FR3001843A1 - Dispositif et procede correspondant de gestion de batteries de vehicule automobile, en particulier une batterie basse tension et une batterie haute tension - Google Patents

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Abstract

Dispositif et procédé de gestion de batteries de véhicule automobile, le véhicule comprenant une batterie haute tension (3) d'alimentation d'un moteur électrique et une batterie basse tension (7), le dispositif comprend un premier étage onduleur (8) destiné à être raccordé à un réseau d'alimentation (2) ou à la batterie basse tension et un circuit résonant (9) raccordé d'une part au premier étage onduleur et d'autre part à un deuxième étage onduleur (10) raccordé à la batterie haute tension du véhicule.

Description

Dispositif et procédé correspondant de gestion de batteries de véhicule automobile, en particulier une batterie basse tension et une batterie haute tension L'invention concerne la gestion de batteries pour véhicule automobile à traction électrique ou hybride et plus particulièrement la gestion de charge des batteries haute tension et basse tension de véhicules automobiles. Différents modules d'électronique de puissance sont actuellement utilisés au sein de véhicules automobiles à traction électrique ou hybride. Ces modules ont généralement un coût important qu'il est nécessaire de réduire.
De manière classique, les véhicules automobiles comprennent un module AC/DC qui permet la charge de la batterie à partir de l'énergie prélevée sur un réseau d'alimentation électrique, par exemple un réseau monophasé. Les véhicules automobiles comprennent également un module DC/AC pour transférer de l'énergie entre la batterie haute tension (environ 400V) et le moteur électrique. Enfin, les véhicules automobiles comprennent un module DC/DC pour échanger de l'énergie électrique entre la batterie haute tension et une batterie basse tension (14V) qui fournit la tension de bord du véhicule. Il est connu des chargeurs AC/DC pour batterie haute tension dits isolés, c'est-à-dire qui contiennent un élément, par exemple un transformateur, qui isole le réseau haute tension du véhicule du réseau d'alimentation à partir duquel on le recharge. On réduit ainsi les perturbations de mode commun conduites dans le réseau. Il est également connu des chargeurs AC/DC pour batterie haute tension dits non-isolés, moins coûteux que les chargeurs isolés et qui présentent un meilleur rendement énergétique. Les convertisseurs DC/DC peuvent également être isolés ou non-isolés. Généralement, sur un véhicule automobile, on préfère les convertisseurs DC/DC permettant d'isoler le réseau haute tension du réseau basse tension. On pourra se référer au document CN 101834539 qui décrit un chargeur de batterie AC/DC haute tension muni également d'un module DC/DC. Cela étant, le module DC/DC décrit dans ce document a pour inconvénient de ne pouvoir être utilisé que dans un sens. On pourra également se référer au document FR 2946810 qui décrit un chargeur AC/DC pouvant également fonctionner en DC/AC lors de la décharge de la batterie. Ce chargeur peut donc fonctionner dans les deux sens, mais il ne permet pas de faire de conversion DC/DC. L'invention a donc pour but d'obtenir dans un seul dispositif un chargeur AC/DC, et un chargeur DC/DC pouvant fonctionner dans les deux sens.
L'invention a également pour but d'obtenir des charges avec des gains variables et une conversion DC/DC avec de bons rendements. Selon un aspect, il est donc proposé un dispositif de gestion de batteries de véhicule automobile, le véhicule comprenant une batterie haute tension d'alimentation d'un moteur électrique et une batterie basse tension. Selon une caractéristique générale, le dispositif comprend un premier étage onduleur destiné à être raccordé à un réseau d'alimentation ou à la batterie basse tension et un circuit résonant raccordé d'une part au premier étage onduleur et d'autre part à un deuxième étage onduleur raccordé à la batterie haute tension du véhicule. En utilisant deux étages onduleurs disposés de part et d'autre d'un circuit résonant, on peut obtenir un chargeur AC/DC si le premier étage est connecté à un réseau d'alimentation, par exemple un réseau monophasé, et en connectant le premier étage onduleur à la batterie basse tension, on peut transférer de l'énergie électrique dans les deux directions entre les batteries basse et haute tension.
On notera qu'en mettant en oeuvre une conversion AC/DC et des conversions DC/DC bidirectionnelles dans un même dispositif, on utilise un nombre réduit de composants. Le premier étage onduleur peut être connecté à une première partie du circuit résonant comprenant une inductance connectée en série à un enroulement primaire d'un transformateur et un condensateur connecté en parallèle à l'enroulement primaire, le deuxième étage onduleur étant connecté à une deuxième partie du circuit résonant comprenant l'enroulement secondaire du transformateur. Le dispositif peut comprendre en outre des moyens de commande de la fréquence de commutation des onduleurs aptes à réguler le courant circulant dans ledit enroulement primaire autour d'une valeur de référence.
Par fréquence de commutation des onduleurs, on entend la fréquence de commutation d'interrupteurs formant un onduleur. Le premier et le deuxième étage onduleur peuvent comprendre une pluralité de transistors bipolaires à grille isolée (« IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor » en langue anglaise) et dans lequel un condensateur est connecté en parallèle sur chaque transistor bipolaire à grille isolée. Les condensateurs connectés en parallèle sur chaque transistor bipolaire à grille isolée sont des condensateurs dits d'amortissement ou « snubber » selon un terme anglo-saxon bien connu de l'homme du métier. Ils permettent la commutation à moindre pertes des transistors bipolaires à grille isolée lors de leur ouverture. Aussi, l'utilisation des condensateurs d'amortissement couplé à l'utilisation du circuit résonnant en hyperfréquence permet d'augmenter la fréquence de fonctionnement du convertisseur sans devoir utiliser de transistor MOS. Il est préférable d'utiliser des transistors bipolaires à grille isolée qui sont moins coûteux que les transistors MOS pour des applications similaires.
Le dispositif peut comprendre un interrupteur à deux broches apte à connecter le premier étage onduleur au réseau d'alimentation ou à la batterie basse tension. L'utilisation du circuit résonant et de condensateurs d'amortissement permet de diminuer les pertes de commutation et d'augmenter le rendement, ce qui permet d'utiliser des composants passifs de petite taille, notamment en ce qui concerne le transformateur, le filtre d'entrée et l'inductance du circuit résonant. Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de gestion de batteries de véhicule automobile, le véhicule comprenant une batterie haute tension d'alimentation d'un moteur électrique et une batterie basse tension. Selon une caractéristique générale du procédé, le véhicule comprend un dispositif comportant un premier étage onduleur, un circuit résonant raccordé d'une part au premier étage onduleur et d'autre part à un deuxième étage onduleur raccordé à la batterie haute tension du véhicule, et on commande le premier étage onduleur et le deuxième étage onduleur pour charger la batterie haute tension à partir d'un réseau d'alimentation connecté au premier étage onduleur ou à la batterie basse tension connectée au premier étage onduleur, ou pour charger la batterie basse tension à partir de la batterie haute tension. Le premier et le deuxième étage onduleur peuvent comprendre une pluralité de transistors bipolaires à grille isolée et sur chaque transistor bipolaire à grille isolée un condensateur est connecté en parallèle, et pour charger la batterie haute tension à partir d'un réseau d'alimentation, on peut commander les interrupteurs du premier étage onduleur à une fréquence supérieure à la fréquence de résonnance dudit circuit résonant.
L'utilisation d'un condensateur d' amortissement et le fonctionnement à une fréquence supérieure à celle de la résonnance du circuit permet d'obtenir des commutations sans pertes. On obtient un fonctionnement couramment désigné par l'homme du métier par l'acronyme anglo-saxon « ZVS : Zero Volt Switching », ou encore par l'expression « hyper resonant ». Le circuit résonant peut comprendre un transformateur muni d'un enroulement primaire et d'un enroulement secondaire et pour charger la batterie haute tension à partir d'un réseau d'alimentation on peut réguler le courant circulant à travers l'enroulement primaire autour d'une valeur de référence. 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 schématiquement un dispositif selon l' invention, - la figure 2 illustre la variation du courant à travers un enroulement primaire dans un circuit résonant, - la figure 3 illustre la commande de la fréquence de commutation. Sur la figure 1, on a représenté un dispositif de gestion de batteries 1 selon un mode de réalisation de l'invention. Le dispositif 1 peut être raccordé par un premier port à un réseau d'alimentation électrique 2 et à une batterie haute tension 3. La batterie haute tension 3 peut par exemple alimenter un moteur électrique de véhicule automobile, et peut avoir une tension à ses bornes de l'ordre de 400 Volts. Le dispositif de gestion de batteries 1 comprend un filtre différentiel 4 relié au réseau d'alimentation électrique 2 et à un redresseur 5. Le redresseur 5 est relié à un interrupteur à deux broches 6. L'interrupteur à deux broches 6 permet de connecter le dispositif 1 à un deuxième port du dispositif vers une batterie basse tension 7. La batterie basse tension 7 peut avoir une tension à ses bornes de l'ordre de 14 Volts correspondant à la tension de bord d'un véhicule automobile. L'interrupteur à deux broches 6 est connecté à un premier étage onduleur 8, lui-même relié à un circuit résonant 9. Le circuit résonant est relié à un deuxième étage onduleur 10, le circuit résonant 9 est donc connecté de part et d'autre à des étages onduleurs 8 et 10.
Le deuxième étage onduleur 10 est également connecté à la batterie haute tension 3. Le réseau d'alimentation électrique présente une impédance de court circuit Zcc qui peut être modélisée par l'association en série d'une inductance Lcc et d'une résistance Rcc. L'impédance de court circuit Zcc est associée à un générateur de tension alternative délivrant une tension alternative d'amplitude Vres. Le filtre différentiel 4 présente une impédance différentielle Zdiff correspondant à l'association en parallèle d'une résistance R1 avec l'association en série d'une inductance différentielle Ldiff et d'une résistance d'amortissement Rdiff. Le filtre différentiel 4 possède deux entrées pouvant être reliées au réseau d'alimentation 2. Une première entrée est reliée à l'impédance Zdiff elle-même reliée à une sortie du filtre différentiel 4 et à une première borne d'un condensateur différentiel Cdiff. La deuxième entrée du filtre différentiel 4 est reliée à la deuxième borne du condensateur différentiel Cdiff et à une autre sortie du filtre différentiel 4. Les deux entrées du filtre différentiel 4 forment un premier port du dispositif 1. Le redresseur 5 est relié aux deux sorties du filtre différentiel 4 et il comprend un pont redresseur de quatre diodes Del, De2, De3 et De4. Une première entrée du redresseur 5 est reliée à la cathode de la diode Del et à l'anode de la diode De2. Une deuxième entrée du redresseur 5 est reliée à la cathode de la diode De3 et à l'anode de la diode De4. Les cathodes des diodes De2 et De4 sont toutes deux connectées à une même borne Al et les anodes des diodes Del et De4 sont toutes deux connectées à une même borne A2. La batterie basse tension 7 est connectée à deux bornes B1 et B2. L'interrupteur 6 comprend une première broche Brl pouvant être connectée aux bornes Al ou Bi, et une deuxième broche Br2 pouvant être connectée aux bornes A2 ou B2. On entend par une connexion du dispositif au réseau d'alimentation un placement des broches sur les positions Al et A2. Bien entendu, le reste du dispositif est alors connecté au réseau d'alimentation 2 à travers le filtre différentiel 4 et le redresseur 5. Une connexion du dispositif à la batterie basse tension 7 correspond à un placement des broches sur les positions B1 et B2. On peut noter que l'interrupteur à deux broches 6 peut être un interrupteur désigné sous le vocable anglo-saxon d'« interlock ». Les bornes fixes de l'interrupteur 7 sont connectées à un condensateur de filtrage 11 lui-même connecté au premier étage onduleur 8. Le premier étage onduleur 8 comprend un ensemble de quatre transistors bipolaires à grille isolée T11, T21, T31 et T41. Le collecteur du transistor T11 est connecté à la broche Brl de l'interrupteur, et l'émetteur du transistor T21 est connecté à la broche Br2 de l'interrupteur. L'émetteur du transistor T11 et le collecteur du transistor T21 sont connectés à une première borne du circuit résonant 9. Le collecteur du transistor T31 est connecté à la broche Brl de l'interrupteur, et l'émetteur du transistor T41 est connecté à la broche Br2 de l'interrupteur. L'émetteur du transistor T31 et le collecteur du transistor T41 sont connectés à une deuxième borne du circuit résonant 9. Un condensateur d'amortissement Csn (« snubber ») et une diode Dep sont disposés en parallèle de chaque transistor T11 à T41. Le circuit résonnant 9 comprend entre sa première borne et sa deuxième borne une association en série d'une inductance Ls et une association en parallèle d'un condensateur Cp avec un enroulement primaire Prim d'un transformateur 12 Le transformateur 12 comprend un enroulement secondaire Sec connecté à une troisième borne et à une quatrième borne du circuit résonnant 9. Les troisième et quatrième bornes sont reliées au deuxième étage onduleur 10 qui comprend quatre transistors T12, T22, T32 et T42. Le collecteur du transistor T12 est connecté une armature d'un condensateur de filtrage 13, et l'émetteur du transistor T22 est connecté une autre armature du condensateur de filtrage 13.
L'émetteur du transistor T12 et le collecteur du transistor T22 sont connectés à la troisième borne du circuit résonant 9. Le collecteur du transistor T32 est connecté à une armature du condensateur 13, et l'émetteur du transistor T42 est connecté à l'autre l'armature du condensateur 13. L'émetteur du transistor T32 et le collecteur du transistor T42 sont connectés à la quatrième borne du circuit résonant 9. Un condensateur d'amortissement Csn (« snubber ») et une diode Dep sont disposés en parallèle de chaque transistor T12 à T42. Enfin, le condensateur 13 est relié à la batterie haute tension 3.
Sur la figure 2, on a représenté l'évolution du courant Ip traversant l'enroulement primaire Prim et de la tension Vp aux bornes de l'enroulement primaire Prim en fonction du temps, lors d'une charge de la batterie haute tension 3 par une connexion au réseau d'alimentation 2.
Dans une première phase PH1, les transistors T11 et T41 sont commandés pour être conducteurs, on obtient une tension Vp positive. Le courant Ip est croissant dans cette phase PH1. La phase PH1 a une durée notée Tt(n). On peut ensuite bloquer les transistors T11 et T41, pour permettre une conduction à travers les diodes Dep disposées en parallèle des transistors T21 et T31 (phase PH2). Lorsque le courant Ip s'annule, on peut commander les transistors T21 et T31 pour être conducteurs (phase PH3). La phase PH3 a une durée notée Tt(n+1). Dans la phase suivante PH4, le courant circule dans les diodes Dep des transistors T11 et T41.
Dans cet exemple, on a commandé les transistors T11 à T41 pour être conducteurs dès que la tension aux bornes des transistors (émetteur - collecteur) s'annule ou passe en dessous d'un seuil défini. On obtient ainsi une commutation sans pertes. Le blocage des transistors est également sans pertes ou à pertes réduites grâce aux condensateurs d'amortissement Csn qui limite la tension aux bornes du transistor et donc la puissance dissipée lors du blocage. Par ailleurs, il est préférable de commander les fréquences de commutations (durées Tt(n) et Tt(n+1)) pour avoir une fréquence de commutation supérieure à la fréquence de résonnance du circuit résonant 8. Aussi, c'est la durée des phases Tt qui permet de contrôler la puissance à transférer à la batterie haute tension 3. Sur la figure 3, on a représenté schématiquement un exemple de commande de la fréquence de commutation (et donc de la durée Tt(n), Tt(n+1)).
Le courant Ip est comparé à une valeur de courant Ipref choisie en fonction de la puissance à transférer à la batterie haute tension. Ipref est obtenu par la formule Ipref = P consigne/Vres. Avec P consigne correspondant à la puissance instantanée que l'on souhaite obtenir du réseau d'alimentation. Puis, le résultat de cette différence est corrigé, par exemple au moyen d'un correcteur proportionnel intégral. Une compensation statique peut ensuite additionnée à la valeur corrigée pour obtenir la fréquence de commutation Freq.
On peut noter que lors du fonctionnement DC/DC, l'étage onduleur le plus proche de la batterie à décharger peut fonctionner avec une commande de ses transistors ayant un rapport cyclique de 50% et une fréquence correspondant à la valeur de la tension désirée pour charger l'autre batterie.
Grâce à l'invention, on utilise un unique dispositif pour mettre en oeuvre des fonctions de conversion AC/DC et également DC/DC dans les deux sens. L'invention permet d'utiliser un faible nombre de composants par rapport aux dispositifs de l'art antérieur utilisant plusieurs modules distincts. Aussi, l'invention permet d'utiliser des transistors bipolaires à grille isolée, moins chers que des transistors MOS.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif de gestion de batteries de véhicule automobile, le véhicule comprenant une batterie haute tension (3) d'alimentation d'un moteur électrique et une batterie basse tension (7), caractérisé en ce qu'il comprend un premier étage onduleur (8) destiné à être raccordé à un réseau d'alimentation (2) ou à la batterie basse tension et un circuit résonant (9) raccordé d'une part au premier étage onduleur et d'autre part à un deuxième étage onduleur (10) raccordé à la batterie haute tension du véhicule.
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le premier étage onduleur est connecté à une première partie du circuit résonant comprenant une inductance (Ls) connectée en série à un enroulement primaire (Prim) d'un transformateur (12) et un condensateur (Cp) connecté en parallèle à l'enroulement primaire, le deuxième étage onduleur étant connecté à une deuxième partie du circuit résonant comprenant l'enroulement secondaire (Sec) du transformateur.
  3. 3. Dispositif selon la revendication 2, comprenant en outre des moyens de commande de la fréquence de commutation des onduleurs (8, 10) aptes à réguler le courant circulant dans ledit enroulement primaire autour d'une valeur de référence.
  4. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier et le deuxième étage onduleur comprennent une pluralité de transistors bipolaires à grille isolée (T11, T21, T31, T41, T12, T22, T32, T42) et dans lequel un condensateur (Csn) est connecté en parallèle sur chaque transistor bipolaire à grille isolée.
  5. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un interrupteur (6) à deux broches (Brl, Br2) apte à connecter le premier étage onduleur au réseau d'alimentation ou à la batterie basse tension.
  6. 6. Procédé de gestion de batteries de véhicule automobile, le véhicule comprenant une batterie haute tension (3) d'alimentation d'un moteur électrique et une batterie basse tension (7), caractérisé en ceque le véhicule comprend un dispositif (1) comportant un premier étage onduleur (8), un circuit résonant (9) raccordé d'une part au premier étage onduleur et d'autre part à un deuxième étage onduleur (10) raccordé à la batterie haute tension du véhicule, et on commande le premier étage onduleur et le deuxième étage onduleur pour charger la batterie haute tension à partir d'un réseau d'alimentation (2) connecté au premier étage onduleur ou à la batterie basse tension connectée au premier étage onduleur, ou pour charger la batterie basse tension à partir de la batterie haute tension.
  7. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le premier et le deuxième étage onduleur comprennent une pluralité de transistors bipolaires à grille isolée (T11, T21, T31, T41, T12, T22, T32, T42) et sur chaque transistor bipolaire à grille isolée un condensateur (Csn) est connecté en parallèle, et pour charger la batterie haute tension à partir d'un réseau d'alimentation, on commande les interrupteurs du premier étage onduleur à une fréquence supérieure à la fréquence de résonnance dudit circuit résonant.
  8. 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, dans lequel le circuit résonant comprend un transformateur (12) muni d'un enroulement primaire (Prim) et d'un enroulement secondaire (Sec) et pour charger la batterie haute tension à partir d'un réseau d'alimentation on régule le courant (Ip) circulant à travers l'enroulement primaire autour d'une valeur de référence (Ipref).
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