FR3014262A1

FR3014262A1 - Procede et systeme de commande d'un chargeur bidirectionnel pour vehicule automobile.

Info

Publication number: FR3014262A1
Application number: FR1361989A
Authority: FR
Inventors: Menouar Ameziani; Pierric Gueguen; Samuel Cregut; Walter Mazzola
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2015-06-05

Abstract

Procédé de commande d'un chargeur bidirectionnel comprenant un étage redresseur (1) connecté à un réseau d'alimentation électrique (3) et à un étage de conversion continu-continu (2) comprenant un premier ensemble de transistors connecté entre l'étage redresseur (1) et le premier enroulement d'un transformateur, le deuxième enroulement du transformateur étant relié à un deuxième ensemble de transistors connecté à la batterie (5). Le procédé comprend les étapes suivantes : on détermine la tension de batterie et la valeur maximale de la tension du réseau d'alimentation électrique, on détermine si la tension de batterie est supérieure à la tension de réseau maximale, si tel est le cas, on fixe la fréquence de commutation des transistors à la fréquence de résonance de l'étage de conversion, et si tel n'est pas le cas, on fixe la fréquence de commutation des transistors à la moitié de la fréquence de résonance de l'étage de conversion.

Description

Procédé et système de commande d'un chargeur bidirectionnel pour véhicule automobile.

L'invention a pour domaine technique la commande de la charge de batteries de véhicule automobile. Dans le cadre du développement de véhicules électriques à bas coût, le système de charge présente, au même titre que le groupe motopropulseur électrique (GMPe) ou la batterie haute tension (HT), un poste de coût important qu'il convient de réduire. La limitation de la puissance de recharge représente un premier moyen de réduire le coût du système de charge. Il convient ainsi d'associer au véhicule électrique un système de recharge dit « lente », c'est-à-dire qui prend son énergie sur le réseau monophasé avec une puissance inférieure ou égale à 7kW. Un tel chargeur absorbe typiquement 10A, 16A ou 32A sur le réseau monophasé et est compatible avec une prise domestique. Par ailleurs, les chargeurs de véhicules électriques sont actuellement non réversibles, c'est à dire que le flux d'énergie circule uniquement du réseau électrique vers la batterie. Dans le futur, il va être intéressant de disposer de chargeurs bidirectionnels, c'est-à-dire également capables de faire circuler de l'énergie de la batterie vers le réseau électrique. De tels chargeurs permettent, par exemple, de lisser la courbe de charge du réseau électrique en utilisant le stockage d'énergie que représente la batterie du véhicule branché. La batterie est ainsi chargée lors des creux de consommation durant lesquels l'infrastructure et les moyens de production sont sous-utilisés, et fournit de l'énergie lors des pics afin d'éviter l'utilisation de moyens de production peu utilisés et coûteux ainsi que de surcharger le réseau d'alimentation électrique. Dans ce cas, le déploiement massif du véhicule électrique n'implique pas d'investissements supplémentaires de production ou d'infrastructure, mais en revanche permet de lisser des pointes de consommations coûteuses à fournir (avec une énergie généralement très carbonée). Les chargeurs bidirectionnels permettent de faciliter le déploiement des énergies renouvelables en adaptant au mieux la consommation de l'énergie produite aux aléas de production propres aux énergie vertes et bénéficier d'une meilleure performance en termes d'émissions de dioxyde de carbone (CO2) du véhicule électrique tout en facilitant l'introduction de la production d'énergies renouvelables. Les chargeurs bidirectionnels permettent également de créer de nouvelles activités liées au contrôle et à l'optimisation de la consommation énergétique sans dégradation de service. Aujourd'hui, il est demandé au chargeur de réaliser la conversion d'énergie entre le réseau et la batterie. Cette conversion nécessite que le chargeur s'adapte à de larges plages de tension d'entrée (90V à 250V AC) et de tension de batterie (250V à 400V DC).

La figure 1 illustre les principaux éléments d'un chargeur qui comprennent un étage redresseur d'entrée 1 connecté au réseau 3 et assurant la fonction de correction de facteur de puissance, notée PFC (acronyme anglais pour « Power Factor Corrector ») et un étage de conversion continu-continu 2, noté DC/DC, permettant l'isolation galvanique de la batterie 5. Un filtre d'interférences électromagnétiques noté EMI (acronyme anglais pour « Electromagnetic interferences ») peut être disposé entre le réseau 3 et l'étage redresseur d'entrée, tandis qu'un filtre de sortie peut être disposé entre l'étage de conversion continu-continu et la batterie 5.

La difficulté réside dans le fait de pouvoir s'adapter à l'ensemble des niveaux de tension mentionnés ci-dessus sans sacrifier ni le rendement ni le coût de l'étage de conversion tout en gardant la possibilité de réaliser une charge bidirectionnelle. En ce qui concerne la charge bidirectionnelle des véhicules électriques, l'état de la technique repose aujourd'hui essentiellement sur des topologies non isolées, c'est-à-dire qu'il n'existe pas d'isolation galvanique entre le réseau et la batterie. En ce qui concerne la conception des chargeurs isolés, de manière générale, le premier étage est constitué d'une topologie boost permettant de réaliser la fonction PFC tout en étant élévateur de tension. Afin de limiter les pertes à la commutation et l'augmentation de fréquence (synonyme de réduction de coût, volume, poids), il est fortement recommandé que le second étage utilise un circuit résonnant.

Entre ces deux étages, une capacité électrolytique est positionnée afin de lisser le courant en courant constant et permettre de gérer un flux de puissance constant et non plus variable avec le carré d'un sinus. Le premier étage ayant une fonction élévateur de tension, la tension DC (bus DC) entre les deux étages se retrouve bien généralement supérieure à la tension batterie. Cela implique que l'étage DC/DC doit présenter un gain en tension inférieur à l'unité. Avec un circuit isolé résonnant, le gain total en tension est obtenu par le produit entre le facteur de transformation du transformateur et le gain du circuit résonnant. Le facteur de transformation est fixe et dépendant de la conception. Il ne peut pas aider à adapter le gain lors d'une charge de véhicule. Toutefois, lorsque l'on recharge un véhicule, la tension batterie varie en fonction de son état de charge noté SoC (acronyme anglais pour « State of Charge »), cela nécessite en temps réel que l'étage DC/DC adapte son gain pour permettre de convertir la tension du bus DC vers la tension batterie. Cette adaptation de tension ne peut être faite que par le fonctionnement du circuit résonnant.

Généralement, l'utilisation de la topologie résonnante série- parallèle LLC (acronyme faisant référence à l'emploi d'un circuit comprenant l'association de deux inductances notées chacune L et d'une capacité notée C) est appliquée dans le convertisseur DC/DC. La variation de la fréquence de commutation en cours de charge permet de faire varier le gain en tension du circuit résonnant. La fréquence utilisée est toujours supérieure à la fréquence propre fo du circuit résonnant, qui fonctionne alors dans un régime d'hyper-résonnance. L'utilisation d'un circuit résonnant en hyper-fréquence permet d'avoir des commutations douces à commutation à tension nulle ZVS (acronyme anglais pour « Zero Voltage Switching ») lors de la fermeture des transistors. Cependant, cette solution comporte deux problèmes importants. Un premier problème réside dans le fait que la dynamique de contrôle de la conversion DC/DC résonnant en hyper-fréquence dépend du flux de puissance le traversant. Pour régler ce problème, une capacité électrolytique (volumineuse, chère et peu fiable) doit être mise en place entre le PFC et le DC/DC afin de lisser le flux de puissance. Une telle capacité est notée 4 sur la figure 1.

Un deuxième problème réside dans le fait que le fonctionnement en hyper-fréquence permet de limiter les pertes lors de la fermeture des transistors mais pas lors de leur ouverture. Si la fréquence de commutation des interrupteurs est égale à la fréquence propre fo il est possible de combiner la fermeture en ZVS avec une limitation des pertes à l'ouverture en commutation à courant nul ZCS (acronyme anglais pour « Zero Current Switching »). De l'état de la technique, on connait les documents suivants. Le document US20110273130 divulgue un chargeur isolé bidirectionnel qui n'est toutefois pas utilisé pour des applications de charge de véhicules. Cependant, comme tous les chargeurs de ce type, il comprend un étage de rectification du courant effectué avec une capacité électrolytique qui présente un cout non négligeable. La demande de brevet de numéro de dépôt FR1255070 divulgue une topologie résonnante permettant de charger une batterie sans utiliser de correction de facteur de puissance. Cependant, le contrôle d'une telle topologie se fait à fréquence variable, induisant un fonctionnement en ZVS. Un tel fonctionnement génère des pertes par commutation non négligeables limitant la fréquence de fonctionnement. Cette limitation implique indirectement des couts supplémentaires. Le document US 577-116-5A divulgue un convertisseur en deux étages de type PFC boost et conversion continu continu (DC/DC). Cependant, ce convertisseur utilise une capacité électrolytique entre les deux étages de manière à lisser le flux de puissance dans le convertisseur. En outre, l'étage DC/DC ne permet pas de combiner les commutations ZVS et ZCS au niveau des transistors situés avant le circuit résonnant. Un objet de l'invention est un procédé de commande d'un chargeur bidirectionnel d'une batterie de véhicule automobile, le chargeur comprenant un étage redresseur connecté en entrée à un réseau d'alimentation électrique et en sortie à un étage de conversion continu-continu et à une capacité, l'étage de conversion continu-continu étant connecté à la batterie. L'étage de conversion continu- continu comprend un premier ensemble de transistors connecté en entrée à l'étage redresseur et en sortie en série à un circuit résonnant et au premier enroulement d'un transformateur. Le deuxième enroulement du transformateur est relié à un deuxième ensemble de transistors, le deuxième ensemble étant relié par ailleurs à la batterie.

Le procédé comprend les étapes suivantes : on commande le deuxième ensemble de transistors dans un état passant, on détermine la tension de batterie et la valeur maximale de la tension du réseau d'alimentation électrique, on détermine si la tension de batterie est supérieure à la tension de réseau maximale, si tel est le cas, on fixe la fréquence de commutation des transistors du premier ensemble à la fréquence de résonance de l'étage de conversion, et si tel n'est pas le cas, on fixe la fréquence de commutation des transistors du premier ensemble à la moitié de la fréquence de résonance de l'étage de conversion. Un autre objet de l'invention est un système de commande d'un chargeur bidirectionnel d'une batterie de véhicule automobile, le chargeur comprenant un étage redresseur connecté en entrée à un réseau d'alimentation électrique et en sortie à un étage de conversion continu-continu et à une capacité, l'étage de conversion continu-continu étant connecté à la batterie. L'étage de conversion continu-continu comprend un premier ensemble de transistors connecté en entrée à l'étage redresseur et en sortie en série à un circuit résonnant et au premier enroulement d'un transformateur. Le deuxième enroulement du transformateur est relié à un deuxième ensemble de transistors, le deuxième ensemble étant relié par ailleurs à la batterie.

Le système comprend un moyen de commande du deuxième ensemble de transistors dans un état passant, un moyen de détermination de la tension de batterie et de la valeur maximale de la tension du réseau d'alimentation électrique, et un moyen de comparaison de la tension de batterie à la tension de réseau maximale apte à fixer la fréquence de commutation des transistors du premier ensemble à la fréquence de résonance de l'étage de conversion si la tension de batterie est supérieure à la tension de réseau maximale. Le moyen de comparaison est apte à fixer la fréquence de commutation des transistors du premier ensemble à la moitié de la fréquence de résonance de l'étage de conversion si la tension de batterie est supérieure à la tension de réseau maximale. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre les principaux éléments d'un chargeur bidirectionnel, et - la figure 2 illustre les principaux éléments d'un étage de conversion continu-continu 2 de sortie.

La figure 1 montre le chargeur bidirectionnel comprenant un étage redresseur 1 d'entrée et un étage de conversion continu-continu 2 de sortie. L'étage redresseur 1 d'entrée génère une tension de bus continu et assure une absorption d'un courant sinusoïdal sur le réseau d'alimentation électrique 3. L'étage redresseur 1 d'entrée est connecté en parallèle à une capacité 4 et à un étage de conversion continu continu 2 de sortie, l'étage de conversion étant relié en sortie à une batterie 5.

A la différence de l'état de la technique antérieur, l'étage redresseur 1 d'entrée du chargeur bidirectionnel selon l'invention est également apte à réguler la charge de la batterie à travers la variation de la tension du bus continu (325V- 400V).

Sur la figure 2, on peut voir que l'étage de conversion continu- continu 2 de sortie est à résonnance série et à isolation galvanique par l'intermédiaire d'un transformateur 6, l'ensemble fonctionnant à fréquence de découpage constante. Une première entrée de l'étage de conversion est connectée au collecteur d'un premier transistor Ti et au collecteur d'un troisième transistor T3, une deuxième entrée de l'étage de conversion étant connectée à l'émetteur d'un deuxième transistor T2 et à l'émetteur d'un quatrième transistor T4. L'émetteur du premier transistor Ti et le collecteur du deuxième transistor T2 sont reliés à un premier point intermédiaire, l'émetteur du troisième transistor T3 et le collecteur du quatrième transistor T4 étant connectés à un deuxième point intermédiaire. Le premier point intermédiaire est connecté en série à une première capacité Cl, une première inductance Ll, à une première extrémité du premier enroulement d'un transformateur 6, la deuxième extrémité du premier enroulement du transformateur 6 étant reliée au deuxième point intermédiaire. Une extrémité du deuxième enroulement du transformateur 6 est reliée à l'émetteur d'un cinquième transistor T5 et au collecteur d'un sixième transistor T6, le collecteur du cinquième transistor T5 étant connecté au collecteur d'un septième transistor T7 et à une première sortie de l'étage de conversion. L'émetteur du sixième transistor T6 est connecté à l'émetteur d'un huitième transistor T8 et à une deuxième sortie de l'étage de conversion. L'autre extrémité du deuxième enroulement est connectée à l'émetteur du septième transistor T7 et au collecteur du huitième transistor T8. Une première diode D I est connectée par son anode l'émetteur du premier transistor Ti et par sa cathode au collecteur du premier transistor Ti.

Une deuxième diode D2 est connectée par son anode l'émetteur du deuxième transistor T2 et par sa cathode au collecteur du deuxième transistor T2. Une troisième diode D3 est connectée par son anode l'émetteur du troisième transistor T3 et par sa cathode au collecteur du troisième transistor T3. Une quatrième diode D4 est connectée par son anode à l'émetteur du quatrième transistor T4 et par sa cathode au collecteur du quatrième transistor T4.

Une cinquième diode D5 est connectée par son anode à l'émetteur du cinquième transistor T5 et par sa cathode au collecteur du cinquième transistor T5. Une sixième diode D6 est connectée par son anode à l'émetteur du sixième transistor T6 et par sa cathode au collecteur du sixième transistor T6. Une septième diode D7 est connectée par son anode l'émetteur du septième transistor T7 et par sa cathode au collecteur du septième transistor T7. Une huitième diode D8 est connectée par son anode l'émetteur du huitième transistor T8 et par sa cathode au collecteur du huitième transistor T8. Les grilles des transistors reçoivent des signaux de commande, notamment à modulation en largeur d'impulsion émis à fréquence constante.

Le deuxième ensemble de transistors (T5,T6,T7,T8) permet un fonctionnement bidirectionnel. Lors de la décharge de la batterie vers le réseau d'alimentation électrique, le comportement du premier ensemble de transistors (T1,T2,T3,T4) et du deuxième ensemble de transistors (T5,T6,T7,T8) sont échangés par rapport au fonctionnement lors de la charge de la batterie. Le chargeur bidirectionnel décrit ci-dessus est commandé par le procédé suivant. On réalise l'adaptation de tension en faisant varier le gain du circuit résonnant. Pour cela, on bascule la fréquence de commutation des transistors d'une valeur f0 à une valeur f0/2 suivant l'amplitude de la tension de la batterie Vbat par rapport à la tension du réseau Vres. On rappelle que la valeur f0 correspond à la fréquence pour laquelle le transfert dans l'étage de conversion continu-continu est résonnant. La valeur f0 est déterminée par l'équation suivante : f 0 27c- 11' (Eq. 1) Avec : L = Valeur de l'inductance Ll C = Valeur de la capacité Cl Ceci permet de réduire le gain du circuit résonnant tout en conservant l'avantage des commutations ZVS et ZCS. Au cours d'une première étape, on détermine la tension de batterie Vbat et le maximum Vresmax de la tension de réseau d'alimentation électrique. Au cours d'une deuxième étape, on détermine si la tension de batterie Vbat est supérieure au maximum Vresmax de la tension de réseau d'alimentation électrique. Si tel est le cas, le procédé se poursuit par une troisième étape au cours de laquelle on fixe la fréquence de commutation du premier transistor Ti, du deuxième transistor T2, du troisième transistor T3, et du quatrième transistor T4, à la valeur f0. Si tel n'est pas le cas, le procédé se poursuit par une quatrième étape au cours de laquelle on fixe la fréquence de commutation du premier transistor Ti, du deuxième transistor T2, du troisième transistor T3, et du quatrième transistor T4 à la valeur f0/2. Le chargeur bidirectionnel est commandé par un système de commande comprenant un moyen de détermination de la tension de batterie et de la valeur maximale de la tension du réseau d'alimentation électrique et un moyen de comparaison de la tension de batterie à la tension de réseau maximale. Le moyen de comparaison de la tension de batterie à la tension de réseau maximale est apte à fixer la fréquence de commutation du premier transistor Ti, du deuxième transistor T2, du troisième transistor T3, et du quatrième transistor T4 à la fréquence de résonance de l'étage de conversion si la tension de batterie est supérieure à la tension de réseau maximale, Si la tension de batterie est supérieure à la tension de réseau maximale, le moyen de comparaison est apte à fixer la fréquence de commutation du premier transistor Ti, du deuxième transistor T2, du troisième transistor T3, et du quatrième transistor T4 à la moitié de la fréquence de résonance de l'étage de conversion.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'un chargeur bidirectionnel d'une batterie (5) de véhicule automobile, le chargeur comprenant un étage redresseur (1) connecté en entrée à un réseau d'alimentation électrique (3) et en sortie à un étage de conversion (2) continu-continu et à une capacité (4), l'étage de conversion continu-continu (2) étant connecté à la batterie (5), l'étage de conversion continu-continu (2) comprenant un premier ensemble de transistors (T1,T2,T3,T4) connecté en entrée à l'étage redresseur (1) et en sortie en série à un circuit résonnant (L1,C1) et au premier enroulement d'un transformateur (6), le deuxième enroulement du transformateur (6) étant relié à un deuxième ensemble de transistors (T5,T6,T7,T8), le deuxième ensemble (T5,T6,T7,T8), étant relié par ailleurs à la batterie (5), caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes : on commande le deuxième ensemble de transistors (T5,T6,T7,T8) dans un état passant, on détermine la tension de batterie et la valeur maximale de la tension du réseau d'alimentation électrique, on détermine si la tension de batterie est supérieure à la tension de réseau maximale, si tel est le cas, on fixe la fréquence de commutation des transistors (T1,T2,T3,T4) du premier ensemble à la fréquence de résonance de l'étage de conversion, et si tel n'est pas le cas, on fixe la fréquence de commutation des transistors (T1,T2,T3,T4) du premier ensemble à la moitié de la fréquence de résonance de l'étage de conversion.
2. Système de commande d'un chargeur bidirectionnel d'une batterie (5) de véhicule automobile, le chargeur comprenant un étage redresseur (1) connecté en entrée à un réseau d'alimentation électrique (3) et en sortie à un étage de conversion (2) continu-continu et à une capacité (4), l'étage de conversion continu-continu (2) étant connecté à la batterie (5),l'étage de conversion continu-continu (2) comprenant un premier ensemble de transistors (T1,T2,T3,T4) connecté en entrée à l'étage redresseur (1) et en sortie en série à un circuit résonnant (L1,C1) et au premier enroulement d'un transformateur (6), le deuxième enroulement du transformateur (6) étant relié à un deuxième ensemble de transistors (T5,T6,T7,T8), le deuxième ensemble (T5,T6,T7,T8), étant relié par ailleurs à la batterie (5), caractérisé par le fait qu'il comprend : un moyen de commande du deuxième ensemble de transistors (T5,T6,T7,T8) dans un état passant, un moyen de détermination de la tension de batterie et de la valeur maximale de la tension du réseau d'alimentation électrique, un moyen de comparaison de la tension de batterie à la tension de réseau maximale apte à fixer la fréquence de commutation des transistors (T1,T2,T3,T4) du premier ensemble à la fréquence de résonance de l'étage de conversion si la tension de batterie est supérieure à la tension de réseau maximale, le moyen de comparaison étant apte à fixer la fréquence de commutation des transistors (T1,T2,T3,T4) du premier ensemble à la moitié de la fréquence de résonance de l'étage de conversion si la tension de batterie est supérieure à la tension de réseau maximale.