FR3056853B1

FR3056853B1 - Procede de commande d'un redresseur triphase pour un dispositif de charge embarque sur un vehicule electrique ou hybride

Info

Publication number: FR3056853B1
Application number: FR1659118A
Authority: FR
Inventors: Mohamed Koteich; Abdelmalek Maloum
Original assignee: Renault SAS; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Renault SAS; Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2016-09-27
Filing date: 2016-09-27
Publication date: 2019-08-23
Anticipated expiration: 2036-09-27
Also published as: FR3056853A1

Abstract

L'invention concerne un procédé de commande d'un redresseur triphasé (110) connecté à un réseau d'alimentation électrique triphasé (4), comprenant un asservissement des courants en entrée suivant des consignes de courants triphasés, dans lequel : - on détermine les courants et tensions de phase dans un repère triphasé fixe ; - on transforme les consignes de courants dans un repère diphasé fixe ; - on calcule l'amplitude et l'angle des consignes de courants transformés dans le repère diphasé ; - on détermine des courants et tensions de phase dans le repère diphasé, en fonction des courants et de tensions de phase déterminés dans le repère triphasé et de l'angle calculé des consignes de courants transformés dans le repère diphasé fixe ; - on calcule les tensions de commande dudit redresseur à partir des courants et tensions de phase déterminés dans le repère diphasé. Application aux chargeurs de batterie des véhicule électriques/hybrides.

Description

Procédé de commande d’un redresseur triphasé pour un dispositif de charge embarqué sur un véhicule électrique ou hybride

La présente invention concerne un procédé de commande d’un redresseur triphasé pour un dispositif de charge à entrée triphasée, comprenant un convertisseur AC-DC (courant alternatif-courant continu) isolé. Un tel dispositif de charge est particulièrement adapté pour une utilisation en tant que dispositif embarqué dans un véhicule automobile électrique ou hybride.

Ces véhicules sont équipés de batteries électriques haute tension et comprennent généralement des chargeurs embarqués, c’est-à-dire des dispositifs de charge des batteries électriques qui sont montés directement sur les véhicules. La fonction principale de ces dispositifs de charge est la recharge des batteries à partir de l’électricité disponible sur le réseau de distribution électrique. Ils assurent donc une conversion d’un courant alternatif en courant continu. Les critères recherchés pour les dispositifs de charge, et tout particulièrement pour les chargeurs embarqués, sont un rendement élevé, un faible encombrement, une isolation galvanique, une bonne fiabilité, une sécurité de fonctionnement, une faible émission de perturbations électromagnétiques, et un faible taux d’harmoniques sur le courant d’entrée.

On se place ici dans la catégorie des dispositifs de charge à entrée triphasée, qui présentent une puissance de charge supérieure relativement aux dispositifs de charge à entrée monophasée. La figure 1 illustre une topologie connue d’un dispositif de charge 10 isolé, embarqué sur un véhicule électrique ou hybride pour la recharge de la batterie haute tension 20 du véhicule à partir du réseau électrique triphasé 30 auquel le dispositif de charge embarqué 10 est connecté par l’intermédiaire de l’impédance de ligne 40 du réseau.

Afin de mettre en œuvre la fonction de conversion AC-DC avec isolation galvanique, il est connu d’utiliser un dispositif de charge 10 comprenant un premier convertisseur AC-DC, qui comporte un circuit correcteur de facteur de puissance 11 (PFC, pour « Power factor Correction ») afin de limiter les harmoniques de courant d’entrée, et un deuxième convertisseur DC-DC (courant continu - courant continu) 12, pour assurer la régulation de la charge et également pour assurer la fonction d’isolation pour la sécurité d’utilisation. Un filtre d’entrée 13 est classiquement intégré en entrée du dispositif de charge embarqué 10, en amont du circuit PFC 11 par rapport au réseau électrique triphasé 30.

Le circuit PFC 11 est géré par un contrôleur intégré (non représenté), qui analyse et corrige en temps réel l’allure du courant par rapport à la tension. Il en déduit les erreurs de forme par comparaison avec la sinusoïde redressée de la tension et il les corrige en contrôlant la quantité d’énergie grâce à un découpage haute fréquence et un stockage d’énergie dans une inductance. Son rôle est plus précisément d’obtenir un courant non déphasé et le plus sinusoïdal possible en entrée de l’alimentation du chargeur.

Pour le circuit PFC, il est possible de mettre en œuvre un redresseur triphasé trois nivaux à trois interrupteurs, communément connu sous le nom de redresseur triphasé de Vienne. Le choix de cette topologie est en effet particulièrement avantageux du point de vue des performances pour la correction de facteur de puissance.

Le document de brevet CN 104811061 décrit à la figure 1 une modélisation d’un tel redresseur PFC triphasé où chaque phase de la tension d’entrée alternative triphasée est reliée par des inductances respectives L1, L2, L3 à un bras de commutation du redresseur pourvu d’un interrupteur de puissance, respectivement S1, S2, S3, les interrupteurs de puissance étant disposés chacun entre une inductance respective et un point milieu M entre les deux tensions de sortie du redresseur, correspondant respectivement à la tension sur un premier condensateur de sortie C1 connecté entre le point milieu et une ligne d’alimentation positive et à la tension sur un deuxième condensateur de sortie C2 connecté entre le point milieu et une ligne d’alimentation négative. Généralement pour commander un tel redresseur, on mesure les tensions et les courants en entrée de chaque interrupteur ainsi qu’en sortie du redresseur et on utilise des boucles de régulation permettant de régler le temps de conduction moyen des interrupteurs. Dans le document CN 104811061, l’objectif n’est pas de réguler un courant réseau suivant les objectifs décrits plus haut, mais de réguler les tensions sur les condensateurs de sortie par le PFC de sorte à délivrer des tensions constantes. En particulier, ces tensions sont stabilisées par les interrupteurs de puissance en commande pleine onde. Par contre, aucune régulation du courant en entrée n’est appliquée.

Un but de l’invention est de pallier cette limitation.

Conformément à l’invention, ce but est atteint par un procédé de commande d’un circuit correcteur de facteur de puissance pour un dispositif de charge de batterie embarqué dans un véhicule automobile électrique ou hybride, ledit dispositif de charge étant apte à être connecté à un réseau d’alimentation électrique triphasé afin de charger la batterie et comportant un convertisseur AC-DC isolé comprenant ledit circuit correcteur de facteur de puissance et un convertisseur DC-DC, ledit circuit correcteur de facteur de puissance étant un redresseur triphasé de Vienne comportant trois bras de commutation aptes à être connectés chacun à l’une des phases respectives du réseau d’alimentation triphasé par l’intermédiaire d’une bobine d’inductance en série, ledit procédé comprenant un asservissement des courants en entrée du redresseur triphasé de Vienne suivant des consignes de courants triphasés, dans lequel : - on détermine les courants et tensions de phase en entrée du redresseur triphasé de Vienne dans un repère triphasé fixe ; - on transforme les consignes de courants triphasés dans un repère diphasé fixe ; - on calcule l’amplitude et l’angle des consignes de courants triphasés transformés dans le repère diphasé fixe ; - on détermine des courants et tensions de phase dans le repère diphasé, en fonction des courants et de tensions de phase déterminés dans le repère triphasé et de l’angle calculé des consignes de courants triphasés transformés dans le repère diphasé fixe ; - on calcule les tensions à appliquer via les bras de commutation pour la commande dudit redresseur triphasé de Vienne à partir des courants et tensions de phase déterminés dans le repère diphasé.

Avantageusement, le calcul des tensions à appliquer via les bras de commutation pour la commande dudit redresseur triphasé de Vienne à partir des courants et tensions de phase déterminés dans le repère diphasé, comprend une étape de régulation permettant d’asservir les courants de phase déterminés dans le repère diphasé à l’amplitude des consignes de courants triphasés transformés dans le repère diphasé et une étape de transformation appliquée sur la sortie de la régulation pour revenir au repère triphasé fixe.

Il est en outre proposé un dispositif de commande d’un circuit correcteur de facteur de puissance pour un dispositif de charge de batterie embarqué dans un véhicule automobile électrique ou hybride, ledit dispositif de charge étant apte à être connecté à un réseau d’alimentation électrique triphasé afin de charger la batterie et comportant un convertisseur AC-DC isolé comprenant ledit circuit correcteur de facteur de puissance et un convertisseur DC-DC, ledit circuit correcteur de facteur de puissance étant un redresseur triphasé de Vienne comportant trois bras de commutation aptes à être connectés chacun à l’une des phases respectives du réseau d’alimentation triphasé par l’intermédiaire d’une bobine d’inductance en série, ledit dispositif comprenant des moyens de traitement agencés pour exécuter les étapes du procédé décrit ci-dessus. Ces moyens de traitement peuvent par exemple comprendre un processeur, par exemple un microprocesseur, un microcontrôleur, ou autre. L’invention concerne encore un véhicule automobile électrique ou hybride comprenant une batterie haute tension et un dispositif de charge embarqué apte à charger la batterie à partir d’un réseau d’alimentation électrique triphasé, ledit dispositif de charge comportant un convertisseur AC-DC isolé comprenant un circuit correcteur de facteur de puissance et un convertisseur DC-DC, ledit circuit correcteur de facteur de puissance étant un redresseur triphasé de Vienne comportant trois bras de commutation aptes à être connectés chacun à l’une des phases respectives du réseau d’alimentation triphasé par l’intermédiaire d’une bobine d’inductance en série, ledit véhicule comprenant un dispositif de commande tel que décrit ci-dessus. D’autres particularités et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d’un mode de réalisation particulier de l’invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux figures suivantes dans lesquelles : - la figure 1 illustre de façon schématique une topologie connue d’un dispositif de charge de batterie destiné à être embarqué sur un véhicule automobile électrique ou hybride, - la figure 2 illustre de façon schématique la structure d’un redresseur triphasé de Vienne intégré au dispositif de charge de la figure 1, sans le filtre d’entrée, - la figure 3 illustre le principe de transformation des coordonnées des consignes de courant mis en œuvre pour la commande du redresseur triphasé de Vienne.

La figure 2 rappelle donc la structure du redresseur triphasé de Vienne utilisé ici pour la correction du facteur de puissance du dispositif de charge. Le redresseur triphasé de Vienne 110 comprend trois connexions entrantes parallèles couplées chacune à une phase A, B, C d’un réseau d’alimentation électrique 4 triphasé par l’intermédiaire d’une bobine d’inductance en série L1, L2, L3, et reliée chacune à une paire d’interrupteurs S1, S2, S3 formant un bras de commutation du redresseur triphasé de Vienne.

Chaque paire d’interrupteurs S1, S2, S3 comprend un montage série constitué d’un premier interrupteur correspondant 1H, 2H, 3H, qui est piloté quand un courant d’entrée correspondant la, Ib, le est positif, et d’un second interrupteur correspondant 1L, 2L, 3L qui est piloté quand le courant d’entrée correspondant est négatif. Les interrupteurs sont formés par des composants semi-conducteurs commandés à la fermeture et à l’ouverture, tel que par exemple des transistors MOS (acronyme anglais pour « Métal Oxide Semiconductor »), connectés en antiparallèle avec une diode. Les interrupteurs 1H sont également nommés interrupteurs haut et les interrupteurs 1L, interrupteurs bas.

Le redresseur triphasé de Vienne comprend aussi trois branches parallèles 1,2 et 3, comportant chacune deux diodes D1 et D2, D3 et D4 et D5 et D6, qui forment un pont triphasé à six diodes permettant de redresser le courant et la tension prélevés à partir d’un réseau d’alimentation électrique 4 triphasé. Chaque entrée du redresseur triphasé de Vienne est connectée, par une connexion entrante parallèle respective, à un point de connexion situé entre deux diodes d’une même branche 1,2 et 3.

Les deux extrémités communes des branches 1, 2 et 3 constituent deux bornes de sorties 5 et 6, respectivement positive et négative, du redresseur triphasé de Vienne, qui sont destinées à être couplées au dispositif DC-DC.

Les bras de commutation S1, S2, S3 de chaque phase sont par ailleurs connectés chacun respectivement entre le point de connexion situé entre les deux diodes des première, deuxième et troisième branches 1,2 et 3 et un point milieu M des tensions de sortie VDC_high et VDCJow du redresseur triphasé de Vienne, correspondant respectivement à la tension sur un condensateur de sortie C1 entre la borne de sortie positive 5 du redresseur triphasé et le point milieu M et à la tension sur un condensateur de sortie C2 entre le point milieu M et une borne de sortie négative 6 du redresseur triphasé. A noter que la tension sur les condensateurs de sortie C1, C2 est asservie de façon indépendante par le convertisseur DC-DC du dispositif de charge connecté en sortie du redresseur triphasé de Vienne, selon la topologie globale illustré à la figure 1. Autrement dit, les tensions de sortie du redresseur triphasé de Vienne sont commandées par le convertisseur DC-DC.

Le redresseur triphasé de Vienne intercalé à l’entrée de l’alimentation du chargeur assume le rôle de correction du facteur de puissance du chargeur. Un tel rôle permet d’empêcher les courants perturbateurs (harmoniques) produits par le chargeur, de circuler à travers l’impédance du réseau, située en amont du point de connexion du redresseur de Vienne.

Les bras de commutation du redresseur triphasé de Vienne sont contrôlés aux moyens de trois signaux de commande PWM (acronyme anglo-saxon pour « Puise Width Modulation ») ayant un rapport cyclique variable individuellement réglé par des moyens de traitement de type microcontrôleur par exemple (non représenté). Ainsi, les moyens de traitement sont adaptés à définir les rapports cycliques nécessaires pour l’asservissement des courants sinusoïdaux en entrée du redresseur.

On va effectuer tout d’abord une modélisation du système en vue de la détermination de la commande du redresseur triphasé de Vienne.

Soient Va, Vb et Vc les tensions simples, entre phases et neutre, en entrée du redresseur triphasé de Vienne et L la valeur des inductances L1, L2 et L3 connectées en série respectivement entre les points A, B et C et les bras de commutation du redresseur. Partant de l’hypothèse d’une boucle de tension à partir de la terre en entrée jusqu’à la terre en passant par le point milieu M, le courant de phase la injecté dans la phase A peut être modélisé de la façon suivante :

Si la >0 :

Va — Lia + (1 — ccH )VDChigh + d OÙ la — — [(œH — l)VDC_hig/l + VAM ] Où aH est le rapport cyclique de la tension de commande appliquée à l’interrupteur haut 1H qui conduit lorsque le courant correspondant est positif. A noter qu’il s’agit d’un modèle moyen : si aH =1, la tension est nulle entre la sortie de la bobine d’inductance L1 et le point milieu M. Si aH = 0, cette tension est égale à VDc_high· Pour des valeurs intermédiaires de aH, on aura une tension intermédiaire.

Si la <0 :

Va = Lia + («L - l)VDC_l0W + VM d OÙ ία ——[(1 —o;l)VdC_ioh,+VAM] Où aL est le rapport cyclique de la tension de commande appliquée à l’interrupteur bas 1L qui conduit lorsque le courant correspondant est négatif. La même logique qu’exposée précédemment s’applique si le courant de phase la est négatif.

Soient les changements de variables suivants appliqués : si la > 0 : — ^DC_high si la < 0 :

=1-«L y = y v DC * DC_low

Donc, pour tout courant de phase la, on peut écrire : îa=^ + ^AM ]

En appliquant la même démarche que ci-dessus pour les deux autres courants de phase Ib et le, on obtient les équations suivantes : (1) /z? = -Î[(«6)yDC+yBM] (2) /c = |[(«c)yDC+yCM] (3) A partir de ces équations (1), (2) et (3), en effectuant les calculs respectifs (1)-(2), (2)-(3) et (3)-(1), on obtient le système d’équations suivant fournissant les variations temporelles des courants entre phases en entrée du redresseur triphasé de Vienne : (4) (5) (6)

Ces trois dernières équations constituent la base de la modélisation mise en œuvre pour la régulation du courant en entrée du redresseur triphasé de Vienne.

Les tensions simples entre phases et neutre en entrée du redresseur triphasé de Vienne sont calculés à partir des tensions composées entre phases, qui elles sont mesurées, comme suit :

(7)

Par ailleurs, soient Γ"1 ,lr"q, les consignes de courants triphasés au niveau des phases respectives en entrée du redresseur triphasé de Vienne.

La figure 3 illustre le vecteur courant de consigne /'"^correspondant à ces consignes de courant dans le repère triphasé (a, b, c).

On transforme ces consignes de courant dans un repère diphasé fixe («,/?), comme suit :

(8)

Ainsi, comme illustré à la figure 3, la projection du vecteur courant de consigne [/^/c] dans le repère diphasé fournit les consignes de courant (z*,z*)que l’on devrait avoir dans ce repère diphasé fixe.

A partir de ces consignes de courants transformés dans le repère diphasé fixe, on calcule ensuite l’angle Θ et l’amplitude l#d du vecteur des consignes de courants dans le repère diphasé fixe de la façon suivante :

i#„ Θ = atany- (9)

Avantageusement, tout le module de ce vecteur des consignes de courant dans le repère diphasé fixe se retrouve dans le courant ld sur l’axe direct d et il n’y a pas besoin de la consigne de courant transformée sur l’axe q. On utilise alors l’angle Θ pour transformer, dans le nouveau repère de la consigne d’angle Θ, les courants de phase mesurés en entrée du redresseur triphasé de Vienne, respectivement I™s ,1™, et les tensions de phase (calculées en fonction des tensions composées mesurées) en entrée du redresseur triphasé de Vienne, respectivement V"!ei, V™es :

(10)

Le régulateur suivant sert à asservir le courant de phase mesuré /™s > obtenu sur l’axe direct d par la transformation précédente (10), à l’amplitude de la consigne de courant dans le repère diphasé fixe /* obtenu par l’équation (9) et à asservir dans le même temps à 0 le courant de phase mesuré /”es , obtenu sur l’axe q par la transformation précédente (10) :

(11) où ω est la bande passante du régulateur, qui est de l’ordre de 1 kHz, et s la variable de Laplace.

Ainsi, avec une régulation comme indiquée ci-dessus sur le courant Ifes sur l’axe direct d, d’une part et le courant sur l'axe q, d’autre part, on obtient les consignes de commande en tension v/ et V?# dans le repère diphasé du redresseur triphasé de Vienne, que l’on retransforme dans le domaine triphasé par transformée inverse pour commander chacun des interrupteurs des bras de commutation du redresseur triphasé de Vienne.

On applique donc les transformations inverses sur la sortie de la régulation décrite ci-dessus pour revenir au repère triphasé simple :

(12)

Au terme de l’équation (12) ci-dessus, on obtient donc finalement les tensions de commande à appliquer sur chacun des bras de commutation du redresseur triphasé de Vienne via les interrupteurs de puissance. L’homme du métier sait générer les rapports cycliques simplement, par comparaison à une rampe notamment, pour réaliser les tensions de commande à appliquer.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de commande d’un circuit correcteur de facteur de puissance (11) pour un dispositif de charge (10) de batterie (20) embarqué dans un véhicule automobile électrique ou hybride, ledit dispositif de charge étant apte à être connecté à un réseau d’alimentation électrique triphasé (4) afin de charger la batterie et comportant un convertisseur AC-DC isolé comprenant ledit circuit correcteur de facteur de puissance (11) et un convertisseur DC-DC (12), ledit circuit correcteur de facteur de puissance (11) étant un redresseur triphasé de Vienne comportant trois bras de commutation (1,2, 3) aptes à être connectés chacun à l’une des phases respectives (A, B, C) du réseau d’alimentation triphasé (4) par l’intermédiaire d’une bobine d’inductance en série (L1, L2, L3), ledit procédé comprenant un asservissement des courants en entrée du redresseur triphasé de Vienne suivant des consignes de courants triphasés, dans lequel : - on détermine les courants et tensions de phase en entrée du redresseur triphasé de Vienne dans un repère triphasé fixe ; - on transforme les consignes de courants triphasés dans un repère diphasé fixe ; - on calcule l’amplitude et l’angle des consignes de courants triphasés transformés dans le repère diphasé fixe ; - on détermine des courants et tensions de phase dans le repère diphasé, en fonction des courants et de tensions de phase déterminés dans le repère triphasé et de l’angle calculé des consignes de courants triphasés transformés dans le repère diphasé fixe ; - on calcule les tensions à appliquer via les bras de commutation pour la commande dudit redresseur triphasé de Vienne à partir des courants et tensions de phase déterminés dans le repère diphasé.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le calcul des tensions à appliquer via les bras de commutation pour la commande dudit redresseur triphasé de Vienne à partir des courants et tensions de phase déterminés dans le repère diphasé, comprend une étape de régulation permettant d’asservir les courants de phase déterminés dans le repère diphasé à l’amplitude des consignes de courants triphasés transformés dans le repère diphasé et une étape de transformation appliquée sur la sortie de la régulation pour revenir au repère triphasé fixe.
3. Dispositif de commande d’un circuit correcteur de facteur de puissance (11) pour un dispositif de charge (10) de batterie (20) embarqué dans un véhicule automobile électrique ou hybride, ledit dispositif de charge étant apte à être connecté à un réseau d’alimentation électrique triphasé (4) afin de charger la batterie et comportant un convertisseur AC-DC isolé comprenant ledit circuit correcteur de facteur de puissance (11) et un convertisseur DC-DC (12), ledit circuit correcteur de facteur de puissance (11) étant un redresseur triphasé de Vienne comportant trois bras de commutation (1,2, 3) aptes à être connectés chacun à l’une des phases respectives (A, B, C) du réseau d’alimentation triphasé (4) par l’intermédiaire d’une bobine d’inductance en série (L1, L2, L3), ledit dispositif de commande comprenant des moyens de traitement agencés pour exécuter les étapes du procédé selon la revendication 1 ou 2.
4. Véhicule automobile électrique ou hybride comprenant une batterie haute tension et un dispositif de charge embarqué apte à charger la batterie à partir d’un réseau d’alimentation électrique triphasé, ledit dispositif de charge comportant un convertisseur AC-DC isolé comprenant un circuit correcteur de facteur de puissance (11) et un convertisseur DC-DC (12), ledit circuit correcteur de facteur de puissance (11) étant un redresseur triphasé de Vienne comportant trois bras de commutation (1,2, 3) aptes à être connectés chacun à l’une des phases respectives (A, B, C) du réseau d’alimentation triphasé (4) par l’intermédiaire d’une bobine d’inductance en série (L1, L2, L3), ledit véhicule comprenant un dispositif de commande selon la revendication 3.