FR3026242A1 - Dispositif combine de charge d'une batterie et d'alimentation electrique d'une machine electrique - Google Patents

Dispositif combine de charge d'une batterie et d'alimentation electrique d'une machine electrique Download PDF

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Abstract

Ce dispositif combiné de charge d'une batterie et d'alimentation électrique d'une machine électrique comprend un circuit onduleur (2) destiné à être raccordé entre la batterie et la machine et des moyens pour redresser le courant fourni par le réseau électrique à la batterie. Ces moyens comprennent un premier circuit redresseur (4) associé à un convertisseur continu-continu survolteur et un deuxième circuit redresseur (10) réalisé à partir d'une partie au moins des inductances de la machine et à partir du circuit onduleur, le deuxième circuit constituant un filtre actif raccordé en parallèle par rapport au premier circuit.

Description

Dispositif combiné de charge d'une batterie et d'alimentation électrique d'une machine électrique La présente invention concerne l'alimentation électrique de véhicules automobiles à traction au moins partiellement électrique et concerne plus particulièrement un dispositif combiné de charge d'une batterie et d'alimentation électrique d'une machine électrique d'un véhicule automobile. Il s'agit de permettre, d'une part, une recharge de la batterie du véhicule directement à partir d'un réseau d'alimentation électrique et, d'autre part, l'alimentation électrique d'une machine électrique du véhicule, en l'espèce le moteur électrique de traction, à partir de l'énergie électrique fournie par la batterie. Dans l'état de la technique, le courant délivré par la batterie du véhicule est transformé en courant alternatif par un onduleur pour alimenter le moteur. Lors de la recharge, un convertisseur alternatif-continu redresse le courant alternatif délivré par le réseau pour alimenter la batterie.
Dans le but de réduire le nombre de composants électroniques entrant dans la constitution de la chaîne d'alimentation du moteur et dans la chaîne de charge, la tendance actuelle consiste à utiliser les composants déjà utilisés pour d'autres fonctions. C'est ainsi qu'il a été proposé d'utiliser les bobinages du moteur en tant qu'inductances pour réaliser la chaîne de charge de la batterie. Le document WO 2010/057893 propose en outre d'utiliser les composants de commutation entrant dans la constitution de l'onduleur de la chaîne d'alimentation en tant qu'éléments d'un redresseur de la puissance alternative fournie par le réseau. On pourra également se référer au document WO 2010/057892. Les dispositifs de charge et d'alimentation décrits dans ces documents sont avantageux dans la mesure où ils utilisent un nombre de composants réduits. Il a toutefois été constaté que les agencements décrits dans ces documents nécessitent un nombre relativement élevé de sorties pour le moteur pour son raccordement à l'onduleur, d'une part et au réseau électrique d'alimentation, d'autre part.
En outre, l'agencement décrit dans ces documents nécessite l'utilisation d'un convertisseur continu-continu pour adapter le niveau de tension du réseau à celui de la batterie. Le but de l'invention est donc de pallier ces inconvénients. Un autre but de l'invention est de permettre une charge rapide d'une batterie, à partir d'un réseau d'alimentation triphasé ou une charge lente de la batterie, à partir d'un réseau monophasé, tant pour un véhicule destiné à être chargé lors du roulage que pour un véhicule apte à être chargé à l'arrêt par un raccordement à une prise d'un réseau de distribution.
L'invention a ainsi pour objet un dispositif combiné de charge d'une batterie et d'alimentation électrique d'une machine électrique, comprenant un circuit onduleur destiné à être raccordé entre la batterie et la machine et des moyens pour redresser le courant fourni par le réseau électrique à la batterie.
Les moyens pour redresser le courant comprennent un premier circuit redresseur associé à un convertisseur continu-continu survolteur et un deuxième circuit redresseur réalisé à partir d'une partie au moins d'inductances de la machine et à partir du circuit onduleur, le deuxième circuit constituant un filtre actif raccordé en parallèle par rapport au premier circuit. Selon une autre caractéristique du dispositif selon l'invention, le deuxième circuit redresseur constitue un moyen de compensation des harmoniques transmis au réseau et de correction de facteur de puissance.
Le dispositif peut comprendre des moyens pour commander le filtre actif de manière à injecter un courant harmonique de même amplitude et de phase opposée au courant harmonique engendré par le premier circuit redresseur.
Dans un mode de réalisation, le dispositif comporte des moyens de mesure du courant en amont de chacun desdits premier et deuxième circuits redresseurs et du courant de charge de la batterie pour élaborer un courant de compensation du courant harmonique.
Dans un mode de réalisation, le premier circuit redresseur comprend un pont de diodes, ledit convertisseur comprenant un circuit de hachage survolteur. Avantageusement, lesdits premier et deuxième circuits redresseurs transfèrent conjointement la puissance active délivrée par le réseau vers la batterie. Dans un mode de réalisation, le dispositif selon l'invention constitue un chargeur triphasé. En variante, il constitue un chargeur monophasé. 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 une vue schématique d'un dispositif combiné de charge et d'alimentation électrique conforme à l'invention ; - la figure 2 représente le dispositif de la figure 1, en mode de traction ; - la figure 3 montre le dispositif de la figure 1, en mode de charge ; - les figures 4a et 4b sont des courbes montrant les courants en des points caractéristiques du circuit des figures 1 à 3 ; et - la figure 5 montre un dispositif combiné d'alimentation et de charge monophasée conforme à l'invention. On se réfèrera tout d'abord aux figures 1 à 3 qui illustrent un mode de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, destiné à la charge d'une batterie à partir d'un courant triphasé. Ce dispositif constitue un chargeur intégré destiné à être embarqué à bord d'un véhicule automobile pour assurer la charge du véhicule, à l'arrêt, et l'alimentation du moteur électrique de traction.
Alors que la figure 1 représente l'architecture générale du dispositif selon l'invention, les figures 2 et 3 illustrent plus particulièrement la chaîne de traction et la chaîne de recharge de la batterie.
Comme on le voit, le dispositif 1 comprend essentiellement un onduleur 2 raccordé aux bornes d'une batterie de traction 3 de haute tension et un premier circuit redresseur 4 raccordé entre un réseau d'alimentation R et le circuit onduleur 2. Par batterie d'alimentation à haute tension, on entend, dans le cadre de la présente description, une batterie dont la tension minimale est plus haute que la tension du réseau redressée, monophasée ou triphasée. Il s'agit en d'autres termes d'une batterie dont la tension minimale est supérieure à 310 volts s'il s'agit d'une charge à partir du réseau monophasé délivrant une tension efficace entre phases de 220 volts ou d'une batterie dont la tension minimale est supérieure à 560 volts dans le cas d'une charge à partir d'une tension efficace triphasée de 400 volts. Le circuit onduleur 2 comporte ici six cellules de commutation constituant trois ponts en H, 2-1, 2-2 et 2-3. Les enroulements Li, L2, L3 du moteur M sont raccordés entre les branches de chaque pont de l'onduleur. Dans le but de réduire le nombre de composants entrant dans la constitution de la chaîne de charge, les inductances Li, L2 et L3 sont formées par les enroulements du moteur de traction M alimenté par le dispositif 1. Comme on le conçoit, une structure en pont en H permet d'avoir une tension plus grande aux bornes des phases du moteur et permet dès lors de réduire les courants et les pertes dans les interrupteurs T entrant dans la constitution de l'onduleur. Par exemple, les interrupteurs sont bidirectionnels en courant et unidirectionnels en tension. Ils peuvent être formés par des composants semiconducteurs commandés à la fermeture et à l'ouverture. Il peut s'agir de transistors bipolaires à grille isolée (IGBT, pour « Insulated Gate Bipolar Transistor ») ou de thyristors à extinction par la grille GTO (pour « Gate Turn Off Thyristor »). Comme on le voit, les branches de chaque pont en H comprennent chacun deux transistors raccordés de sorte que l'émetteur de l'un des transistors soit connecté au collecteur de l'autre transistor. Les interrupteurs T sont associés chacun à une diode D branchée en antiparallèle, la cathode et l'anode de chaque diode étant respectivement raccordées au collecteur et à l'émetteur d'un interrupteur.
En ce qui concerne le premier circuit redresseur, celui-ci comprend essentiellement un pont de diodes 5 raccordé, par l'intermédiaire d'inductances L4 et L5 à un convertisseur continu-continu 6 élévateur de tension et au circuit onduleur 2 par l'intermédiaire de diodes Dl et D2.
Le convertisseur continu-continu 6 est formé par un hacheur survolteur. En se référant à la figure 2, en mode de traction, les interrupteurs T sont pilotés à l'ouverture et à la fermeture par un circuit de commande (non représenté), par exemple par modulation en largeur d'impulsions pour convertir le courant continu délivré par la batterie 3 en un courant alternatif pour l'alimentation du moteur M. En se référant à la figure 3, on notera par ailleurs qu'en mode de charge de la batterie 3, les trois phases du réseau R sont connectées, d'une part au pont de diodes 5 et, d'autre part, aux points milieu ml, m2 et m3 de l'une des branches de chacun des trois ponts en H auxquels est raccordé le moteur. Ainsi, en mode de charge, les branches 7, 8 et 9 de l'onduleur 2 forment, avec les inductances Li, L2 et L3 du moteur un deuxième circuit redresseur. La puissance active P délivrée par le réseau à la batterie est ainsi transmise en partie par le premier circuit redresseur 4 et en partie par le deuxième circuit redresseur 10. Dans la suite, on notera « Pl », la partie de la puissance active « P » transférée par le premier circuit redresseur pour charger la batterie. Le deuxième circuit redresseur 10 constitue un redresseur triphasé de type élévateur de tension, commandé par exemple en modulation en largeur d'impulsions de manière à permettre de corriger le facteur de puissance et de transférer une partie « P2 » de la puissance de charge totale.
Bien entendu, la puissance active totale délivrée par le réseau est constituée par la somme des puissances actives Pl et P2. On notera que le rapport de puissance active Pl/P ou P2/P peut prendre toute valeur comprise entre 0 et 1, à condition toutefois de maintenir l'égalité Pl/P+P2/P=1.
Comme indiqué précédemment, la batterie est chargée à une tension minimale supérieure à celle du réseau d'alimentation. Dans le mode de réalisation des figures 1 à 3, il s'agit d'un réseau d'alimentation triphasé de sorte que la tension de la batterie est supérieure à 560 volts pour une tension efficace entre phases de 400 volts. Par ailleurs, le courant Ip en sortie du premier circuit redresseur 4 est contrôlé à une valeur constante continue égale à Pl/Vbat, Vbat désignant la tension de la batterie 3. Les courants ipl, ip2 et ip3 en entrée du pont de diodes 4 sont constitués par des signaux rectangulaires de valeur nulle pendant un tiers de la période. Ils contiennent des harmoniques de rang n, avec n=5, 7, 11, 13, ..., (6k+/-1) et ne sont donc pas sinusoïdaux. Ainsi, en ce qui concerne la première phase, le courant ip 1 est donné par la relation suivante : ipl=ipli+ipl., avec n dans laquelle ipli désigne la composante fondamentale de ip 1 et ipl désigne le courant harmonique de rang n du courant ipl. De même, les courants de phase ip2 et ip3 satisfont à la même relation et sont constitués par une composante fondamentale et contiennent des harmoniques de rang supérieur à 5. En référence à la figure 3, les courants de ligne il, i2 et i3 délivrés par les phases du réseau sont la somme des courants circulant dans chacune des phases ipl, ip2 et ip3 en entrée du pont de diodes 5 et des courants ial, ia2 et ia3 délivrés aux points ml, m2 et m3, en entrée du deuxième circuit redresseur. Ainsi, par exemple, en ce qui concerne la première phase, le courant il est donné par la relation : il=ipl+ial Le courant ial, ia2 et ia3 circulant dans chacune des branches reliées aux points ml, m2 et m3 comporte également une composante fondamentale et des harmoniques de rang n. Ainsi, le courant ial est donné par la relation : ial=iali+ialn, dans laquelle iali désigne la composante fondamentale de ial ; et ialn désigne les courants harmoniques de rang n du courant ial. On concevra que les courants i2 et i3 satisfont également aux relations : i2=ip2+ia2 et i3=ip3+ia3. De même, ia2=ia2i+ia2n et ia3=ia3i+ia3n. On peut ainsi écrire : ; i2=(ip2i+ip2n>5)+(ia2i+ia2n) et i3=(iP31-Fip3n5)+(ia31+ia3n). Afin de respecter les normes IEC (61000 3-2 ou 61000 3-4) et IEEE (519-1992) traitant de la qualité du réseau électrique, les courants il, i2 et i3 doivent être sinusoïdaux. Ainsi, comme indiqué précédemment, les branches 7, 8 et 9 du circuit onduleur 2 sont pilotées par un circuit de commande de manière à injecter des courants harmoniques ialn, ia2n et ia3n de même amplitude et de phase opposée que ceux issus du pont de diodes 5. On a ainsi : ; ia2n=-ip2n>5 ; et ia3n=-ip3n5. Ainsi, l'injection dans le circuit d'un courant harmonique de même amplitude et de phase opposée à celles du courant issu de pont de diodes permet de compenser les harmoniques engendrées par le premier circuit de redresseur 4. On a ainsi : ; i2=ip2i+ia2i ; et i3=ip3i+ia3i. On notera par ailleurs que les enroulements Li, L2 et L3 du moteur électrique M sont utilisés pour connecter le deuxième circuit redresseur 10 en parallèle avec la chaîne d'alimentation passant par le pont de diodes 5 et le convertisseur continu-continu 6, et lui faire remplir le rôle de source de courant. Ces enroulements Li, L2 et L3 sont parcourus par des courants à des fréquences multiples de 50 hertz, soit 50 hertz, 5x50 hertz, 7x50 hertz, 11x50 hertz, ... Pour des raisons de sécurité, on engagera le frein mécanique du moteur pendant la charge afin d'éviter tout risque de vibration ou de rotation de la machine électrique. On pourra enfin se référer aux figures 4a et 4b qui illustrent la forme des courants il, ial et ipl. On notera que les courants i2, i3, ia2, ia3, ip2 et ip3 ont des formes similaires. Comme on le voit, en injectant des courants ial, ia2 et ia3 ayant des composantes harmoniques de même amplitude et de phase opposée à celles du courant ipl, ip2 ou ip3 imposé par le pont de diodes, on obtient un courant il, i2 ou i3 sinusoïdal. Le mode de réalisation décrit précédemment en référence aux figures 1 à 3 concerne un dispositif permettant la charge d'une batterie de traction à partir d'un réseau triphasé pour assurer la charge rapide de la batterie. L'invention s'applique également à la charge lente d'une batterie à partir d'un réseau monophasé. On a représenté sur la figure 5 un tel mode de réalisation.
Sur cette figure, sur laquelle des éléments identiques à ceux décrits précédemment en référence aux figures 1 à 3 portent les mêmes références numériques, on voit que le dispositif 1 comporte également un premier circuit redresseur 4 à pont de diodes 5 raccordé au réseau monophasé R et associé à un convertisseur continu-continu élévateur de tension 6 pour délivrer une tension redressée de charge de la batterie 3. Le dispositif 1 comporte encore un deuxième circuit redresseur 10 formant un filtre actif parallèle conjointement avec une inductance L du moteur. Comme dans l'exemple de réalisation décrit précédemment, les interrupteurs T du deuxième circuit redresseur sont pilotés à l'ouverture et à la fermeture, par exemple par modulation en largeur d'impulsions par un circuit de commande (non représenté) de manière à injecter dans le courant issu du pont de diodes 4 une composante de compensation des harmoniques imposées par le pont de diodes. Par exemple, dans les divers modes de réalisation considérés, la commande des interrupteurs T peut s'effectuer à partir d'une mesure du courant circulant dans les deux branches du circuit, c'est-à-dire en entrée du premier circuit redresseur, d'une part, et en entrée du deuxième circuit redresseur, d'autre part, ou du courant de charge de la batterie et, à partir de la valeur des harmoniques à compenser, les interrupteurs T sont pilotés de manière à compenser ces harmoniques. Le circuit de la figure 5 montre à cet égard un exemple d'emplacement des moyens de mesure A du courant en ces points caractéristiques du circuit.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif combiné de charge d'une batterie (3) et d'alimentation électrique d'une machine électrique (M), comprenant un circuit onduleur (2) destiné à être raccordé entre la batterie et la machine et des moyens pour redresser le courant fourni par le réseau électrique à la batterie, caractérisé en ce que les moyens pour redresser le courant comprennent un premier circuit redresseur (4) associé à un convertisseur continu-continu (6) survolteur et un deuxième circuit redresseur (10) réalisé à partir d'une partie au moins d'inductances de la machine et à partir du circuit onduleur, le deuxième circuit constituant un filtre actif raccordé en parallèle par rapport au premier circuit.
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le deuxième circuit redresseur (10) constitue un moyen de compensation des harmoniques transmis au réseau et de correction de facteur de puissance.
  3. 3. Dispositif selon la revendication 2, comprenant des moyens pour commander le filtre actif de manière à injecter un courant harmonique de même amplitude et de phase opposée au courant harmonique engendré par le premier circuit redresseur.
  4. 4. Dispositif selon la revendication 3, comprenant des moyens de mesure (A) du courant en amont de chacun desdits premier et deuxième circuits redresseurs et du courant de charge de la batterie pour élaborer un courant de compensation du courant harmonique.
  5. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le premier circuit redresseur comprend un pont de diodes (5), ledit convertisseur comprenant un circuit de hachage survolteur.
  6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les premier et deuxième circuits redresseurs transfèrent conjointement la puissance active délivrée par le réseau vers la batterie.
  7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il constitue un chargeur triphasé.
  8. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il constitue un chargeur monophasé.
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