FR3007227A1 - Procede de gestion d'une charge alimentee par un convertisseur lui-meme alimente par une batterie, et systeme correspondant - Google Patents

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Abstract

Procédé et système correspondant de gestion d'une charge alimentée par un convertisseur lui-même alimenté par une batterie comprenant des modules pouvant être commutés, un condensateur étant disposé entre la batterie et le convertisseur. Le procédé comprend : - on détecte une commande de commutation (E01), - si une commande de commutation est détectée, le convertisseur fournit une puissance faible à la charge (E02), - on effectue la commutation (E03), - si la commutation est effectuée, le convertisseur fournit une puissance normale à la charge (E04). L'invention trouve application dans la gestion des groupes motopropulseurs de véhicules automobiles à traction électrique ou hybride.

Description

Procédé de gestion d'une charge alimentée par un convertisseur lui-même alimenté par une batterie, et système correspondant L'invention concerne les systèmes munis de batteries, en particulier les systèmes munis de batteries formées par des modules de batterie disposés en série, et notamment les véhicules automobiles à traction électrique ou hybride. En général, on utilise dans ces systèmes un convertisseur électrique pour alimenter une charge à partir du courant continu qui peut être fourni par une batterie. On utilise notamment des convertisseurs tels que des onduleurs pour fournir à un moteur électrique des courants sinusoïdaux, par exemple des courants triphasés. Le convertisseur et le moteur forment un groupe motopropulseur. Les batteries peuvent être composées d'une pluralité de modules de batterie disposés en série, et les modules peuvent être indépendamment mis en série ou non, c'est-à-dire commutés. En d'autres termes, selon la tension que l'on souhaite fournir à la charge, on active un nombre plus ou moins élevé de modules de batterie. La tension aux bornes d'une batterie peut donc varier pendant le fonctionnement d'un système. De manière classique, un condensateur est disposé entre la batterie et la charge de manière à lisser les courants hautes fréquences mais également les courants transitoires absorbés par le convertisseur. Lorsque la batterie (c'est-à-dire l'ensemble des modules) est raccordée au moyen de relais au convertisseur, par exemple au sein d'un véhicule lors du démarrage, de forts courants transitoires apparaissent et peuvent endommager les composants, par exemple le condensateur, les relais utilisés ou encore les interrupteurs de puissance. Aussi, lorsque la tension aux bornes de la batterie varie, des courants peuvent apparaitre, puisque la batterie et le condensateur se comportent tous les deux comme des générateurs de tension. Aussi, des à-coups générés par le moteur peuvent apparaitre quand la tension varie aux bornes de la batterie.
De ce fait, on charge généralement le condensateur pour que la tension aux bornes de ce condensateur soit égale à la tension aux bornes de la batterie après qu'elle ait variée. On pourra se référer à la demande de brevet européen EP 2 361 799 qui décrit un système pour augmenter la tension aux bornes du condensateur avant de raccorder le groupe motopropulseur, c'est-à- dire un système de pré-charge du condensateur. Ce document propose notamment d'utiliser une résistance pour former un circuit de type R-C pour charger le condensateur. Ce système a pour inconvénient de ne pas permettre d'obtenir une charge complète du condensateur, la durée de chargement ayant une durée trop longue. Ce système a également pour inconvénient de rajouter une résistance en série au système. Ce système ne peut donc qu'être utilisé au démarrage du véhicule du fait de cette résistance. Il n'est donc pas adapté à l'activation ou à la désactivation d'un module de batterie pendant le fonctionnement du véhicule. On pourra également se référer à la demande de brevet américain US 2012/0025768 qui décrit un système de pré-charge d'un condensateur comportant une résistance de faible valeur, et un ensemble d'interrupteurs pour améliorer la pré-charge du condensateur. Ce système n'est pas non plus utilisable pendant le fonctionnement du véhicule. La demande de brevet internationale WO 2009/077668 décrit un système de pré-charge d'un condensateur dans lequel on connecte un interrupteur en série avec le condensateur, et on commande cet interrupteur avec un signal à modulation de largeur d'impulsion dont le rapport cyclique varie. Cette solution a pour inconvénient d'augmenter l'impédance de la branche comportant le condensateur. Enfin, on pourra se référer à la demande de brevet français FR 2 923 962 qui décrit un autre système de pré-charge d'un condensateur utilisant un convertisseur de puissance de type « boost », mais qui a également pour inconvénient d'augmenter l'impédance de la branche comportant le condensateur. Il est dès lors impossible d'utiliser ce système pendant le fonctionnement du véhicule à cause des pertes trop importantes dues à l'augmentation de l'impédance. L'invention a donc pour but de limiter l'apparition de courants élevés, parfois appelés sur-courants, lors d'une commutation de modules de la batterie, et d'empêcher les à-coups qui peuvent apparaître lors de ces commutations.
Selon un premier aspect, l'invention a pour objet un procédé de gestion d'une charge alimentée par un convertisseur lui-même alimenté par une batterie comprenant des modules pouvant être commutés, un condensateur étant disposé entre la batterie et le convertisseur. Selon une caractéristique générale du procédé : - on détecte une commande de commutation, - si une commande de commutation est détectée, le convertisseur fournit une puissance faible à la charge, - on effectue la commutation, - si la commutation est effectuée, le convertisseur fournit une puissance normale à la charge. Par puissance normale, on entend notamment une puissance qui n'est pas limitée, et qui, par exemple pour un véhicule automobile, correspond à la commande désirée par le conducteur. En d'autres termes, lorsque le convertisseur fournit une puissance normale à la charge, on cesse de fournir une puissance faible à la charge, sauf si le convertisseur était d'ores et déjà destiné à fonctionner à faible puissance (véhicule roulant à faible vitesse). Une batterie comprenant des modules pouvant être commutés est une batterie dans laquelle on peut mettre en série à tout moment des modules supplémentaires ou encore les déconnecter. Ces commutations sont, à titre indicatif, commandées par un organe de gestion de batterie généralement désigné sous l'acronyme anglo-saxon « BMS : Battery Management System ». Ces commutations peuvent être mises en oeuvre à tout moment, à titre d'exemple, au sein d'un véhicule, elles peuvent être mise en oeuvre pendant que le véhicule roule, pendant une charge, ou encore pendant une phase de freinage régénératif. Lorsqu'une commande de commutation est appliquée, la tension aux bornes de la batterie varie, et les inventeurs ont observé qu'il est particulièrement intéressant de commander le convertisseur pour qu'il puisse fournir une puissance faible à la charge pour empêcher les sur-courants et éviter l'apparition des à-coups. En fournissant une puissance faible à la charge, on limite la quantité de courant qui peut circuler jusqu'à la charge pendant que l'on charge simultanément le condensateur. Après avoir mis en oeuvre la commutation correspondant à la commande de commutation, on peut fournir une puissance normale qui n'est pas limitée. En outre, le convertisseur peut fournir une puissance nulle à la charge. On peut ouvrir une pluralité d'interrupteurs dudit convertisseur pour fournir une puissance nulle à la charge, par exemple tous les interrupteurs d'un onduleur. En variante, on peut ouvrir un interrupteur disposé entre le condensateur et le convertisseur pour fournir une puissance nulle à la charge. Cet interrupteur peut ensuite être fermé à la fin de la charge du condensateur pour permettre un fonctionnement normal du système. La charge peut être une machine électrique d'un groupe motopropulseur de véhicule automobile traction électrique ou hybride. Selon un autre aspect, l'invention a pour objet un système de gestion d'une charge alimentée par un convertisseur lui-même alimenté par une batterie comprenant des modules pouvant être commutés, un condensateur étant disposé entre la batterie et le convertisseur.
Selon une caractéristique générale de cet aspect, le système comprend : - des moyens configurés pour détecter une commande de commutation (9), et - des moyens configurés pour fournir une puissance faible à la charge commandés par lesdits moyens configurés pour détecter une commande de commutation (11, 12, 15). Lesdits moyens configurés pour fournir une puissance faible à la charge peuvent être configurés pour fournir une puissance nulle à la charge. Lesdits moyens configurés pour fournir une puissance faible à la charge sont configurés pour fournir une puissance nulle à la charge comprennent des moyens configurés pour ouvrir une pluralité d'interrupteurs dudit convertisseur. Le système peut comprendre en outre un interrupteur disposé entre le condensateur et le convertisseur. Selon encore un autre aspect, l'invention a pour objet un véhicule automobile à traction électrique ou hybride comprenant une machine électrique d'un groupe motopropulseur formant ladite charge et comprenant ledit système. 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 représente de manière schématique un système selon l'art antérieur, - la figure 2 représente de manière schématique différentes étapes d'un procédé selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, - les figures 3 et 4 représentent de manière schématique deux variantes de modes de réalisations de l'invention. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un système de gestion d'une charge selon l'art antérieur. Ce système peut être embarqué au sein d'un véhicule automobile à traction électrique ou hybride. Ce système comprend une batterie 1, comprenant par exemple une pluralité de modules de batterie qui peuvent être connectés en série pour obtenir une tension aux bornes de la batterie égale à la somme des tensions aux bornes de chacun des modules connectés. Les modules de cette batterie peuvent être commutés. Le système comprend également un condensateur 2 dont les deux armatures sont reliées aux bornes positives et négatives de la batterie 1. C'est le condensateur 2 que l'on pré-charge dans les solutions de l'art antérieur pour le protéger ainsi que les autres composants par exemple lors d'un démarrage de véhicule (raccordement de la batterie 1) ou lors de la connexion ou commutation d'un module de batterie.
Le condensateur 2 est également relié à un groupe motopropulseur 3, qui comprend un convertisseur 4, ici un onduleur, et une charge 5, ici un moteur triphasé qui comporte des pièces mécaniques qui peuvent être endommagées lors de l'apparition de courants trop élevés lors du raccordement de la batterie ou d'un module de batterie. L'étage onduleur 4 comprend une pluralité d'interrupteurs 6, ici des transistors bipolaires à grille isolée destinés à commander la charge 5 avec des courants triphasés sur trois connexions 7. En parallèle de chaque interrupteur 6, une diode 8 est connectée.
Sur la figure 2, on a représenté de manière schématique les étapes d'un procédé de gestion d'une charge selon l'invention, par exemple un moteur électrique, alimentée par un convertisseur, par exemple un onduleur 4 qui est alimenté par une batterie comprenant des modules pouvant être commutés, par exemple une batterie 1.
Dans une première étape E01, on détecte une commande de commutation, par exemple une commande émise par un organe de type BMS, ou tout autre organe capable de contrôler la commutation des modules de batterie. Si une telle commande est détectée, on peut mettre en oeuvre l'étape E02 dans laquelle le convertisseur fournit une puissance faible à la charge (E02). Le convertisseur peut également fournir une puissance nulle à la charge, par exemple en ouvrant un ou plusieurs interrupteurs pour empêcher la circulation du courant vers la charge.
On peut noter qu'il est possible, avant de limiter totalement la puissance ou d'appliquer une puissance nulle, de réduire progressivement la puissance à fournir. A titre indicatif, on peut appliquer la puissance faible (ou nulle) une fois qu'un seuil de courant est franchi. A cet effet, on peut utiliser des moyens configurés pour mesurer le courant. Il est ensuite possible de mettre en oeuvre la commutation (E03) sans voir apparaitre de courants ou sur-courants. On peut connaître la durée de la commutation d'un ou de plusieurs modules, cette durée étant généralement fixe. On pourra avantageusement choisir une durée de commutation longue, notamment plus longue que la durée de l'asservissement du convertisseur. On obtient ainsi une commutation qui est imperceptible pour le conducteur d'un véhicule puisqu'elle ne produit pas d'à-coups.
Aussi, la durée pendant laquelle on fournit une puissance faible à la charge est plus longue que la durée nécessaire pour mettre en oeuvre une commutation. Toutefois, cette durée est suffisamment courte pour être imperceptible par le conducteur. Il convient alors d'utiliser des composants suffisamment rapides pour mettre en oeuvre l'étape E02 sans qu'un conducteur de véhicule ne puisse observer que le groupe-motopropulseur fonctionne de manière limitée ou est déconnecté. Après la commutation, on peut fournir une puissance normale à la charge (étape E04).
Sur la figure 3, on a représenté un système SYS de gestion d'une charge 5, ici un moteur électrique, alimentée par un convertisseur 4, ici un onduleur. Les éléments portant les mêmes références numériques sont identiques à ceux de la figure 1. Le système SYS peut être intégré au sein d'un calculateur de véhicule, par exemple au sein d'une unité de commande électronique. Le système SYS comprend des moyens 9 configurés pour détecter une commande de commutation. Les moyens 9 peuvent mettre en oeuvre l'étape E01 décrite en se référant à la figure 2.
En outre, le système SYS comprend des moyens 11 configurés pour commander un interrupteur 12 et mettre en oeuvre l'étape E02, dans laquelle on fournit ici une puissance nulle à la charge puisque l'alimentation du convertisseur est coupée en ouvrant l'interrupteur.
Les moyens 11 de commande de l'interrupteur communiquent avec les moyens 9 au moyen d'une connexion électrique 13, et les moyens de commande de l'interrupteur commandent l'interrupteur au moyen d'une connexion électrique 14. L'interrupteur 12 est commandé pour être ouvert quand une commande de commutation est détectée, on peut ainsi charger le condensateur 2 sans fournir de puissance à la charge. Quand le condensateur 2 est chargé, et que la commutation est effectuée, on peut fermer l'interrupteur 12 pour permettre un fonctionnement normal du groupe motopropulseur 3 (étape E04).
Le mode de réalisation décrit en référence à la figure 3 permet d'isoler complètement le groupe motopropulseur dès qu'une commande de commutation est détectée. On peut noter que lors de l'utilisation du véhicule, le moteur fonctionne alors en roue-libre dès que l'interrupteur 12 est ouvert.
Le mode de réalisation décrit en se référant à la figure 4 diffère de celui décrit en se référant à la figure 3 en ce que le groupe motopropulseur 3 n'est pas complètement isolé de la batterie et du condensateur lors d'une variation de tension aux bornes de la batterie 1.
Sur la figure 4, on a représenté un système SYS' dans lequel les moyens 9 peuvent commander des moyens configurés pour commander les interrupteurs 6 du convertisseur 4. Un ensemble de connexions électriques 16 permet de commander les interrupteurs 6. Lors d'une détection d'une commande de commutation, on peut ouvrir tous les interrupteurs 6, ou, en variante, fournir une puissance très faible au moteur 5, c'est-à-dire une consigne de couple très faible. On limite ainsi la quantité de courant qui circule vers le moteur pendant que l'on charge le condensateur 2.
Le système SYS' peut être intégré au sein d'un calculateur déjà présent dans le véhicule, par exemple le calculateur qui commande le convertisseur 4. Grâce à l'invention, on réduit fortement les pics de courants pouvant apparaitre lorsque l'on commute des modules de batterie. En outre, l'invention a pour avantage d'utiliser un nombre réduit de composants supplémentaires, et est donc avantageusement peu coûteuse.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de gestion d'une charge alimentée par un convertisseur lui-même alimenté par une batterie comprenant des modules pouvant être commutés, un condensateur étant disposé entre la batterie et le convertisseur, caractérisé en ce que : - on détecte une commande de commutation (E01), - si une commande de commutation est détectée, le convertisseur fournit une puissance faible à la charge (E02), - on effectue la commutation (E03), - si la commutation est effectuée, le convertisseur fournit une puissance normale à la charge (E04).
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le convertisseur fournit une puissance nulle à la charge.
  3. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel on ouvre une pluralité d'interrupteurs dudit convertisseur pour fournir une puissance nulle à la charge.
  4. 4. Procédé selon la revendication 2, dans lequel on ouvre un interrupteur disposé entre le condensateur et le convertisseur pour fournir une puissance nulle à la charge.
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la charge est une machine électrique d'un groupe motopropulseur de véhicule automobile à traction électrique ou hybride.
  6. 6. Système de gestion d'une charge (5) alimentée par un convertisseur (4) lui-même alimenté par une batterie (1) comprenant des modules pouvant être commutés, un condensateur (2) étant disposé entre la batterie et le convertisseur, caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens configurés pour détecter une commande de commutation (9), et - des moyens configurés pour fournir une puissance faible à la charge commandés par lesdits moyens configurés pour détecter une commande de commutation (11, 12, 15).
  7. 7. Système selon la revendication 6, dans lequel lesdits moyens configurés pour fournir une puissance faible à la charge sont configurés pour fournir une puissance nulle à la charge.
  8. 8. Système selon la revendication 6, dans lequel lesdits moyens configurés pour fournir une puissance faible à la charge sont configurés pour fournir une puissance nulle à la charge et comprennent des moyens configurés pour ouvrir une pluralité d'interrupteurs dudit convertisseur.
  9. 9. Système selon la revendication 7, comprenant en outre un interrupteur disposé entre le condensateur et le convertisseur.
  10. 10. Véhicule automobile à traction électrique ou hybride comprenant une machine électrique d'un groupe motopropulseur formant ladite charge et comprenant le système selon l'une quelconque des revendications 6 à 9.
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