonctionnement comme moteur, il reçoit un courant continu à la borne 11 pour fonctionner comme onduleur. La tension transformée se recueille sur la ligne 21. Les composants 50, 56 de la figure 5 correspondent dans leur fonction pour l'essentiel aux composants 400-458 de la figure 4 ; l'unité de calcul 51 commande les composants pilotes 54 et ainsi l'unité de puissance 55 (composants redresseurs montés en pont), par exemple des éléments de commutation à activité correspondant à Al-El à A2-E2 à F1 et F2 pour assurer en même temps une conversion et une transformation de tension continue d'un signal approprié. De même, l'unité de calcul, centrale, 51 est reliée à une unité de communication 52 pour recevoir des signaux appropriés aptes à fonctionner et qui en même temps sont liés à un circuit intégré spécifiquement (circuit ASIC) 53. Un circuit de saisie détecte la valeur de la tension de sortie respective.30 NOMENCLATURE 1 réseau multitension 10 première partie de réseau 11 ligne de branchement 12 batterie 13 utilisateur 20 seconde partie de réseau 21 ligne de branchement 22 batterie 23 utilisateur 30 dispositif d'alimentation de réseau embarqué multi- tension 31 générateur 32 dispositif convertisseur et transformateur 32' composant redresseur 33, 34 composants convertisseurs 51 unité de calcul 52 unité de communication 53 circuit intégré ASIC 54 unité pilote 55 unité de puissance 100 réseau embarqué bitension 110 première partie de réseau 111 ligne d'alimentation 112 batterie 113 utilisateur 114 transformateur de tension continue 120 seconde partie de réseau 121 seconde ligne d'alimentation 122 batterie 123 utilisateur 124 machine électrique 131 machine électrique 132 redresseur 140 convertisseur de tension continue 400 conversion et transformation de tension en continu 402 branchement de la machine électrique 432 bloc représentant le convertisseur de tension conti- nue 440 bloc représentant le transformateur de tension conti- nue 450 appareil de commande 451 unité de calcul 452 module de communication 453 circuit intégré d'application dédiée (ASIC) 454 unité pilote 455 élément convertisseur 455' bloc représentant le transformateur 456 alimentation en puissance 457 filtre 458 unité de saisie 459 unité capacitive A-E demi-ponts A 1-E 1 ou A2-E2 éléments de commutation x et y sortie des demi-ponts A-E F1-F2 éléments de commutation

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1°) Dispositif (32) pour la conversion et la transformation simultanée d'une tension d'entrée comportant un composant convertisseur (32') et un composant transformateur de tension continue (33) et ayant au moins un composant en pont convertisseur (34) avec au moins deux demi-ponts (A-F) et au moins fun des deux demi-ponts (A-E) fait partie du composant convertisseur (32') et au moins un autre composant (F) des deux composants semi-conducteurs est le composant transformateur (33). 2°) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins fun des demi-ponts (A-F) comporte deux diodes ou au moins deux éléments de commutation actifs. 3°) Dispositif (30) d'alimentation d'un réseau embarqué multitension (1) de véhicule automobile avec un dispositif (32) ou au moins deux tensions continues pour convertir et transformer simultanément une tension d'entrée selon l'une des revendications 1 et 2, et générateur électrique (31) pour générer une tension alternative d'entrée. 4°) Dispositif (30) selon la revendication 3, caractérisé en ce que les demi-ponts (A-F) des composants convertisseurs (32') sont raccordés par leurs bornes médianes (m) aux phases (a-e) du générateur (31) et ils fournissent une tension continue de base, redressée aux sorties communes (x-y), et les composants transformateurs (33) sont raccordés aux sorties communes (x-y) des demi-ponts (A-F) des composants convertisseurs (32') pour transformer la tension continue de base en une autre tension. 5°) Dispositif (30) selon la revendication 3, caractérisé en ce qu' au moins l'une des sorties communes (x-y) des demi-ponts (A-F) des composants convertisseurs (32') est reliée à une ligne d'alimentation(11) d'une première partie de réseau (10) du réseau embarqué multitension (1). 6°) Dispositif (30) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le composant transformateur (33) fournit l'autre tension sur la prise médiane n) d'un demi-pont (F) du composant transformateur (33). 7°) Dispositif (30) selon la revendication 6, caractérisé en ce que la prise médiane (n) du demi-pont (F) du composant transformateur (33) est reliée à une ligne d'alimentation (21) d'une seconde partie de réseau (20) du réseau embarqué multitension (1). 8°) Dispositif (30) selon la revendication 7, caractérisé par au moins un circuit capacitif (C2, C21) entre la prise médiane (n) du demi-pont (F) du composant transformateur (33) et de la ligne d'alimentation (21). 9°) Dispositif (30) selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'inductance nécessaire à la transformation de courant continu est fournie par une ligne d'alimentation (21) de la seconde partie de réseau (20) du réseau embarqué multitension (1). 10°) Dispositif (30) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le générateur (31) est un générateur à courant tournant à trois ou cinq phases, notamment un générateur à griffes polaires. 11°) Réseau embarqué multitension (1) d'un véhicule automobile ayant au moins deux parties de réseau (10, 20) fonctionnant avec des tensions différentes et un dispositif (30) selon l'une des revendications 3 à10, le réseau embarqué étant notamment un réseau embarqué bitension.5