FR3026243A1 - Dispositif et procede de charge d'une batterie et d'alimentation d'une machine electrique a double convertisseur continu-continu - Google Patents

Abstract

Ce dispositif combiné de charge d'une batterie et d'alimentation d'une machine électrique comporte deux étages en parallèle (3, 4) destinés à être raccordés entre la batterie (2) et un réseau d'alimentation (R), comprenant chacun un convertisseur DC/DC (5, 6) destiné à être raccordé du côté de la batterie et un onduleur (7, 8) ; En mode de charge de la batterie, le circuit onduleur (8) de l'un des étages constitue un pont de diodes assurant le redressement du courant fourni par le réseau, l'onduleur (7) de l'autre étage étant raccordé à au moins une inductance (L1, L2, L3) pour constituer un filtre actif de compensation des harmoniques engendrés par le pont de diodes.

Description

Dispositif et procédé de charge d'une batterie et d'alimentation d'une machine électrique à double convertisseur continu-continu La présente invention concerne l'alimentation électrique de véhicules automobiles à traction au moins partiellement électrique. Elle concerne plus particulièrement un dispositif et un procédé combiné de charge d'une batterie et d'alimentation électrique d'une machine électrique du véhicule. Il s'agit de permettre une recharge de la batterie du véhicule directement à partir d'un réseau d'alimentation électrique et l'alimentation d'une machine électrique du véhicule, en l'espèce le moteur électrique de traction, à partir de l'énergie électrique fournie par la batterie. Lors du roulage, 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.

Compte tenu de l'autonomie limitée et du temps élevé d'une charge complète, la charge des batteries de traction d'un véhicule électrique demeure l'une des difficultés technologiques à surmonter pour un déploiement massif de ce type de véhicule. 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 des composants déjà utilisés pour d'autres fonctions. Il a été proposé d'intégrer le chargeur dans le véhicule en utilisant les éléments de la chaîne de traction pendant la charge.

Une solution consiste à utiliser les bobinages du moteur en tant qu'inductance pour réaliser la chaîne de charge de la batterie.

Le document WO 2010/057893 propose également d'utiliser 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. 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. Dans ce but, l'invention propose un dispositif combiné de charge d'une batterie et d'alimentation d'une machine électrique comportant deux étages en parallèle destinés à être raccordés entre la batterie et un réseau d'alimentation électrique, comprenant chacun un convertisseur continu-continu destiné à être raccordé du côté de la batterie et un circuit onduleur. En outre, en mode de charge de la batterie, le circuit onduleur de l'un des étages constitue un pont de diodes assurant le redressement du courant fourni par le réseau, l'onduleur de l'autre étage étant raccordé à au moins une inductance pour constituer un filtre actif de compensation des harmoniques engendrés par le pont de diodes. Selon une autre caractéristique du dispositif selon l'invention, celui-ci comprend des moyens pour commander le filtre actif pour injecter un courant harmonique de même amplitude et de phase opposée à celles d'un courant harmonique engendré par le pont redresseur.

De préférence, l'inductance est formée par l'enroulement d'un moteur de la machine électrique. Selon une autre caractéristique, le filtre actif constitue un redresseur survolteur commandé par modulation en largeur d'impulsion. Selon encore une autre caractéristique du dispositif selon l'invention, les premier et deuxième étages sont adaptés pour transférer conjointement la puissance active délivrée par le réseau vers la batterie en mode de charge de la batterie.

Chaque onduleur comprend avantageusement un ensemble d'éléments de commutation associés chacun à une diode connectée en antiparallèle. L'invention a également pour objet un procédé de charge d'une batterie au moyen d'un dispositif combiné de charge de la batterie et d'alimentation d'une machine électrique comprenant des étages en parallèle raccordés entre la batterie et un réseau d'alimentation électrique et comprenant chacun un convertisseur continu-continu raccordé du côté de la batterie et un circuit onduleur. Le circuit onduleur de l'un des étages constitue un pont de diodes assurant le redressement du courant fourni par le réseau, l'onduleur de l'autre étage étant raccordé à au moins une inductance pour constituer un filtre actif de compensation des harmoniques engendrés par le pont de diodes. 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 synoptique d'un dispositif de charge et d'alimentation conforme à l'invention ; - la figure 2 montre le schéma de la figure 1, lors de la charge ; et - les figures 3, 4 et 5 montrent l'évolution en fonction du temps du courant en des points caractéristiques du circuit de la figure 2.

On se référera tout d'abord à la figure 1 qui illustre la structure générale d'un dispositif de charge et d'alimentation conforme à l'invention, désigné par la référence numérique générale 1. Ce dispositif est destiné à constituer un chargeur embarqué à bord d'un véhicule automobile pour assurer l'alimentation du moteur électrique de traction du véhicule à partir d'une batterie à haute tension et pour assurer la recharge de la batterie lorsque le véhicule est à l'arrêt et raccordé à une prise d'un réseau de distribution électrique ou lors du roulage du véhicule.

Lorsque l'on procède à la recharge des batteries de traction à l'arrêt du véhicule, il peut s'agir soit de procéder à une recharge rapide, à partir d'un réseau de distribution triphasé, soit une charge lente, à partir d'un réseau de distribution monophasé. Comme on le voit, le dispositif 1 comprend essentiellement une batterie de traction 2, et deux étages en parallèle 3 et 4, à savoir un premier étage 3 et un deuxième étage 4, comprenant chacun un convertisseur courant continu-courant continu, respectivement 5 et 6, branché aux bornes de la batterie 2, un onduleur, respectivement 7 et 8, raccordé entre le convertisseur 5 ou 6 correspondant et le réseau R d'alimentation et un condensateur Cl et C2 raccordé en parallèle entre l'onduleur et le convertisseur. Chaque circuit onduleur 7 et 8 comporte six cellules de commutation constituant, deux à deux, avec l'onduleur de l'autre étage, trois ponts en H. Une inductance Li, L2 et L3 est raccordée entre les branches de chaque pont de la structure en H. Une structure de ponts 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 des interrupteurs entrant dans la constitution de l'onduleur.

Chaque onduleur 3 , 4 est formé respectivement par six éléments de commutation formés par des interrupteurs raccordés deux à deux de façon à former trois bras 3-1, 3-2, 3-3 et 4-1, 4-2 et 4-3 en parallèle sur les convertisseurs 5 et 6.

Par exemple, les interrupteurs T sont constitués de transistors bipolaires à grille isolée IGBT (pour « Insulated Gate Bipolar Transistor ») ou de thyristors à extinction par la grille GTO (pour « Gate Turnoff Thyristor »). Ils sont raccordés de sorte que, dans chaque bras 3-1 à 3-3 et 4-1 à 4-3, l'émetteur de l'un des transistors soit raccordé au collecteur de l'autre transistor. En outre, à chaque transistor T est associée une diode D en antiparallèle de sorte que son anode et sa cathode soient respectivement connectées à l'émetteur et au collecteur de l' interrupteur. On voit enfin sur la figure 1 que les inductances Li, L2 et L3 sont connectées au point milieu entre les transistors de chaque bras et que le point commun ml, m2, et m3 entre les inductances Li à L3 et l'onduleur 8 du deuxième étage 4 est raccordé au réseau triphasé R.

Le circuit représenté à la figure 1 est complété par une unité centrale de commande (non représentée) pilotant les convertisseurs 5 et 6 et les interrupteurs de chaque onduleur, par exemple en modulation en largeur d'impulsions, en fonction du mode de traction ou de charge.

En mode de traction, c'est-à-dire lorsque le moteur est alimenté à partir de la batterie 2, les deux convertisseurs 5 et 6 sont commandés de la même manière et agissent comme un seul convertisseur DC/DC élévateur de tension entre la batterie et l'onduleur. Les deux onduleurs 3 et 4 convertissent le courant continu délivré par la batterie en un courant alternatif pour l'alimentation du moteur. En mode de charge, c'est-à-dire lorsque le dispositif 1 est raccordé au réseau R, les trois phases du réseau électrique sont connectées aux points ml, m2 et m3.

Dans ce cas, l'onduleur 8 du deuxième étage n'est pas commandé lors du fonctionnement en tant que chargeur de batterie de sorte que les diodes D forment un pont triphasé à six diodes permettant de redresser la puissance alternative délivrée par le réseau en une puissance continue. Le convertisseur DC/DC bidirectionnel correspondant assure la fonction d'abaisseur de tension pour adapter les tensions et contrôler le courant Ip de charge de la batterie. On notera que pour assurer le bon fonctionnement du système, la tension de la batterie 2 doit être inférieure à la tension minimale en entrée du convertisseur 6 du deuxième étage abaisseur de tension, soit 465 volts pour une tension efficace entre phases de 380 VAC ( x 380 465). Si cette condition n'est pas respectée, cette contrainte peut être résolue en remplaçant les deux convertisseurs DC/DC 5 et 6 par deux convertisseurs réversibles assortis associant par exemple un convertisseur abaisseur de tension à un convertisseur élévateur de tension. En mode de charge, la puissance active P délivrée par le réseau à la batterie est transmise en partie par le premier étage 3 et en partie par le deuxième étage 4. Dans la suite, on notera « P1 », la partie de la puissance active « P » transférée par le pont de diodes formé par l'onduleur 8 du deuxième étage 4 pour charger la batterie et « P2 » la partie transférée par l'autre étage.

Bien entendu, la puissance active totale délivrée par le réseau est constituée par la somme de puissances actives P1 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.

Le courant Ip délivré en sortie du convertisseur 6 du deuxième étage est contrôlé à une valeur constante continue égale à Pl/Vbat, Vbat désignant la tension de la batterie 2. En mode de charge, l'onduleur 7 du premier étage 1 forme avec les enroulements Li, L2 et L3 du moteur un redresseur triphasé survolteur commandé par modulation en largeur d'impulsions permettant de corriger le facteur de puissance et de transférer une partie de la puissance de charge totale. Par ailleurs, les courants Ipl, Ip2 et Ip3 en entrée du pont de diodes 4 du deuxième étage sont constitués par des signaux rectangulaires de valeur nulle pendant un tiers de la période. Ils contiennent des harmoniques de rang n. Ainsi, en ce qui concerne la première phase, le courant ipl est donné par la relation suivante : ipl=ipli+ipl', dans laquelle ipli désigne la composante fondamentale de ip 1 et ipl désigne le courant harmonique de rang n du courant ipl. 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 et égal à 5. 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 4 et des courants ial, ia2 et ia3 délivrés à l'onduleur 7 du premier étage. 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+ial., dans laquelle iali désigne la composante fondamentale de ial ; et ial désigne les courants harmoniques de rang n du courant ial. Les courants i2 et i3 satisfont également aux relations : i2=ip2+ia2 et i3=ip3+ia3. De même, ia2=ia21+ia2. et ia3=ia31+ia3.. On peut ainsi écrire : il=(ipli+ipl')+(iali+ial.) ; i2=(ip2i+ip2.)+(ia2i+ia2.) et i3=(ip3 i+ip3')+(ia3 i+ia3.). 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 bras 3-1 à 3-3 du circuit onduleur 3 sont pilotés 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 4. On a ainsi : ialn=-ipin ; ia2n=-ip2n ; et ia3n=-ip3n.

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 circuit redresseur 4. On a ainsi ; i2=ip2i+ia2i ; et On notera par ailleurs que les enroulements Li, L2 et L3 du moteur électrique M sont utilisés pour connecter le circuit redresseur triphasé survolteur en parallèle avec la chaîne d'alimentation passant par le pont de diodes 4 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 se référera à la figure 2 qui représente le circuit équivalent du dispositif de la figure 1 en mode de charge. Sur cette figure, on reconnaît le circuit onduleur 8 du deuxième étage qui forme un pont triphasé à six diodes assurant le redressement du courant délivré par le réseau électrique triphasé et l'onduleur 7 du premier étage 3 qui forme avec les enroulements du moteur un redresseur survolteur de type PWM.

On va maintenant décrire, un exemple de méthode d'élaboration des signaux de commande élaborés pour piloter les interrupteurs T de l'onduleur 7 du premier étage lorsque le dispositif fonctionne en tant que chargeur.

Dans une première boucle de régulation utilisant un correcteur proportionnel-intégral par exemple, on régule la tension Vdc aux bornes du condensateur Cl à une valeur constante. On peut donc calculer la référence du courant idref selon l'axe d direct. id et iq correspondent aux valeurs des courants il à i3 dans le plan de Park tournant à la fréquence du réseau d'alimentation. On pose toutefois que la référence du courant iq selon l'axe en quadrature q est nulle pour imposer une compensation totale de l'énergie réactive. Avec une régulation de type proportionnel-intégral sur le courant Id de l'axe direct d d'une part et le courant iq de l'axe q en quadrature d'autre part, on obtient les commandes en tension dans le plan de Park de l'onduleur 7 que l'on retransforme dans le domaine triphasé par transformée inverse de Park pour commander chacun les interrupteurs des bras 3-1, 3-2 et 3-3.

On a représenté sur les figures 3, 4 et 5, l'évolution des principaux courants circulant dans le dispositif 1. Comme on le voit, grâce à l'invention, les courants Ta, Ip et le courant de charge Ich sont sensiblement constants en fonction du temps (figure 3).

On voit sur la figure 4 que le courant lai (courbe III) comporte des composantes harmoniques qui annulent les composantes harmoniques créées dans le courant Ipl par le pont de diodes 8 lors de la charge (courbe IV). On voit enfin sur la figure 5 que le courant de ligne Il issu du réseau R est sinusoïdal mais fortement perturbé (courbe I). Après filtrage par un filtre passif non représenté sur le schéma, ce courant devient parfaitement sinusoïdal (courbe II).

On notera enfin que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits. En effet, dans la description faite en référence aux figures 1 et 2, on a considéré un mode de réalisation dans lequel le dispositif d'alimentation et de charge est destiné à la charge d'une batterie de traction à partir d'un réseau triphasé. Il est également possible, en variante, de procéder à la charge de la batterie à partir d'un réseau monophasé. Dans ce cas, en se référant à nouveau à la figure 1, le réseau sera simplement connecté entre deux points ml et m2. Dans ce cas, la charge à partir d'un réseau monophasé est également basée sur le principe d'un filtrage actif, comme indiqué précédemment.

Claims (8)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif combiné de charge d'une batterie et d'alimentation d'une machine électrique, caractérisé en ce qu'il comporte deux étages (3, 4) en parallèle destinés à être raccordés entre la batterie (2) et un réseau d'alimentation électrique (R), comprenant chacun un convertisseur continu-continu (5, 6) destiné à être raccordé du côté de la batterie et un circuit onduleur (7, 8), et en ce que, en mode de charge de la batterie, le circuit onduleur (8) de l'un des étages constitue un pont de diodes assurant le redressement du courant fourni par le réseau, l'onduleur (7) de l'autre étage étant raccordé à au moins une inductance (L1, L2, L3) pour constituer un filtre actif de compensation des harmoniques engendrés par le pont de diodes.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant des moyens pour commander le filtre actif pour injecter un courant harmonique de même amplitude et de phase opposée à celles d'un courant harmonique engendré par le pont redresseur.
3. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel l'inductance (L1, L2, L3) est formée par l'enroulement d'un moteur de la machine électrique.
4. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le filtre actif constitue un redresseur survolteur commandé par modulation en largeur d'impulsion.
5. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les premier et deuxième étages (3, 4) sont adaptés pour transférer conjointement la puissance active délivrée par le réseau vers la batterie, en mode de charge de la batterie.
6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel chaque onduleur comprend un ensemble d'éléments de commutation (T) associés chacun à une diode (D) connectée en antiparallèle.
7. 7. Procédé de charge d'une batterie au moyen d'un dispositif combiné de charge de la batterie et d'alimentation d'une machine électrique comprenant deux étages (3, 4) en parallèle raccordés entrela batterie (2) et un réseau (R) d'alimentation électrique comprenant chacun un convertisseur continu-continu (5, 6) raccordé du côté de la batterie et un circuit onduleur (7,
8. 8), caractérisé en ce que le circuit onduleur (8) de l'un des étages constitue un pont de diode assurant le redressement du courant fourni par le réseau, l'onduleur (7) de l'autre étage étant raccordé à au moins une inductance (L1, L2, L3) pour constituer un filtre actif de compensation des harmoniques engendrés par le pont de diodes.