FR3014615A1 - Dispositif de charge reversible ameliore pour vehicule electrique - Google Patents

Abstract

Ce dispositif de charge d'une batterie et/ou de restitution d'énergie électrique à partir de ladite batterie, notamment pour système de traction d'un véhicule automobile à traction au moins partiellement électrique, comprend un premier étage redresseur (7) destiné à être raccordé à un réseau d'alimentation ou à une charge, un second étage onduleur (8) destiné à être raccordé à la batterie et des moyens de régulation agissant sur les premier et deuxième étages. Il comporte une branche de dérivation (11) raccordée entre une sortie et une entrée de l'étage onduleur et comprenant un interrupteur (11-1) pilotable à l'ouverture lors de la charge et associé à une diode (11-2) positionnée de manière à autoriser un retour de courant vers le premier étage redresseur.

Description

Dispositif de charge réversible amélioré pour véhicule électrique L'invention concerne, de manière générale, un dispositif de charge d'une batterie et, plus particulièrement, un dispositif de charge destiné à être intégré à un véhicule automobile à traction au moins partiellement électrique et proposant un fonctionnement réversible. Ainsi, l'invention se rapporte en particulier à un dispositif de charge d'une batterie capable d'alimenter une charge ou de restituer de l'énergie électrique à un réseau de distribution. Dans des systèmes de recharge de batterie à haute tension, la puissance électrique du réseau est amenée à la batterie successivement au travers de deux convertisseurs, à savoir un abaisseur de tension (« buck »), destiné à être raccordé au réseau, et un élévateur de tension (« boost ») destiné à être raccordé à la batterie. Ces deux convertisseurs permettent respectivement d'abaisser et d'élever le rapport de tension entre leur borne de sortie et leur borne d'entrée, en ouvrant et en fermant successivement une série d'interrupteurs, à une fréquence qui est commandée en fonction du courant de sortie, et/ou de la tension de sortie souhaitée. Le premier étage constitue un étage redresseur de tension piloté, tandis que le deuxième étage est un onduleur de tension en mode traction et utilisé en « boost » pour la recharge de la batterie. De tels systèmes de recharge sont par exemple décrits dans la demande de brevet FR 2 943 188, qui porte sur un système de recharge embarqué pour véhicule automobile, permettant un rechargement d'une batterie du véhicule à partir d'un circuit triphasé ou monophasé, le circuit de recharge intégrant les bobines d'une machine électrique qui assure par ailleurs d'autres fonctions, comme la génération de courant ou la propulsion du véhicule. Un des inconvénients majeurs du véhicule électrique concerne sa disponibilité. En effet, lorsque sa batterie est déchargée, le véhicule électrique reste indisponible pendant toute la durée de recharge, qui peut atteindre plusieurs heures. Afin de diminuer la durée de recharge de la batterie, il est connu d'augmenter la puissance de charge en accroissant le courant prélevé sur le réseau. Il a également été proposé de prélever ce courant sur un réseau triphasé plutôt que sur un réseau monophasé, la puissance de charge étant supérieure lorsque le courant est prélevé à partir d'un tel réseau d'alimentation triphasé. Lorsqu'un véhicule électrique ou hybride rechargeable dispose d'une puissance de recharge importante, permettant de ce fait une charge rapide, deux opportunités de fonctionnement peuvent se présenter dans la mesure où la topologie électronique de recharge est réversible. Un premier fonctionnement permet de renvoyer l'énergie au réseau d'alimentation suivant une consigne imposée par l'exploitant du réseau de distribution d'énergie électrique, offrant ainsi la possibilité à l'exploitant, dans un cas où un nombre suffisant de véhicules sont dotés d'un système de recharge réversible, d'optimiser la gestion du réseau d'alimentation. Un second fonctionnement permet d'utiliser le véhicule comme source d'énergie de substitution en cas de défaillance du réseau électrique domestique, ou pour profiter de cette source comme générateur dans un endroit où l'électricité n'est pas distribuée. Le document FR 2 946 810 décrit à cet égard un dispositif de charge réversible d'une batterie. Mais l'agencement décrit dans ce document est fondé sur une structure de redresseur dans lequel les composants sont doublés afin de permettre un fonctionnement en restitution d'énergie. Cet agencement complique donc fortement la structure du redresseur et augmente son coût. Le but de l'invention est donc de pallier cet inconvénient et de proposer un dispositif de charge d'une batterie capable de proposer un fonctionnement réversible et ce dans un agencement simple et peu onéreux. L'invention a donc pour objet un dispositif de charge d'une batterie et/ou de restitution d'énergie électrique à partir de ladite batterie, notamment pour système de traction d'un véhicule automobile à traction au moins partiellement électrique, comprenant un premier étage redresseur destiné à être raccordé à un réseau d'alimentation ou à une charge à alimenter, un second étage onduleur destiné à être raccordé à la batterie et des moyens de régulation agissant sur les premier et deuxième étages. Ce dispositif comporte une branche de dérivation raccordée entre une sortie et une entrée de l'étage onduleur et comprenant un interrupteur pilotable à l'ouverture lors de la charge et associé à une diode positionnée de manière à autoriser un retour de courant vers le premier étage redresseur. Il a été constaté qu'en dotant le dispositif de charge d'une telle branche de dérivation dotée d'un interrupteur et d'une diode, il est possible de rendre le dispositif réversible, malgré la simplicité de cette solution. Selon une autre caractéristique de ce dispositif de charge, l'interrupteur et la diode constituent un moyen de contrôle de la puissance de l'énergie électrique restituée. Dans un mode de réalisation, la branche de dérivation est raccordée entre une sortie de l'étage onduleur par laquelle l'énergie électrique est restituée par la batterie et une entrée de l'étage onduleur qui communique avec une borne de l'étage redresseur autorisant une restitution d'énergie électrique vers le réseau ou la charge à alimenter. Par exemple, l'interrupteur est constitué par un transistor IGBT. L'invention a également pour objet un véhicule automobile à traction au moins partiellement électrique qui comporte un dispositif de charge embarqué tel que défini ci-dessus. Selon un autre aspect, l'invention a également pour objet un procédé de charge d'une batterie et/ou de restitution d'énergie électrique à partir de ladite batterie, pour la mise en oeuvre d'un dispositif de charge comprenant un premier étage redresseur destiné à être raccordé à un réseau d'alimentation ou à une charge à alimenter, un second étage onduleur destiné à être raccordé à la batterie, et des moyens de régulation agissant sur les premier et deuxième étages, dans lequel, lors de la charge, on ouvre un interrupteur pilotable placé dans une branche de dérivation raccordée entre une sortie et une entrée de l'étage onduleur et auquel est associée une diode positionnée de manière à autoriser un retour de courant vers le premier étage redresseur lors de la restitution d'énergie. Dans un mode de mise en oeuvre, en mode de charge de la batterie, on ajuste le courant de sortie du premier étage en fonction de la tension de la batterie.

On peut également prévoir que des transistors entrant dans la constitution du deuxième étage sont commutés simultanément. Par ailleurs, selon un mode de mise en oeuvre, en mode de restitution d'énergie, on met en oeuvre une première phase de fonctionnement dans laquelle on ferme ledit interrupteur et l'on bloque ladite diode de sorte que la batterie fournisse de l'énergie et une deuxième phase dans laquelle ledit interrupteur est ouvert et la diode est passante de sorte que la batterie ne fournisse pas d'énergie, pour contrôler la puissance restituée. 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 est un schéma montrant l'architecture d'un dispositif de charge conventionnel, non réversible ; - la figure 2 illustre la structure d'un dispositif de charge réversible selon l'invention ; - la figure 3 est un schéma équivalent du dispositif de charge de la figure 2 ; - les figures 4, 5 et 6 illustrent le fonctionnement du dispositif de charge des figures 2 et 3 en mode de charge ; - les figures 7 à 10 illustrent le fonctionnement du dispositif de charge des figures 2 et 3 en mode de restitution d'énergie électrique, de la batterie vers le réseau ; et - la figure 11 est un schéma équivalent du dispositif de la figure 7. On se réfèrera en premier lieu à la figure 1 pour décrire la structure d'un dispositif conventionnel de charge d'une batterie pour véhicule automobile à traction électrique. Le dispositif de charge 1 visible sur cette figure comprend un premier étage 2 abaisseur de tension destiné à être raccordé à un réseau d'alimentation et un deuxième étage 3 élévateur de tension couplé à l'étage abaisseur de tension 2 via une inductance montée en série avec une machine électrique 4 constituée, dans l'application envisagée, par les bobines du stator du moteur du véhicule automobile électrique. Le dispositif 1 représenté sur la figure 1 comprend trois phases disponibles qui peuvent être couplées à un réseau d'alimentation triphasé ou à un réseau d'alimentation monophasé. Le premier étage 2 abaisseur de tension constitue en réalité un étage redresseur comprenant trois branches identiques couplées en parallèle comprenant chacune un montage en série comprenant successivement une première diode 2-1, un premier transistor 2-2, une deuxième diode 2-3 et un deuxième transistor 2-4. L'étage élévateur de tension constitue, quant à lui, un étage onduleur qui comporte également trois branches identiques couplées en parallèle comprenant un montage en série de deux transistors 3-1 et 32 associés chacun à une diode 3-3 et 3-4 montée en parallèle sur le transistor correspondant. On voit qu'en sortie, le dispositif 1 comporte un condensateur 5 de sortie destiné à maintenir relativement stable la tension aux bornes de la batterie (non représentée). L'ensemble est complété par une unité centrale de commande incorporant des moyens de régulation agissant sur les transistors des premier et deuxième étages 2 et 3 pour, notamment, régler l'intensité optimale du courant à faire rentrer par la borne positive de la batterie, lors de la charge. On pourra se référer aux documents FR2943188, FR2964510 et FR2974253 pour la régulation de la charge d'une batterie par un réseau monophasé ou triphasé utilisant le dispositif de charge 1. Comme indiqué précédemment, ce dispositif de charge n'est adapté que pour réaliser la charge de la batterie.

On a représenté sur la figure 2 un dispositif de charge réversible selon l'invention, c'est-à-dire capable en outre de proposer un mode de restitution d'énergie à partir de l'énergie électrique stockée dans la batterie pour la délivrer à une charge ou la restituer au réseau de distribution électrique.

Comme on le voit, le dispositif de charge visible sur cette figure, désigné par la référence numérique générale 6, est également doté d'un premier étage 7 abaisseur de tension constitué par un redresseur de tension destiné à être raccordé à un réseau d'alimentation électrique, comme représenté, ou à une charge à alimenter en mode de restitution d'énergie et un deuxième étage 8 élévateur de tension constitué par un onduleur de tension destiné à être raccordé à une batterie, avec interposition d'un condensateur 9 destiné à assurer la stabilité de la tension aux bornes de la batterie. Le premier étage 7 et le deuxième étage 8 sont raccordés par l'intermédiaire d'un circuit 10 comprenant les trois bobines 10-a, 10 - b, 10-c du moteur. Une bobine additionnelle 10-d est placée en série avec les bobines 10-a, 10-b et 10-c du moteur pour garantir un asservissement plus aisé et une ondulation de courant moindre. Les premier et deuxième étages 7 et 8 ont une structure identique à la structure décrite précédemment en référence à la figure 1. En effet, le premier étage 7 abaisseur de tension est formé par un montage de trois branches identiques comprenant chacune deux diodes 7-1 et 7-2 et deux transistors 7-3 et 7-4. Chaque phase du réseau d'alimentation vient se brancher entre une diode référencée 7-2 et un transistor 7-3 correspondant. En ce qui concerne le deuxième étage 8 élévateur de tension, celui est également constitué par un montage en parallèle de trois circuits comprenant chacun deux transistors 8-1 et 8-2 et deux diodes 8-3 et 8-4 connectées chacune en parallèle sur un transistor correspondant. On notera que les transistors entrant dans la constitution des premier et deuxième étages 7 et 8 sont constitués par des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT). Dans le premier étage, l'émetteur d'un premier transistor 7-3 est raccordé à la première diode 7-1, tandis que le collecteur de ce transistor 7-3 est raccordé à la deuxième diode 7-2 à laquelle est raccordé l'émetteur de l'autre transistor 7-4. Dans le deuxième étage, les diodes 8-3 et 8-4 sont raccordées entre le collecteur et l'émetteur de chaque transistor et l'émetteur d'un premier transistor est raccordé au collecteur de l'autre transistor. Les bobinages 10-a, 10-b et 10-c statoriques sont raccordés entre l'émetteur de l'un des transistors et le collecteur de l'autre transistor. Le circuit est bien entendu complété par une unité centrale de commande incorporant des moyens matériels et logiciels de régulation raccordés à la grille de chacun des transistors des premier et deuxième étages. Dans le but de rendre le dispositif de charge 6 réversible, le montage est complété par une branche de dérivation 11 s'étendant, comme visible sur la figure 2, entre une sortie du deuxième étage 8 élévateur de tension et une entrée de cet étage raccordée à une sortie du premier étage abaisseur de tension 7. Plus particulièrement, cette branche de dérivation 11 est raccordée au collecteur du premier transistor 8-1 du deuxième étage élévateur de tension et au collecteur du deuxième transistor 7-4 du premier étage 7 abaisseur de tension. Cette branche de dérivation comporte un transistor IGBT 11-1 dont le collecteur est raccordé au collecteur du premier transistor 8-1 du deuxième étage 8 élévateur de tension et dont l'émetteur est raccordé, d'une part, au collecteur du deuxième transistor 7-4 du premier étage 7 abaisseur de tension, et, d'autre part, à l'émetteur du deuxième transistor 8-2 du deuxième étage 8, par l'intermédiaire de d'une diode 11-2. La branche de dérivation est dotée d'une diode additionnelle 11-3 branchée en parallèle sur le transistor 11-1.

La figure 3 est un schéma équivalent du circuit de la figure 2. Sur le schéma équivalent de cette figure 3, le transistor Q2 correspond au transistor 11-1 associé à sa diode 11-3, le transistor Q1 correspond aux transistors des trois branches en parallèle du deuxième étage 8 et la diode Dl correspond aux diodes 8-3 et 8-4 de la figure 2. Enfin, le moteur et l'inductance 10-d ont été modélisés par une unique self M. On va maintenant décrire, en référence aux figures 4 à 6, le fonctionnement du dispositif de charge 6 qui vient d'être décrit, lors de la charge. Lors du fonctionnement en charge, le transistor Q2 est maintenu ouvert et les transistors des premier et deuxième étages 7 et 8 sont pilotés à la fréquence de découpage, notamment en ajustant en permanence le courant de sortie du premier étage redresseur en fonction de la tension de la batterie de manière à améliorer le rendement du premier étage en réduisant les pertes des transistors de manière qu'ils commutent un courant plus faible. En particulier, les transistors entrant dans la constitution du deuxième étage élévateur 8 sont tous commutés simultanément, justifiant le schéma équivalent de la figure 3. On a représenté sur les figures 5 et 6 le fonctionnement de l'étage élévateur de tension. Le transistor Q1 peut être piloté par l'unité centrale de commande soit à la fermeture (figure 5), soit à l'ouverture (figure 6) pour régler la puissance de charge.

En se référant maintenant aux figures 7 à 10, dans le mode de restitution d'énergie, le courant issu de la batterie circule à travers le transistor Q2 pour être par la suite délivré au premier étage 7 fonctionnant en onduleur. Pendant toute la durée du mode de restitution d'énergie, la diode Dl est bloquée.

Alors que dans le mode de fonctionnement en charge, la puissance est contrôlée par l'ensemble constitué par le transistor Ql, la diode Dl et le bobinage statorique du moteur, en mode de restitution d'énergie, la puissance est contrôlée par l'ensemble comprenant le transistor Q2 et la diode D2.

Le transistor Q2 peut, quant à lui, être ouvert (figure 7) ou fermé (figure 8) sous le contrôle de l'unité centrale de commande (non représentée). On obtient alors le trajet de courant visible sur les figures 9 et 10. Sur la figure 9, le courant passe dans le transistor Q2 et la diode D2 se bloque naturellement car le potentiel de sa cathode est supérieur à celui de l'anode. Durant la phase de fonctionnement de la figure 9, la batterie fournie de l'énergie. Sur la figure 10, le transistor Q2 est bloqué par sa commande et le courant de l'inductance M trouve alors le chemin de la diode D2 qui devient passante. Durant la phase de fonctionnement de la figure 10, la batterie ne fournie pas d'énergie. La durée de chaque étape (figure 9 et figure 10) permet de régler la puissance fournie vers le réseau électrique. On pourra enfin se référer à la figure 11 sur laquelle un homme du métier reconnaitra un abaisseur formé par l'ensemble Self M, transistor Q2 et diode D2 qui permet de contrôler le courant. Un mode simple de commande du dispositif de charge qui vient d'être décrit consiste à asservir le courant dans l'inductance M par une première boucle à une valeur constante. On applique ensuite un rapport cyclique sur chacun des transistors qui est fonction de la tension mesurée sur le réseau électrique. Bien entendu, on ne sort pas du cadre de l'invention lorsque l'on utilise d'autres modes de contrôle, sans charger la topologie du dispositif.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de charge d'une batterie et/ou de restitution d'énergie électrique à partir de ladite batterie, notamment pour système de traction d'un véhicule automobile à traction au moins partiellement électrique, comprenant un premier étage redresseur (7) destiné à être raccordé à un réseau d'alimentation ou à une charge à alimenter, un second étage onduleur (8) destiné à être raccordé à la batterie et des moyens de régulation agissant sur les premier et deuxième étages, caractérisé en ce qu'il comporte une branche de dérivation (11) raccordée entre une sortie et une entrée de l'étage onduleur (8) et comprenant un interrupteur (11-1) pilotable à l'ouverture lors de la charge et associé à une diode (11-2) positionnée de manière à autoriser un retour de courant vers le premier étage redresseur.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interrupteur (11-1) et la diode (11-2) constituent un moyen de contrôle de la puissance de l'énergie restituée.
3. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la branche de dérivation (11) est raccordée entre une sortie de l'étage onduleur (8) par laquelle l'énergie électrique est restituée par la batterie et une entrée de l'étage onduleur (8) qui communique avec une borne de l'étage redresseur (7) autorisant une restitution d'énergie électrique vers le réseau ou la charge à alimenter.
4. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'interrupteur (11-1) est constitué par un transistor IGBT.
5. 5. Véhicule automobile à traction au moins partiellement électrique, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de charge embarqué selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.
6. 6. Procédé de charge d'une batterie et/ou de restitution d'énergie électrique à partir de ladite batterie, pour la mise en oeuvre d'un dispositif de charge comprenant un premier étage redresseur (7) destiné à être raccordé à un réseau d'alimentation ou à une charge àalimenter, un second étage onduleur (8) destiné à être raccordé à la batterie et des moyens de régulation agissant sur les premier et deuxième étages, caractérisé en ce que, lors de la charge, on ouvre un interrupteur (11-1) pilotable placé dans une branche de dérivation (11) raccordée entre une sortie et une entrée de l'étage onduleur et auquel est associée une diode (11-2) positionnée de manière à autoriser un retour de courant vers le premier étage redresseur lors de la restitution d' énergie.
7. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel, en mode de charge de la batterie, on ajuste le courant de sortie du premier étage en fonction de la tension de la batterie.
8. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel des transistors entrant dans la constitution du deuxième étage sont commutés simultanément.
9. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel en mode de restitution d'énergie, on met en oeuvre une première phase de fonctionnement dans laquelle on ferme ledit interrupteur (11-1) et l'on bloque ladite diode (11-2) de sorte que la batterie fournisse de l'énergie et une deuxième phase dans laquelle ledit interrupteur est ouvert et la diode (11-2) est passante de sorte que la batterie ne fournisse pas d'énergie, pour contrôler la puissance restituée.