FR3001845A1

FR3001845A1 - Device for supplying electrical motor of car with hybrid or electric traction, has capacitor connected in parallel to battery and positive and negative input terminals of inverter, and including capacity ranging between specific values

Info

Publication number: FR3001845A1
Application number: FR1350932A
Authority: FR
Inventors: Serge Loudot; Samuel Cregut; Hugues Doffin
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2014-08-08
Anticipated expiration: 2033-02-04
Also published as: FR3001845B1

Abstract

The device (1) has a capacitor (3) connected in parallel to a battery (6) and positive and negative input terminals (7a, 7b) of an inverter (2). The capacitor includes a capacity ranging between 100 and 500 microfarads. Coils (4a, 4b) are series-connected between respective terminals of the battery and the capacitor. Resistors are connected in parallel to the respective coils. An inductance of the coils lies between 10 and 20 microhenry. A control unit of the inverter is provided with a finite impulse response filter i.e. digital filter. The coils are coupled with the capacitor.

Description

Dispositif d'alimentation d'un moteur électrique de véhicule automobile et véhicule correspondant L'invention concerne l'alimentation de moteurs électriques, en particulier l'alimentation de moteurs électriques de véhicules automobiles à traction électrique ou hybride. Sur les véhicules électriques ou hybrides actuels, une batterie haute tension est reliée au moyen de câbles à un onduleur alimentant un moteur. De manière classique, les courants harmoniques générés par l'onduleur sont filtrés par l'ensemble formé par un condensateur d'entrée de l'onduleur et par l'impédance correspondant aux câbles et à la résistance de la batterie. Cela étant, cette impédance a une valeur qu'il est difficile de contrôler, et qui peut varier entre différents véhicules ou pour un même véhicule varier dans le temps. De ce fait, on utilise généralement des câbles blindés pour connecter l'onduleur à la batterie ainsi qu'un condensateur de filtrage en entrée de l'onduleur (appelé classiquement « capacité DC-link »). Il est également classique d'utiliser des condensateurs ayant une capacité comprise entre 750 et 1000 microfarads par exemple pour des véhicules de gamme moyenne. Ces valeurs de capacité sont considérées comme minimales pour obtenir un bon filtrage malgré les variations d'impédance de la batterie et des câbles. En général, on souhaite réduire la masse des éléments non recyclables au sein d'un véhicule automobile ainsi que le coût du véhicule. Plusieurs documents décrivent des condensateurs utilisés dans des alimentations de moteur électrique de véhicule alimenté par une caténaire. Les solutions décrites dans ces documents sont trop volumineuses pour être adaptées aux véhicules automobiles. Généralement dédiées aux alimentations par caténaire, ces solutions sont utilisées pour protéger les circuits électroniques des surtensions liées à ce type d'alimentation.The invention relates to the supply of electric motors, in particular the supply of electric motors of motor vehicles with electric or hybrid traction. On current electric or hybrid vehicles, a high voltage battery is connected by means of cables to an inverter supplying an engine. Conventionally, the harmonic currents generated by the inverter are filtered by the assembly formed by an input capacitor of the inverter and by the impedance corresponding to the cables and the resistance of the battery. However, this impedance has a value that is difficult to control, and which can vary between different vehicles or for the same vehicle vary over time. As a result, shielded cables are generally used to connect the inverter to the battery as well as a filtering capacitor at the input of the inverter (commonly referred to as "DC-link capability"). It is also conventional to use capacitors having a capacity of between 750 and 1000 microfarads, for example for medium-range vehicles. These capacitance values are considered minimal for good filtering despite variations in the impedance of the battery and the cables. In general, it is desired to reduce the mass of non-recyclable elements within a motor vehicle and the cost of the vehicle. Several documents describe capacitors used in catenary-powered vehicle electric motor power supplies. The solutions described in these documents are too voluminous to be adapted to motor vehicles. Generally dedicated to catenary power supplies, these solutions are used to protect the electronic circuits from overvoltages related to this type of power supply.

On pourra se référer au document JP 2008178217 qui décrit une solution destinée au domaine ferroviaire et aux véhicules alimentés par caténaire. Ce document décrit l'utilisation d'un thyristor et d'un éclateur.Reference can be made to JP 2008178217 which describes a solution for railroad and catenary powered vehicles. This document describes the use of a thyristor and a spark gap.

Le document JP 2003219504 concerne également les véhicules alimentés par caténaire et décrit une commande pour minimiser le courant d'appel sur la caténaire en cas de défaut. Le document JP 2011167047 décrit un véhicule qui peut être alimenté par caténaire ou par une batterie. Ce document décrit l'utilisation d'une inductance en série avec un pantographe et un éclateur dans un circuit annexe de décharge de la batterie. L'inductance de ce document ne sert pas à améliorer le fonctionnement de la chaîne de traction. Enfin, le document JP 2009081975 décrit un chargeur pour batteries auxiliaires qui comprend un filtre LC en sortie pour piloter le courant de charge de la batterie. Ce filtre ne permet pas de filtrer les harmoniques liées au fonctionnement d'un onduleur. L'invention a donc pour but de permettre d'obtenir un filtrage des harmoniques adapté à un véhicule automobile, de faciliter le recyclage du véhicule et de réduire son coût. Selon un aspect, il est proposé un dispositif d'alimentation d'un moteur électrique de véhicule automobile à traction électrique ou hybride, comprenant un onduleur, une batterie et un condensateur relié en parallèle à la batterie, par exemple par l'intermédiaire d'un câble, et en entrée de l'onduleur, par exemple par l'intermédiaire d'un moyen de connexion ayant une impédance faible tel qu'un bus-barre laminé très court. Selon une caractéristique générale du dispositif, la capacité du condensateur est comprise entre 100 et 500 microfarads, préférentiellement entre 200 et 500 microfarads. Alors que dans l'art antérieur on utilise des condensateurs ayant une capacité très élevée (entre 750 et 1000 microfarads), dans la présente invention, on utilise un condensateur ayant une capacité beaucoup plus faible, quand bien même une telle solution est déconseillée dans l'art antérieur car laissant passer trop de courants harmoniques dans la batterie. Les condensateurs ayant une capacité faible sont beaucoup moins volumineux et moins coûteux. Aussi, en réduisant la masse du condensateur, on réduit la masse non recyclable embarquée au sein du véhicule. Bien que cela ne soit pas obligatoirement nécessaire, on peut adapter la commande de l'onduleur, par exemple avec une commande plus élaborée ou plus complexe (par exemple un foisonnement entre bras d'onduleur ou une augmentation de la fréquence de la modulation) qui réduira les harmoniques de courant conduits liés à l'utilisation d'un condensateur ayant une capacité faible. Pour améliorer le filtrage des courants harmoniques, le dispositif peut comprendre une première bobine connectée en série entre une première borne de la batterie, par exemple la borne positive de la batterie, et le condensateur. Le dispositif peut comprendre une première résistance connectée en parallèle à la première bobine, pour obtenir un amortissement d'oscillations de courant.JP 2003219504 also relates to vehicles powered by catenary and describes a command to minimize the inrush current on the catenary in the event of a fault. JP 2011167047 discloses a vehicle that can be powered by catenary or a battery. This document describes the use of an inductance in series with a pantograph and a spark gap in an auxiliary circuit for discharging the battery. The inductance of this document does not serve to improve the operation of the power train. Finally, JP 2009081975 discloses a charger for auxiliary batteries which includes an output LC filter for driving the charging current of the battery. This filter does not filter the harmonics related to the operation of an inverter. The invention therefore aims to provide harmonic filtering adapted to a motor vehicle, to facilitate the recycling of the vehicle and reduce its cost. According to one aspect, there is provided a power supply device for an electric motor vehicle electric traction or hybrid, comprising an inverter, a battery and a capacitor connected in parallel with the battery, for example via a cable, and input of the inverter, for example via a connection means having a low impedance such as a bus bar very short rolled. According to a general characteristic of the device, the capacity of the capacitor is between 100 and 500 microfarads, preferably between 200 and 500 microfarads. While in the prior art capacitors having a very high capacitance (between 750 and 1000 microfarads) are used, in the present invention a capacitor with a much lower capacitance is used, even though such a solution is not recommended in the present invention. prior art because allowing too much harmonic currents in the battery. Capacitors with low capacitance are much less bulky and less expensive. Also, by reducing the capacitor mass, it reduces the non-recyclable mass embedded in the vehicle. Although this is not necessarily necessary, it is possible to adapt the control of the inverter, for example with a more elaborate or more complex control (for example a proliferation between inverter arms or an increase in the frequency of the modulation) which will reduce the current-driven harmonics related to the use of a capacitor having a low capacitance. To improve the filtering of harmonic currents, the device may comprise a first coil connected in series between a first terminal of the battery, for example the positive terminal of the battery, and the capacitor. The device may comprise a first resistor connected in parallel with the first coil, to obtain a damping of current oscillations.

Le dispositif peut comprendre une deuxième bobine connectée en série entre une deuxième borne de la batterie, par exemple la borne négative de la batterie et le condensateur. Le dispositif peut comprendre une deuxième résistance connectée en parallèle à la deuxième bobine.The device may comprise a second coil connected in series between a second terminal of the battery, for example the negative terminal of the battery and the capacitor. The device may include a second resistor connected in parallel with the second coil.

L'inductance de la première bobine et l'inductance de la deuxième bobine peuvent être comprises entre 10 et 20 microhenry. Le dispositif peut comprendre des moyens de commande de l'onduleur munis d'un filtre à réponse impulsionnelle finie. La commande des interrupteurs d'un onduleur peut être élaborée à partir de la mesure de tension aux bornes du condensateur d'entrée de l'onduleur. En filtrant cette mesure avec un filtre à réponse impulsionnelle finie dont la fréquence d'échantillonnage est proche de la fréquence de commutation des interrupteurs on peut, grâce à la connaissance de la stratégie de commutation des interrupteurs, rejeter très efficacement les harmoniques de la mesure de tension (liés au passage du courant à filtrer dans une capacité de plus faible valeur) pour obtenir une bonne commande de l'onduleur. La première bobine ou la première et la deuxième bobine sont accolées au condensateur. En général, le condensateur d'entrée de l'onduleur est disposé dans un même boîtier que l'onduleur, on peut donc disposer la/les bobine(s) dans ce boîtier. On peut noter que l'impédance obtenue par l'association du condensateur et de la/des bobine(s) permet de filtrer les courants harmoniques et de ce fait ces derniers ne circulent pas dans les câbles reliant l'onduleur à la batterie. D'autre part, l'essentiel des harmoniques de tension sont aux bornes de la ou des inductances additionnelles ce qui réduit très fortement l'amplitude des variations de potentiel des câbles entre batterie et onduleur. On peut donc utiliser des câbles qui ne sont pas blindés et qui sont donc moins coûteux. Selon un autre aspect, il est proposé un véhicule automobile à traction électrique ou hybride comprenant ledit dispositif. 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 : - les figures 1 à 3 illustrent différents modes de réalisation selon l'invention. Sur la figure 1, on a représenté un dispositif d'alimentation 1 d'un moteur électrique (non représenté) de véhicule automobile. Ce dispositif comprend un onduleur 2, un condensateur 3 et deux bobines 4a et 4b. Deux câbles 5a et 51) relient les deux bobines aux bornes positives et négatives d'une batterie 6. Plus précisément, les deux bobines 4a et 4b sont disposées en série avec les câbles 5a et 51) respectivement jusqu'à une borne d'entrée positive 7a de l'onduleur et jusqu'à une borne d'entrée négative 7b de l'onduleur. Le condensateur 3 est disposé entre les deux bornes 7a et 7b de l'onduleur. De ce fait, le condensateur 3 se retrouve en parallèle de la batterie 6.The inductance of the first coil and the inductance of the second coil may be between 10 and 20 microhenry. The device may comprise control means of the inverter provided with a finite impulse response filter. The control of the switches of an inverter can be developed from the voltage measurement across the input capacitor of the inverter. By filtering this measurement with a finite impulse response filter whose sampling frequency is close to the switching frequency of the switches, it is possible, thanks to the knowledge of the switching strategy of the switches, to reject very effectively the harmonics of the measurement of voltage (related to the passage of the current to be filtered in a capacity of lower value) to obtain a good control of the inverter. The first coil or the first and the second coil are contiguous to the capacitor. In general, the input capacitor of the inverter is arranged in the same housing as the inverter, so we can arrange the coil (s) in this housing. It can be noted that the impedance obtained by the combination of the capacitor and the coil (s) makes it possible to filter the harmonic currents and therefore these currents do not circulate in the cables connecting the inverter to the battery. On the other hand, most of the voltage harmonics are at the terminals of the additional inductance or inductances, which greatly reduces the amplitude of the potential variations of the cables between the battery and the inverter. It is therefore possible to use cables which are not shielded and which are therefore less expensive. In another aspect, there is provided an electric or hybrid traction motor vehicle comprising said device. Other objects, features and advantages will appear on reading the following description given solely as a non-limitative example and with reference to the appended drawings in which: FIGS. 1 to 3 illustrate various embodiments according to the invention . In Figure 1, there is shown a supply device 1 of an electric motor (not shown) of a motor vehicle. This device comprises an inverter 2, a capacitor 3 and two coils 4a and 4b. Two cables 5a and 51) connect the two coils to the positive and negative terminals of a battery 6. More specifically, the two coils 4a and 4b are arranged in series with the cables 5a and 51) respectively up to an input terminal positive 7a of the inverter and up to a negative input terminal 7b of the inverter. The capacitor 3 is disposed between the two terminals 7a and 7b of the inverter. As a result, the capacitor 3 is in parallel with the battery 6.

La valeur de la capacité d'entrée du condensateur peut être comprise entre 200 et 500 microfarads. On peut donc utiliser un condensateur beaucoup moins volumineux que ceux utilisés dans l'art antérieur qui ont des valeurs de l'ordre de 750 à 1000 microfarads. En outre d'avoir une masse et un encombrement plus faible, les condensateurs utilisés dans l'invention sont beaucoup moins coûteux. Bien qu'on ait représenté deux bobines 4a et 4b sur la figure, il est tout à fait possible de n'utiliser qu'une seule bobine, par exemple la bobine 4a. L'inductance des bobines peut être choisie entre 10 et 20 microhenry. En utilisant les deux bobines 4a et 4b, on peut répartir cette valeur d'inductance sur les deux branches, et utiliser des inductances plus petites, c'est-à-dire au voisinage de 10 microhenry. De préférence, on positionne les bobines 4a et 4b à proximité du condensateur 3. Par exemple, on peut disposer les bobines 4a et 4b au sein d'un boîtier dans lequel sont situés l'onduleur 2 et le condensateur 3. Ainsi, on filtre les courants harmoniques qui ne circuleront pas dans les câbles 5a et 51) et l'on peut utiliser des câbles qui ne sont pas blindés. L'onduleur 2 comprend un ensemble d'interrupteurs, plus précisément des transistors bipolaires à grille isolée 8 sur lesquels des diodes 9 sont montées en parallèle. Les transistors bipolaires à grille isolée 8 et les diodes sont disposés sur trois branches entre les bornes 7a et 7b et peuvent délivrer trois phases de courant. On peut noter que le facteur de qualité du circuit formé par une bobine et le condensateur 3 augmente proportionnellement avec l'inductance de la bobine 4a par exemple. Afin d'amortir les phénomènes de résonance, on peut positionner une résistance en parallèle de la/des bobine(s), comme illustré sur la figure 2. Sur cette figure, on a représenté le dispositif 1 comprenant l'onduleur 2, le condensateur 3 et les bobines 4a et 4b, et, connectées en parallèle des bobines 4a et 4b, des résistances 10a et 10b ont été représentées. On peut noter qu'à titre d'exemple, le circuit formé par la bobine 4a, la résistance 10a et le condensateur 3 a un facteur de Lfo 27c qualité s'écrivant : avec L l'inductance de la bobine 4a, fo la fréquence de résonnance du circuit et R la résistance de la bobine 4a. L'ajout de la résistance 10a (et éventuellement de la résistance 10b) permet donc de réduire ce facteur de qualité et de réduire la résonnance. L'utilisation de bobines supplémentaires permet également de réduire la sensibilité du circuit aux variations de l'impédance de la batterie. Plus précisément, sans bobines, des variations de plus ou moins 30% autour d'une valeur nominale de l'impédance de la batterie induisent des variations de fréquence de coupure de la fonction de transfert correspondant au rapport entre le courant circulant à travers la batterie et le courant circulant dans l'onduleur de l'ordre de -70% à +100%. En utilisant des bobines supplémentaires, ces variations de fréquence de coupure sont de l'ordre de -30% à 30%.The value of the input capacitance of the capacitor can be between 200 and 500 microfarads. It is therefore possible to use a capacitor much less voluminous than those used in the prior art which have values of the order of 750 to 1000 microfarads. In addition to having a mass and a smaller footprint, the capacitors used in the invention are much less expensive. Although there is shown two coils 4a and 4b in the figure, it is quite possible to use only one coil, for example the coil 4a. The inductance of the coils can be chosen between 10 and 20 microhenry. By using the two coils 4a and 4b, it is possible to distribute this inductance value on the two branches, and to use smaller inductances, that is to say around 10 microhenry. Preferably, the coils 4a and 4b are positioned near the capacitor 3. For example, the coils 4a and 4b can be arranged in a housing in which the inverter 2 and the capacitor 3 are located. the harmonic currents that will not flow in the cables 5a and 51) and cables that are not shielded can be used. The inverter 2 comprises a set of switches, more precisely insulated gate bipolar transistors 8 on which diodes 9 are connected in parallel. The insulated gate bipolar transistors 8 and the diodes are arranged on three branches between the terminals 7a and 7b and can deliver three current phases. It may be noted that the quality factor of the circuit formed by a coil and the capacitor 3 increases proportionally with the inductance of the coil 4a for example. In order to dampen the resonance phenomena, it is possible to position a resistor in parallel with the coil (s), as illustrated in FIG. 2. This figure shows the device 1 comprising the inverter 2, the capacitor 3 and the coils 4a and 4b, and, connected in parallel with the coils 4a and 4b, resistors 10a and 10b have been shown. It may be noted that, by way of example, the circuit formed by the coil 4a, the resistor 10a and the capacitor 3 has a factor of Lfo 27c quality. With L the inductance of the coil 4a, fo the frequency circuit resonance and R the resistance of the coil 4a. The addition of the resistor 10a (and possibly of the resistor 10b) thus makes it possible to reduce this quality factor and to reduce the resonance. The use of additional coils also makes it possible to reduce the sensitivity of the circuit to variations in the impedance of the battery. More precisely, without coils, variations of plus or minus 30% around a nominal value of the impedance of the battery induce variations in the cut-off frequency of the transfer function corresponding to the ratio of the current flowing through the battery. and the current flowing in the inverter in the range of -70% to + 100%. By using additional coils, these cutoff frequency variations are in the range of -30% to 30%.

L'invention peut fonctionner sur tout type de batterie, par exemple, on peut utiliser une batterie mettant en oeuvre une commutation de modules pour assurer un équilibre de la charge des cellules mises en série. Sur la figure 3, on a représenté une variante de l'invention dans laquelle on a raccordé le dispositif 1 à une batterie mettant en oeuvre une commutation de modules 6'. Sur la figure 3, on a représenté 3 modules de batterie 11. Chaque module de batterie 11 comprend un ensemble de cellules de batterie 12, deux interrupteurs 13 destinés à la commutation des modules. La borne positive 14a de la batterie 6' est connectée en série au câble 5a à travers une bobine 15a. Ainsi, on peut davantage réduire la valeur de l'inductance de la bobine 4a qui est disposée en série avec une autre bobine 15a. La borne négative 14b de la batterie 6b est connectée au câble 51) à travers une bobine 15b.The invention can operate on any type of battery, for example, a battery can be used implementing a switching of modules to ensure a balance of the load cells placed in series. FIG. 3 shows a variant of the invention in which the device 1 has been connected to a battery implementing a switching of modules 6 '. In FIG. 3, 3 battery modules 11 are shown. Each battery module 11 comprises a set of battery cells 12, two switches 13 intended for switching the modules. The positive terminal 14a of the battery 6 'is connected in series with the cable 5a through a coil 15a. Thus, one can further reduce the value of the inductance of the coil 4a which is arranged in series with another coil 15a. The negative terminal 14b of the battery 6b is connected to the cable 51) through a coil 15b.

Ainsi, on peut diminuer davantage la valeur de l'inductance des bobines 4a et 4b qui sont disposées en série avec les bobines 15a et 15b disposées classiquement aux bornes d'une batterie mettant en oeuvre des commutations de modules.Thus, it is possible to further reduce the value of the inductance of the coils 4a and 4b which are arranged in series with the coils 15a and 15b conventionally arranged at the terminals of a battery implementing module switching.

Enfin, on peut noter qu'il est possible d'utiliser un filtre à réponse impulsionnelle finie, c'est-à-dire un filtre numérique, au sein des moyens de commande des interrupteurs de l'onduleur, c'est-à-dire dans les moyens de commande des transistors bipolaires à grille isolée 8. Grâce à l'invention, on obtient un véhicule automobile qui comprend une masse non recyclable réduite par rapport à l'art antérieur.Finally, it can be noted that it is possible to use a finite impulse response filter, that is to say a digital filter, within the control means of the inverter switches, ie in the control means of the insulated gate bipolar transistors 8. Thanks to the invention, a motor vehicle is obtained which comprises a reduced non-recyclable mass compared to the prior art.

Claims

REVENDICATIONS1. Power supply device for a motor vehicle electric motor with electric or hybrid traction, comprising an inverter (2), a battery (6) and a capacitor (3) connected in parallel with the battery and at the input of the inverter, characterized in that the capacity of the capacitor is between 100 and 500 microfarads.

2. Device according to claim 1, comprising a first coil (4a) connected in series between a first terminal of the battery and the capacitor.

3. Device according to claim 2, comprising a first resistor (10a) connected in parallel with the first coil.

4. Device according to claim 2 or 3, comprising a second coil (4b) connected in series between a second terminal of the battery and the capacitor.

5. Device according to claim 4, comprising a second resistor (10b) connected in parallel with the second coil.

6. Device according to any one of claims 2 to 5, wherein the inductance of the first coil is between 10 and 20 microhenry.

7. Device according to claim 5 or 6, wherein the inductance of the second coil is between 10 and 20 microhenry.

8. Device according to any one of the preceding claims, comprising control means of the inverter (2) provided with a finite impulse response filter.

9. Device according to any one of claims 3 to 8, wherein the first coil (4a) or the first and the second coil (4b) are contiguous to the capacitor.

Electric or hybrid traction motor vehicle comprising the device according to any one of the preceding claims.