FR3059853A1 - Procede de commande d'un chargeur de batterie muni d'un convertisseur resonant dc-dc - Google Patents

Procede de commande d'un chargeur de batterie muni d'un convertisseur resonant dc-dc Download PDF

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Abstract

Procédé de commande d'un chargeur de batterie muni d'un convertisseur résonant DC-DC comprenant un étage de conversion la, connecté en entrée à un réseau d'alimentation électrique continu et en sortie à un étage de transfert résonant connecté lui-même à un pont redresseur de diodes, le pont redresseur de diodes étant connecté en sortie à la batterie, l'étage de conversion comprenant une première entrée connectée au drain d'un premier transistor et au drain d'un troisième transistor, une deuxième entrée de l'étage de conversion étant connectée à la source d'un deuxième transistor et à la source d'un quatrième transistor, la source du premier transistor et le drain du deuxième transistor étant reliés à une première sortie, la source du troisième transistor et le drain du quatrième transistor étant connectés à une deuxième sortie, le premier transistor et le deuxième transistor formant un bras, le troisième transistor et le quatrième transistor formant un autre bras, Le procédé comprend les étapes suivantes : on commande et on maintient les transistors d'un bras de l'étage de conversion de sorte à laisser circuler le courant du réseau d'alimentation électrique vers la batterie, on commande les transistors de l'autre bras de l'étage de conversion en diagonale, afin de générer une tension continue de sortie aux bornes de la batterie inférieure à la tension continue d'entrée du réseau d'alimentation continu.

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® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE © N° de publication :
(à n’utiliser que pour les commandes de reproduction)
©) N° d’enregistrement national
059 853
61800
COURBEVOIE © Int Cl8 : H 02 M 1/088 (2017.01)
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION
A1
©) Date de dépôt : 01.12.16. (© Demandeur(s) : RENAULT S.A.S Société par actions
(© Priorité : simplifiée — FR et NISSAN MOTOR CO. LTD — JP.
@ Inventeur(s) : GASCHER ALAIN.
©) Date de mise à la disposition du public de la
demande : 08.06.18 Bulletin 18/23.
©) Liste des documents cités dans le rapport de
recherche préliminaire : Se reporter à la fin du
présent fascicule
(© Références à d’autres documents nationaux ©) Titulaire(s) : RENAULT S.A.S Société par actions sim-
apparentés : plifiée, NISSAN MOTOR CO. LTD.
©) Demande(s) d’extension : © Mandataire(s) : RENAULT SAS.
PROCEDE DE COMMANDE D'UN CHARGEUR DE BATTERIE MUNI D'UN CONVERTISSEUR RESONANT DCDC.
FR 3 059 853 - A1 (bj) Procédé de commande d'un chargeur de batterie muni d'un convertisseur résonant DC-DC comprenant un étage de conversion la, connecté en entrée à un réseau d'alimentation électrique continu et en sortie à un étage de transfert résonant connecté lui-même à un pont redresseur de diodes, le pont redresseur de diodes étant connecté en sortie à la batterie, l'étage de conversion comprenant une première entrée connectée au drain d'un premier transistor et au drain d'un troisième transistor, une deuxième entrée de l'étage de conversion étant connectée à la source d'un deuxième transistor et à la source d'un quatrième transistor, la source du premier transistor et le drain du deuxième transistor étant reliés à une première sortie, la source du troisième transistor et le drain du quatrième transistor étant connectés à une deuxième sortie, le premier transistor et le deuxième transistor formant un bras, le troisième transistor et le quatrième transistor formant un autre bras,
Le procédé comprend les étapes suivantes: on commande et on maintient les transistors d'un bras de l'étage de conversion de sorte à laisser circuler le courant du réseau d'alimentation électrique vers la batterie, on commande les transistors de l'autre bras de l'étage de conversion en diagonale, afin de générer une tension continue de sortie aux bornes de la batterie inférieure à la tension continue d'entrée du réseau d'alimentation continu.
i
Procédé de commande d’un chargeur de batterie muni d’un convertisseur résonant DC-DC.
L’invention a pour domaine technique la commande de chargeur de batterie, et plus particulièrement la commande de tels chargeurs munis de convertisseurs résonnants.
Dans certains cas, la batterie d’un véhicule électrique peut avoir un niveau de tension très faible (par exemple 250V). Les convertisseurs performants, tels que les convertisseurs résonnant LLC sont optimaux si la plage de tension est réduite. Pour un convertisseur LLC optimisé, il n’est pas possible d’atteindre des tensions basses sans dégrader les performances du convertisseur par ailleurs, notamment en diminuant son rendement.
La figure unique illustre un convertisseur DC-DC référencé 1 utilisé dans un chargeur de batterie. Le convertisseur DC-DC 1 est connecté en entrée à un correcteur de facteur de puissance PFC 2 luimême connecté au réseau électrique 3 alternatif. La sortie du convertisseur DC-DC 1 est connectée à la batterie 4.
Le convertisseur DC-DC 1 est appelé convertisseur résonant LLC et comprend quatre transistors T1,T2,T3,T4, quatre diodes D1,D2,D3,D4, une capacité de résonance Cr, une inductance de résonance série Lr, une inductance de magnétisation parallèle Lm et un transformateur T comprenant ni enroulements primaires et n2 enroulements secondaires.
Plus précisément, le convertisseur DC-DC 1 comprend un étage de conversion la comprenant deux entrées connectées au correcteur de facteur de puissance 2 et deux sorties correspondant à des points A et B, le point B étant connecté à une première armature de la capacité de résonance Cr, le point A étant connecté à une première borne de l’inductance résonante série Lr.
Une première entrée de l’étage de conversion est connectée au drain d’un premier transistor Tl et au drain d’un troisième transistor
T3, une deuxième entrée de l’étage de conversion étant connectée à la source d’un deuxième transistor T2 et à la source d’un quatrième transistor T4. La source du premier transistor Tl et le drain du deuxième transistor T2 sont reliés au point A, la source du troisième transistor T3 et le drain du quatrième transistor T4 étant connectés au point B.
Un étage de transfert résonant lb comprend l’inductance résonante série Lr, la capacité de résonance Cr, l’inductance de magnétisation parallèle Lm et le transformateur T.
La deuxième borne de l’inductance résonante série Lr est connectée simultanément à une première extrémité de l’enroulement primaire ni du transformateur T et à une première borne de l’inductance de magnétisation parallèle Lm.
La deuxième extrémité de l’enroulement primaire ni et la deuxième borne de l’inductance de magnétisation parallèle Lm sont connectées ensemble à la deuxième armature de la capacité de résonance Cr.
Une première extrémité du deuxième enroulement n2 du transformateur T est reliée à l’anode d’une première diode DI et à la cathode d’une deuxième diode D2. Une deuxième extrémité du deuxième enroulement n2 est reliée à l’anode d’une troisième diode D3 et à la cathode d’une quatrième diode D4.
Les cathodes de la première diode DI et de la troisième diode D3 sont connectées ensemble à une armature d’une capacité C et à une première borne de la batterie 4.
Les anodes de la deuxième diode D2 et de la quatrième diode D4 sont connectées ensemble à une autre armature d’une capacité C et à une deuxième borne de la batterie 4.
Les diodes D1,D2,D3,D4 sont comprises dans un pont redresseur à diodes le.
Dans son fonctionnement selon l’état de la technique antérieure, le convertisseur DC-DC 1 est commandé en diagonale, c’est-à-dire que l’on commande les transistors Tl et T4 pour être passants, et les transistors T2 et T3 pour être non passants pendant une première partie de la période, et les transistors Tl et T4 pour être non passants, et les transistors T2 et T3 pour être passants pendant une deuxième partie de la période.
La tension obtenue entre les nœuds A et B est alors une tension de forme carrée.
Pour comprendre le fonctionnement de ce convertisseur, on fait la supposition que bien que la tension Vab soit carrée, il est possible de ne calculer que l’effet de la première harmonique. Cette hypothèse est admissible dans la mesure où le convertisseur DC-DC se comporte comme un filtre.
Dans ce cadre, le convertisseur permet de choisir la tension de sortie en faisant varier la fréquence de découpage, qui est l’inverse de la somme de la première partie de la période et de la deuxième partie de la période décrites ci-dessus. Dans le cas présent, la fréquence est l’unique paramètre de réglage. L’expérience montre que la fréquence de coupure nécessaire pour atteindre 250V est très élevée et que cela n’est possible que pour une charge ou un courant importants. Or, lors de la charge d’une batterie, la charge et le courant doivent pouvoir varier et atteignent des niveaux inférieurs, notamment lorsqu’une batterie est déchargée.
Il existe donc un besoin pour la commande d’un chargeur de batterie à convertisseur DC-DC muni d’un étage de transfert résonnant permettant d’atteindre de basses tensions de sortie tout en maintenant par ailleurs un fonctionnement normal.
L’invention a pour objet un procédé de commande d’un chargeur de batterie muni d’un convertisseur résonant DC-DC comprenant un étage de conversion, connecté en entrée à un étage redresseur lui-même connecté en entrée à un réseau d’alimentation électrique alternatif et en sortie à un étage de transfert résonant connecté lui-même à un pont redresseur de diodes, le pont redresseur de diodes étant connecté en sortie à la batterie, l’étage de conversion comprenant une première entrée connectée au drain d’un premier transistor et au drain d’un troisième transistor, une deuxième entrée de l’étage de conversion étant connectée à la source d’un deuxième transistor et à la source d’un quatrième transistor, la source du premier transistor et le drain du deuxième transistor étant reliés à une première sortie de l’étage de conversion (la), la source du troisième transistor et le drain du quatrième transistor étant connectés à une deuxième sortie de l’étage de conversion (la), le premier transistor et le deuxième transistor formant un bras, le troisième transistor et le quatrième transistor formant un autre bras.
Le procédé comprend les étapes suivantes :
On commande et on maintient les transistors d’un bras de l’étage de conversion la de sorte à laisser circuler le courant du réseau d’alimentation électrique vers la batterie, et on commute alternativement les transistors de l’autre bras de l’étage de conversion la.
Dans un mode de réalisation, on peut commander et maintenir le quatrième transistor dans un état passant et le troisième transistor dans un état non passant, on peut commander le premier transistor pour être passant, et le transistor pour être non passant pendant une première partie de la période, puis le premier transistor pour être non passant, et le deuxième transistor pour être passant pendant une deuxième partie de la période.
Dans un autre mode de réalisation, on peut commander et maintenir le premier transistor dans un état passant et le deuxième transistor dans un état non passant, on peut commander le quatrième transistor pour être passant, et le troisième transistor pour être non passant pendant une première partie de la période, puis le troisième transistor pour être non passant, et le quatrième transistor pour être non passant pendant une deuxième partie de la période.
La tension de sortie peut être réglée en fonction de la fréquence de découpage et de la tension d’entrée, la fréquence de découpage correspondant à l’inverse de la somme de la première partie de la période et de la deuxième partie de la période.
Le procédé présente l’avantage de ne pas nécessiter de modification de la structure du convertisseur. En effet, classiquement, pour avoir une large plage de tension de sortie, on abaisse la valeur de l’inductance Lm. Toutefois, cela augmente fortement les pertes car le courant de l’enroulement primaire est plus important. Par ailleurs, il faut augmenter la taille de la lame d’air isolante et donc engendrer des courants de Foucault autour d’elle. Ces deux conséquences sont indésirables et évitées par le procédé revendiqué ici.
Le procédé présente également l’avantage de ne pas nécessiter de modifier la structure du convertisseur, d’ajouter des moyens supplémentaires, ou de changer le dimensionnement des composants.
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 unique illustre les principaux éléments du convertisseur DC-DC.
Afin d’apporter une solution au problème mentionné ci-dessus, l’inventeur a eu l’idée de ne plus réaliser le découpage de la tension d’entrée sur l’ensemble des transistors (T1,T2,T3,T4) mais uniquement sur ceux d’un bras (Tl et T2 ou T3 et T4), par exemple le bras de gauche (Tl, T2). Pour réaliser cela, on commande et on maintient le transistor T4 du bas du bras de droite dans un état fermé, c’est-à-dire passant, et le transistor T3 du haut du bras de droite dans un état ouvert, c’est-à-dire non passant. Une telle commande permet de laisser circuler le courant du réseau d’alimentation 3 vers la batterie 4. On commande ensuite le transistor Tl pour être passant, et le transistor T2 pour être non passant pendant une première partie de la période, puis le transistor Tl pour être non passant, et le transistor T2 pour être passant pendant une deuxième partie de la période, court-circuitant ainsi le circuit-résonant formé du condensateur Cr, de l’inductance série Lr, de l’enroulement primaire du transformateur T et de son inductance magnétisante Lm pendant cette deuxième partie de la période.
La tension du point A varie donc entre 0V et la tension d’entrée Vin (ici 450V) délivrée par le correcteur de facteur de puissance 2. Le condensateur Cr se charge alors à une tension continue Vin/2. La tension aux bornes de l’ensemble transformateur T et inductance série Lr vaut alors +Vin/2 quand Va vaut Vin et -Vin/2 quand Va vaut 0V.
Typiquement si on a une tension d’entrée de 450V et que l’on découpe à 100kHz alors on obtient une tension de sortie de 300V en pont complet et de 150V en demi pont. Le mode de commande décrit ici permet ainsi de diviser la tension de sortie par deux.
On peut alors choisir d’avoir une fréquence de découpage plus basse et atteindre une plage de tension de sortie entre 150V et 300V y compris à faible charge.
Ainsi avec la modification de contrôle utilisée on peut régler la 15 tension de sortie quelle que soit le courant demandé par la batterie.

Claims (4)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de commande d’un chargeur de batterie muni d’un convertisseur résonant DC-DC (1) comprenant un étage de conversion (la), connecté en entrée à un étage redresseur (2) lui-même connecté en entrée à un réseau d’alimentation électrique alternatif (3) et en sortie à un étage de transfert résonant (lb) connecté lui-même à un pont redresseur de diodes (le), le pont redresseur de diodes (le) étant connecté en sortie à la batterie (4), l’étage de conversion (la) comprenant une première entrée connectée au drain d’un premier transistor (Tl) et au drain d’un troisième transistor (T3), une deuxième entrée de l’étage de conversion étant connectée à la source d’un deuxième transistor (T2) et à la source d’un quatrième transistor (T4), la source du premier transistor (Tl) et le drain du deuxième transistor (T2) étant reliés à une première sortie de l’étage de conversion (la), la source du troisième transistor (T3) et le drain du quatrième transistor (T4) étant connectés à une deuxième sortie de l’étage de conversion (la), le premier transistor (Tl) et le deuxième transistor (T2) formant un bras, le troisième transistor (T3) et le quatrième transistor (T4) formant un autre bras, caractérisé par le fait qu’il comprend les étapes suivantes : on commande et on maintient les transistors d’un bras de l’étage de conversion (la) de sorte à laisser circuler le courant du réseau d’alimentation électrique (3) vers la batterie (4), on commute alternativement les transistors de l’autre bras de l’étage de conversion (la).
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on commande et on maintient le quatrième transistor (T4) dans un état passant et le troisième transistor (T3) dans un état non passant, on commande le premier transistor (Tl) pour être passant, et le transistor (T2) pour être non passant pendant une première partie de la période, puis le premier transistor (Tl) pour être non passant, et le deuxième transistor (T2) pour être passant pendant une deuxième partie de la période.
  3. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on commande et on maintient le premier transistor (Tl) dans un état passant et le
    5 deuxième transistor (T2) dans un état non passant, on commande le quatrième transistor (T4) pour être passant, et le troisième transistor (T3) pour être non passant pendant une première partie de la période, puis le troisième transistor (T3) pour être passant, et le quatrième transistor (T4) pour être non passant pendant une
    10 deuxième partie de la période.
  4. 4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la tension de sortie est réglée en fonction de la fréquence de découpage et de la tension d’entrée, la fréquence de découpage correspondant à l’inverse de la somme de la première partie
    15 de la période et de la deuxième partie de la période.
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WEI GUO ET AL: "A novel soft starting strategy of an LLC resonant DC/DC converter for plug-in hybrid electric vehicles", APPLIED POWER ELECTRONICS CONFERENCE AND EXPOSITION (APEC), 2013 TWENTY-EIGHTH ANNUAL IEEE, IEEE, 17 March 2013 (2013-03-17), pages 2012 - 2015, XP032410606, ISBN: 978-1-4673-4354-1, DOI: 10.1109/APEC.2013.6520571 *

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