FR3059276A1 - 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 comprenant un convertisseur de tension continu-continu (5), et un onduleur (6) raccordé en sortie du convertisseur, et apte à alimenter en sortie la machine électrique. Il comporte au moins un transformateur (7, 8) dont un premier enroulement constitue une inductance d'entrée du convertisseur de tension continu-continu (5), et dont un deuxième enroulement est raccordé au circuit d'alimentation (4), le transformateur (7, 8) et le convertisseur de tension (5) étant adaptés pour permettre le rechargement de la batterie (2) lorsque le circuit d'alimentation est connecté à un réseau d'alimentation électrique, tout en assurant une isolation galvanique entre le circuit d'alimentation et la batterie.

Description

® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE © N° de publication : 3 059 276 (à n’utiliser que pour les commandes de reproduction) (© N° d’enregistrement national : 16 61612
COURBEVOIE © IntCI8
B 60 L 11/18 (2017.01), H 02 M 7/02
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1
(© Date de dépôt : 29.11.16. (© Demandeur(s) : RENAULT S.A.S Société par actions
(© Priorité : simplifiée — FR.
@ Inventeur(s) : GASCHER ALAIN et SAKR NADIM.
©) Date de mise à la disposition du public de la
demande : 01.06.18 Bulletin 18/22.
©) Liste des documents cités dans le rapport de
recherche préliminaire : Se reporter à la fin du
présent fascicule
(© Références à d’autres documents nationaux (73) Titulaire(s) : RENAULT S.A.S Société par actions sim-
apparentés : plifiée.
©) Demande(s) d’extension : © Mandataire(s) : RENAULT SAS.
DISPOSITIF COMBINE DE CHARGE D'UNE BATTERIE ET D'ALIMENTATION ELECTRIQUE D'UNE MACHINE ELECTRIQUE.
FR 3 059 276 - A1 yV/ Ce dispositif combiné de charge d'une batterie et d'alimentation électrique d'une machine électrique comprenant un convertisseur de tension continu-continu (5), et un onduleur (6) raccordé en sortie du convertisseur, et apte à alimenter en sortie la machine électrique. Il comporte au moins un transformateur (7, 8) dont un premier enroulement constitue une inductance d'entrée du convertisseur de tension continu-continu (5), et dont un deuxième enroulement est raccordé au circuit d'alimentation (4), le transformateur (7, 8) et le convertisseur de tension (5) étant adaptés pour permettre le rechargement de la batterie (2) lorsque le circuit d'alimentation est connecté à un réseau d'alimentation électrique, tout en assurant une isolation galvanique entre le circuit d'alimentation et la batterie.
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.
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 à partir de l’énergie fournie par la batterie.
Afin de garantir la sécurité des personnes et des équipements, les chargeurs de batterie des véhicules automobiles à traction au moins partiellement électrique doivent présenter de préférence une isolation galvanique entre le réseau électrique et le 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.
On pourra à cet égard se référer au document JP2012065501 qui propose d’utiliser des éléments de la chaîne de traction pour former un convertisseur à isolation galvanique pour alimenter un catalyseur de démarrage à chauffage électrique qui chauffe le milieu catalytique lorsque la température diminue au-dessous d’une valeur minimale.
On pourra également se référer au document US20140312810 qui propose d’utiliser l’inductance de magnétisation d’un transformateur et le bras d’un onduleur pour former un hacheur élévateur de tension permettant d’alimenter un onduleur de traction et une machine électrique de véhicules automobiles.
Bien que permettant de réduire le nombre de composants entrant dans la constitution de la chaîne d’alimentation des moteurs électriques, les dispositifs selon l’état de la technique ne permettent pas d’assurer la charge de la batterie.
Le but de l’invention est donc de pallier cet inconvénient.
Au vu de ce qui précède l’invention propose un dispositif combiné de charge d’une batterie et d’alimentation électrique d’une machine électrique comprenant un convertisseur de tension continucontinu, et un onduleur raccordé en sortie du convertisseur, ledit onduleur étant apte à alimenter en sortie ladite machine électrique.
Selon une caractéristique du dispositif selon l’invention, il comporte au moins un transformateur dont un premier enroulement constitue une inductance d’entrée du convertisseur de tension continucontinu, et dont un deuxième enroulement est raccordé au circuit d’alimentation, le transformateur et le convertisseur de tension étant adaptés pour permettre le rechargement de la batterie lorsque le circuit d’alimentation est connecté à un réseau d’alimentation électrique, tout en assurant une isolation galvanique entre le circuit d’alimentation et la batterie.
De préférence, le convertisseur de tension continu-continu comprend un hacheur, le hacheur comprenant autant de bras que de transformateurs.
Selon une autre caractéristique du dispositif selon l’invention, le second enroulement du transformateur est à la tension d’alimentation issue du circuit d’alimentation.
Dans un mode de réalisation, le dispositif selon l’invention comprend au moins un transformateur comprenant chacun un enroulement raccordé à un bras de hacheur et un enroulement recevant la tension d’alimentation.
Dans un autre mode de réalisation, le transformateur comprend trois enroulements.
L’invention a également pour objet un procédé de charge d’une batterie au moyen d’un dispositif combiné de charge d’une batterie et d’alimentation électrique d’une machine électrique comprenant un convertisseur de tension continu-continu, un onduleur raccordé en sortie du convertisseur, ledit onduleur étant apte à alimenter en sortie ladite machine électrique, et au moins un transformateur dont un premier enroulement constitue une inductance d’entrée du convertisseur de tension continu-continu, et dont un deuxième enroulement est raccordé au circuit d’alimentation, dans lequel lorsque le circuit d’alimentation électrique est connecté à un réseau d’alimentation électrique, le transformateur et le convertisseur de tension permettent le rechargement de la batterie tout en assurant une isolation galvanique entre le circuit d’alimentation et la batterie.
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 est une vue schématique d’un second mode de réalisation d’un dispositif combiné de charge et d’alimentation conforme à l’invention comprenant plusieurs transformateurs et plusieurs bras de hacheur ; et
- la figure 3 est une vue schématique d’un troisième mode de réalisation d’un dispositif combiné de charge et d’alimentation électrique conforme à l’invention comprenant un transformateur à trois enroulements.
On se référera tout d’abord à la figure 1 qui illustre un premier mode de réalisation d’un dispositif de charge et d’alimentation selon l’invention.
Ce dispositif est destiné à être embarqué à bord d’un véhicule automobile à traction au moins partiellement électrique pour recharger la batterie du véhicule directement à partir d’un réseau d’alimentation électrique et alimenter une machine électrique du véhicule, en l’espèce le moteur de traction, à partir de l’énergie fournie par la batterie.
Le dispositif comporte un étage d’alimentation 1 raccordé à la batterie 2 qui assure l’alimentation électrique de la machine électrique 3 destinée à la traction du véhicule électrique et un étage de charge 4 destiné à être raccordé à un réseau R d’alimentation électrique monophasé, et qui assure la charge de la batterie 2.
L’étage d’alimentation 1 comporte un élévateur de tension comportant un hacheur 5 raccordé entre un premier enroulement 7 d’un transformateur T et un onduleur 6 relié au hacheur 5. Le hacheur 5 comporte un bras de deux transistors Tl et T2 reliés entre eux de telle façon que l’émetteur de l’un soit relié au collecteur de l’autre. Les transistors Tl et T2 sont associés chacun à une diode Dl, D2 branchée en antiparallèle, l’anode et la cathode de chaque diode étant respectivement raccordées à l’émetteur et au collecteur d’un transistor. Le nœud commun entre les transistors Tl et T2 est également relié au premier enroulement 7 du transformateur T.
L’étage de charge 4 comporte un troisième transistor T3 dont le collecteur est raccordé à un deuxième enroulement 8 du transformateur T et à un redresseur correcteur de facteur de puissance (PFC d’après l’anglais « Power Factor Corrector ») 9.
Les transistors sont pilotés par un circuit de commande, non représenté.
En mode traction, c’est-à-dire lorsque le moteur est alimenté à partir de la batterie 2 et le réseau électrique R est non connecté, l’élévateur de tension contrôle et régule la tension indépendamment de la charge de la batterie 2 et alimente l’onduleur 6. L’onduleur 6 convertit le courant continu délivré par la batterie 2 en un courant alternatif pour l’alimentation électrique de la machine électrique 3. Dans ce mode, l’inductance de magnétisation du transformateur T joue le rôle d’inductance pour l’élévateur de tension.
En mode chargeur, c’est-à-dire lorsque l’étage de charge 4 est raccordé au réseau R d’alimentation électrique, la diode Dl et l’inductance formée par le premier enroulement 7 du transformateur T, déjà présents dans la chaîne de traction, sont utilisées pour former un chargeur isolé. Lors d’une première phase de fonctionnement qui constitue une phase de stockage d’énergie dans le circuit magnétique, le deuxième enroulement 8 du transformateur est relié directement à la tension redressée en sortie du redresseur correcteur de facteur de puissance (PFC) 9 par l’intermédiaire du transistor T3 qui est à l’état passant. Il en résulte une augmentation du flux magnétique dans le transformateur T. La tension aux bornes du secondaire 7 du transformateur T est négative bloquant ainsi la diode Dl. Lors d’une seconde phase, le transistor T3 est à l’état bloqué. L’énergie stockée dans le transformateur est injectée dans l’étage d’alimentation 1 par l’intermédiaire du premier enroulement 7 du transformateur et charge la batterie 2 par l’intermédiaire de la diode Dl. Le transistor T3 du circuit de charge, le transformateur 7, 8 et la diode Dl forment un convertisseur isolé connu par l’homme du métier sous le nom de convertisseur de type «flyback».
Le mode de réalisation exposé à la figure 2, sur laquelle des éléments identiques à ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes références numériques, représente une structure du dispositif combiné de charge d’une batterie et d’alimentation électrique d’une machine électrique qui diffère de celle exposée à la figure 1 en ce que le dispositif contient au moins deux transformateurs et autant de bras de hacheur.
L’étage d’alimentation 1 comporte un élévateur de tension comportant un hacheur 5 raccordé entre deux enroulements 7a et 7b de deux transformateurs Ta et Tb respectifs et un onduleur 6. Il comporte autant de bras que de transformateurs. Il comporte quatre transistors, d’une part les transistors Tla et T2a, et d’autre part les transistors Tlb et T2b qui sont respectivement reliés entre eux de telle façon que l’émetteur de l’un soit relié au collecteur de l’autre. Les transistors Tla, T2a et Tlb, T2b sont associés chacun respectivement à une diode Dla, D2a et Dlb, D2b branchée en antiparallèle, l’anode et la cathode de chaque diode étant respectivement raccordées à l’émetteur et au collecteur d’un transistor. Le nœud commun entre respectivement d’une part les transistors Tla et T2a, et d’autre part les transistors Tlb et T2b sont également reliés respectivement aux premiers enroulements 7a et 7b des transformateurs Ta et Tb.
L’étage de charge 4 comporte un troisième transistor T3a et un quatrième transistor T3b dont les collecteurs sont respectivement raccordés aux deuxièmes enroulements 8a et 8b des transformateurs Ta et Tb, et les émetteurs sont raccordés au redresseur correcteur de facteur de puissance (PFC) 9.
Les transistors sont pilotés par un circuit de commande, non représenté.
Comme dans le mode traction décrit précédemment, lorsque le moteur est alimenté à partir de la batterie 2 et le réseau électrique R est non connecté, l’élévateur de tension contrôle et régule la tension indépendamment de la charge de la batterie 2 et alimente l’onduleur 6. L’onduleur 6 convertit le courant continu délivré par la batterie 2 en un courant alternatif pour l’alimentation électrique de la machine électrique 3. Dans ce mode, les inductances de magnétisation des transformateurs Ta et Tb jouent le rôle d’inductance pour l’élévateur de tension.
Le mode chargeur est similaire au mode chargeur décrit précédemment en référence à la figure 1. Lorsque l’étage de charge 4 est raccordé au réseau R d’alimentation électrique, les diodes Dla et Dlb et les inductances formées par les premiers enroulements 7a et 7b des transformateurs respectifs Ta et Tb, déjà présents dans la chaîne de traction, sont utilisées pour former un chargeur isolé. Lors de la première phase de fonctionnement qui constitue une phase de stockage d’énergie dans le circuit magnétique, les seconds enroulements 8a et 8b des transformateurs sont reliés directement à la tension redressée en sortie du redresseur correcteur de facteur de puissance (PFC) 9 par l’intermédiaire respectivement des transistors T3a et T3b qui sont à l’état passant. Il en résulte une augmentation du flux magnétique dans les transformateurs 7a, 8a et 7b, 8b. Comme les inductances sont entrelacées, les transformateurs agissent comme des selfs couplées. La tension aux bornes du secondaire 7a et 7b des transformateurs est négative bloquant ainsi les diodes Dla et Dlb. Lors de la seconde phase, les transistors T3a et T3b sont à l’état bloqué. L’énergie stockée dans les transformateurs est injectée dans l’étage d’alimentation 1 par l’intermédiaire des premiers enroulements 7a et 7b des transformateurs Ta et Tb et charge la batterie 2 par l’intermédiaire des diodes Dla et Dlb. Ce dispositif présente l’avantage d’implémenter des transformateurs de puissance réduite. En outre, la fréquence du courant de charge est augmentée, ce qui réduit le filtre à mettre en entrée de la batterie.
Le mode de réalisation exposé à la figure 3, sur laquelle des éléments identiques à ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes références numériques, représente une structure du dispositif de charge et d’alimentation qui diffère de celle exposée à la figure 1 en ce que le transformateur comporte trois enroulements 10, 11, 12 et les étages d’alimentation et de charge comportent deux diodes supplémentaires D3 et D4.
Le hacheur 5 est raccordé entre un premier enroulement 10 du transformateur et un onduleur 6. D’autre part le premier enroulement 10 du transformateur est relié à une inductance L. Le nœud commun entre le premier enroulement 10 du transformateur et l’inductance L est également relié à la cathode d’une diode D3. L’anode de D3 est reliée à la batterie.
En mode chargeur, c’est-à-dire lorsque l’étage de charge 4 est raccordé au réseau R d’alimentation électrique, la diode Dl, l’inductance L et l’inductance formée par le premier enroulement 10 du transformateur, déjà présents dans la chaîne de traction, sont ici utilisés pour former un chargeur isolé.
Lors d’une première phase de fonctionnement, le deuxième enroulement 12 du transformateur est relié directement à la tension redressée en sortie du redresseur correcteur de facteur de puissance (PFC) 9 par l’intermédiaire du transistor T3 qui est à l’état passant. Le courant magnétisant croît linéairement, il en résulte une augmentation du flux magnétique dans le transformateur. La diode Dl est passante. Lors d’une seconde phase, le transistor T3 est à l’état bloqué. La tension aux bornes de l’inductance magnétisante est négative, ce qui entraîne une décroissance du courant magnétisant. Comme la diode Dl est polarisée en inverse, la diode D3 assure la continuité du courant dans l’inductance L et la batterie. Lors d’une troisième phase, lorsque le courant magnétisant s’annule, la diode D4 se trouve en polarisation inverse et le courant magnétisant reste nul jusqu’à la fin de la période de commutation.
Le transistor T3 du circuit de charge, le transformateur à trois enroulements 10, 11, 12 ainsi que l’inductance L et les diodes D2 et
D4 forment un convertisseur isolé connu par l’homme du métier sous le nom de convertisseur de type « forward ».

Claims (6)

  1. REVENDICATIONS
    1. Dispositif combiné de charge d’une batterie et d’alimentation électrique d’une machine électrique comprenant un convertisseur de tension continu-continu (7,5), et un onduleur (6) raccordé en sortie du convertisseur, ledit onduleur étant apte à alimenter en sortie ladite machine électrique, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un transformateur (7, 8) dont un premier enroulement constitue une inductance d’entrée du convertisseur de tension continu-continu (5), et dont un deuxième enroulement est raccordé au circuit d’alimentation (4), le transformateur (7, 8) et le convertisseur de tension (5) étant adaptés pour permettre le rechargement de la batterie (2) lorsque le circuit d’alimentation est connecté à un réseau d’alimentation électrique, tout en assurant une isolation galvanique entre le circuit d’alimentation et la batterie.
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur de tension continu-continu (5,7) comprend un hacheur, le hacheur comprenant autant de bras que de transformateurs.
  3. 3. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 2, dans lequel le second enroulement (8) est raccordé à la tension d’alimentation issue du circuit d’alimentation.
  4. 4. Dispositif selon la revendication 2, comprenant au moins un transformateur (7, 8) comprenant chacun un enroulement raccordé à un bras du hacheur (5) et un enroulement recevant la tension d’alimentation (8).
  5. 5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le transformateur comprend trois enroulements (10, 11, 12).
  6. 6. Procédé de charge d’une batterie au moyen d’un dispositif combiné de charge d’une batterie et d’alimentation électrique d’une machine électrique comprenant un convertisseur de tension continucontinu (5), un onduleur (6) raccordé en sortie du convertisseur, ledit onduleur étant apte à alimenter en sortie ladite machine électrique, et au moins un transformateur (7, 8) dont un premier enroulement ίο constitue une inductance d’entrée du convertisseur de tension continucontinu (5), et dont un deuxième enroulement est raccordé au circuit d’alimentation, caractérisé en ce que lorsque le circuit d’alimentation électrique (4) est connecté à un réseau d’alimentation électrique, le
    5 transformateur (7, 8) et le convertisseur de tension (5) permettent le rechargement de la batterie (2) tout en assurant une isolation galvanique entre le circuit d’alimentation (4) et la batterie (2).
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