FR3078212A1 - Convertisseur dc-dc pour chargeur bidirectionnel. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif de conversion continu-continu (1) pour un chargeur de batterie (26) d'accumulateurs électriques connecté à un réseau électrique, apte à fonctionner de manière bidirectionnelle, en recharge de la batterie (26) dans un sens direct et en décharge de la batterie (26) vers le réseau électrique dans un sens indirect, comprenant un convertisseur LLC résonant à pont complet (20), ledit convertisseur LLC résonant à pont complet (20) comprenant une branche parallèle (28) installée en parallèle du circuit LLC (22), entre ledit pont complet de commutation (21) et ledit circuit LLC (22), ladite branche parallèle comprenant une inductance (Lx) et un interrupteur commandé (k).
Description
Convertisseur DC-DC pour chargeur bidirectionnel
La présente invention se rapporte à un convertisseur continu-continu pour un chargeur de batterie d’accumulateurs électriques bidirectionnel.
Un chargeur de batterie d’accumulateurs électriques classique est unidirectionnel en ce sens qu’il permet uniquement de recharger les accumulateurs électriques depuis un réseau externe d’alimentation électrique, ce qu’on appelle communément le sens de charge ou encore sens direct.
Un tel chargeur de batterie d’accumulateurs électrique unidirectionnel comprend généralement un étage de correction du facteur de puissance, aussi connu sous son abréviation anglophone PFC, et un étage de conversion continu-continu, aussi connu sous le nom de hacheur en français et plus généralement appelé étage DC-DC.
Cependant, il est aujourd’hui utile que les chargeurs d’accumulateurs puissent aussi délivrer l’électricité accumulée à un réseau électrique externe ; on parle alors de chargeurs bidirectionnels. La fourniture de courant par la batterie d’accumulateurs électriques au réseau externe étant dit sens de décharge, ou encore sens indirect.
On connaît notamment des chargeurs bidirectionnels, tel que celui du document FR3014260 A1, qui décrit un chargeur à DCDC résonnant du type en montage LC série. Cependant, Un tel montage ne permet pas de changer de type de conversion d’énergie car son gain est toujours inférieur à 1.
On connaît aussi un chargeur bidirectionnel (ou réversible) pour des applications à forte densité de puissance tel que représenté en figure 1 de l’art antérieur, qui met en oeuvre un convertisseur DC-DC du type LLC résonant à pont complet.
Un convertisseur LLC résonant à pont complet 10 selon la figure 1, comprend un pont complet de commutation 11 générant un signal ou tension carré (ou rectangulaire) excitant un circuit LLC 12, composé d’un condensateur et de deux inductances. Le circuit LLC 12 produit alors un courant alternatif résonant dans un transformateur 13 qui est redressé par le pont redresseur 14. Le signal/courant redressé est alors filtré par le condensateur de sortie 15 avant d’être collecté par la batterie 16.
L’ensemble formé par le pont complet de commutation 11 et le circuit LLC 12 étant dit circuit primaire ou partie primaire du convertisseur, et l’ensemble formé du pont redresseur 14 et du condensateur de sortie 15 étant dit circuit secondaire, ou partie secondaire du convertisseur. En d’autres termes, dans un fonctionnement unidirectionnel d’un chargeur, le courant est envoyé depuis le primaire vers le secondaire, on parle de sens direct de fonctionnement du convertisseur.
Toutefois, les chargeurs bidirectionnels nécessitent, pour permettre une commande relativement correcte de l’onduleur, que la tension Vdc du bus DC ait une valeur au moins supérieure à une tension minimale noté Vdcmin.
A titre d’exemple pour un réseau électrique monophasé de tension maximale phase-neutre de 240 Vrms et pour assurer un fonctionnement correct de l’onduleur même sous 15% de dépassement court de la tension réseau, Vdcmin doit être égale à 390V.
Pour un réseau électrique triphasé de tension maximale entre phases de 415 Vrms et pour assurer un fonctionnement correct de l’onduleur même sous 15% de dépassement court de tension, Vdcmin peut avoir une valeur égale à 340V.
A titre d’exemple, en référence à la figure 1 d’art antérieur, pour une batterie de tension Vbat variant de 240 V à 440 V et un rapport de transformation m, correspondant au rapport des inductances du transformateur 13, m=Np/Ns égal à 1.33, le gain du convertisseur DCDC réversible, ici G=Vdc/m.Vbat, avec Vdc la tension du bus continu variant entre Vdcmin et Vdcmax fixée à 450V, doit pouvoir varier dans les meilleurs des cas d’une valeur comprise entre 0.77 (correspondant à Vdc = 450V et Vbat = 440V) et 1.27(correspondant à Vdc=390V et Vbat=230V).
Aussi, en référence à la figure 2, à faible puissance, la courbe de gain devient de plus en plus plate et pour un gain G= 0.77, la fréquence de commutation du convertisseur est soit très élevé (de l’ordre du MHz) ce qui conduit à des pertes relativement importantes dans le transformateur et les transistors de puissance, soit très faible (<20kHz) ce qui génère des fréquences audibles et donc gênantes pour l’usager et des disfonctionnements dans le système.
Une solution serait alors de contrôler la tension continu Vdc à une tension égale à m.Vbat, de sorte à obtenir un gain unitaire, et de contrôler le convertisseur toujours à la fréquence de résonance, cependant ceci n’est pas toujours possible (notamment pour les tensions de batterie élevées). En effet, pour pouvoir supporter cette tension (ou le double de cette tension dans le cas d’un onduleur 3 niveaux en cascade avec 2 convertisseur DCDC en parallèle) il serait nécessaire de redimensionner tous les transistors de puissance du convertisseur continu-continu et de l’étage de correction du facteur de puissance.
Un autre problème des dispositifs de conversion continu-continu de l’art antérieur est que la tension du bus continu Vdc ne peut être contrôlée à des valeurs inférieures à Vdcmin, par exemple à moins de 390 V en monophasé, lorsque la tension de la batterie Vbat est relativement affaiblie, par exemple à une tension inférieure à 293 V, puisque le gain devient supérieur à 1.
Aussi, il existe le besoin d’un chargeur bidirectionnel dans lequel le convertisseur continu-continu est apte à être contrôlé à relativement faible puissance et/ou lorsque la tension de batterie est relativement faible.
On propose un dispositif de conversion continu-continu pour un chargeur de batterie d’accumulateurs électriques connecté à un réseau électrique, apte à fonctionner de manière bidirectionnelle, en recharge de la batterie dans un sens direct et en décharge de la batterie vers le réseau électrique dans un sens indirect, comprenant un convertisseur LLC résonant à pont complet, ledit convertisseur LLC résonant à pont complet comprenant :
- un pont complet de commutation générant un signal carré ;
- un circuit LLC, comprenant un condensateur et deux inductances, excité par ledit signal carré ;
un transformateur transmettant ledit signal issu du circuit LLC;
- un redresseur redressant le signal transmis par le transformateur ;
- un condensateur de sortie filtrant le signal redressé.
Ledit convertisseur LLC résonant à pont complet comprend en outre :
- une branche parallèle installée en parallèle du circuit LLC, entre ledit pont complet de commutation et ledit circuit LLC, ladite branche parallèle comprenant une inductance et un interrupteur commandé.
Ainsi, on peut obtenir un chargeur bidirectionnel apte à être contrôlé en fonctionnement en décharge, ou en sens indirect, à relativement faible puissance et/ou lorsque la tension de la batterie est relativement faible
Avantageusement et de manière non limitative, le convertisseur LLC résonant à pont complet comprend des moyens de commande de l’interrupteur de la branche parallèle, lesdits moyens de commande étant adaptés pour fermer ledit interrupteur commandé lorsque le dispositif de conversion fonctionne en mode inversé, et pour ouvrir ledit interrupteur lorsque le dispositif de conversion fonctionne en mode direct. Ainsi la commande du convertisseur est relativement simple et rapide.
Avantageusement et de manière non limitative, le convertisseur LLC résonant à pont complet comprend des moyens de commande de l’interrupteur de la branche parallèle, lesdits moyens de commande étant adaptés pour fermer ou ouvrir ledit interrupteur commandé lorsque le dispositif de conversion fonctionne en mode inversé (ou décharge) en fonction du point de fonctionnement du dispositif de conversion, ledit interrupteur commandé étant laissé ouvert lorsque le dispositif de conversion fonctionne en mode direct. L’inductance de la branche parallèle peut alors être dimensionnée pour une puissance inférieure à la puissance maximale de décharge. Ainsi l’encombrement généré par l’ajout de la branche parallèle sera relativement faible. Avantageusement et de manière non limitative, l’inductance de la branche parallèle est dimensionnée pour des puissances comprises entre 0.1kWet11kW. L’invention concerne aussi un système de chargeur bidirectionnel de batterie d’accumulateurs électriques, comprenant un étage redresseur correcteur du facteur de puissance, et un dispositif de conversion continu-continu tel que décrit précédemment.
L’invention concerne aussi un véhicule automobile comprenant un système de chargeur bidirectionnel tel que décrit précédemment.
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 dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 représente un convertisseur LLC résonant à pont complet selon l’art antérieur ;
- la figure 2 est une représentation des courbes de gain du convertisseur LLC résonant à pont complet bidirectionnel de l’art antérieur selon la figure 1, comprenant les axes décrit pour la figure 4;
- la figure 3 représente un convertisseur LLC résonant à pont complet selon un mode de réalisation de l’invention;
- la figure 4 est une représentation des courbes de gain du convertisseur LLC résonant à pont complet bidirectionnel selon le mode de réalisation de la figure 3, ayant en abscisse le rapport entre la fréquence de commutation fs et la fréquence de résonance fr de circuit LLC, avec fr = 2n^LrCr ;et en ordonnée le gain G calculé comme le rapport entre la tension du bus continu Vdc et le rapport de transformation m, correspondant au rapport des inductances du transformateur 13, m=Np/Ns multiplié par la tension de la batterie Vbat, soit r — vdc m
G —------ , et m*Vbat
- la figure 5 représente la vitesse de régulation de la tension du bus continu en fonctionnement en décharge du convertisseur selon l’invention comparé à l’art antérieur selon la figure 1.
En référence à la figure 3, selon un mode de réalisation de l’invention, un chargeur non représenté dans son ensemble, comprend un étage redresseur correcteur du facteur de puissance monophasé ou polyphasé dit PFC, non représenté, et un dispositif de conversion continu-continu 1 comprenant un convertisseur LLC résonant à pont complet 20 bidirectionnel.
Le convertisseur LLC résonant à pont complet 20 comprend un pont complet de commutation 21 générant un signal ou tension carré excitant un circuit LLC 22, composé d’un condensateur et de deux inductances. Le circuit LLC 22 produit alors un courant sinusoïdal résonant transmis par un transformateur 23 et redressé par un pont redresseur 24. Le signal/courant redressé et amplifié est alors filtré par le condensateur de sortie 25 avant d’être collecté par la batterie 26.
L’ensemble formé par le pont complet de commutation 21 et le circuit LLC 22 est dit circuit primaire ou partie primaire du convertisseur, et l’ensemble formé du redresseur 24 et du condensateur de sortie 25 est dit circuit secondaire, ou partie secondaire du convertisseur.
Dans un fonctionnement bidirectionnel du chargeur, lorsque le courant est envoyé depuis le primaire vers le secondaire du convertisseur 20, on parle de sens direct de fonctionnement du convertisseur 20, ce qui permet de recharger la batterie 26 depuis un réseau électrique externe connecté au primaire. Le chargeur est en outre conformé pour fonctionner en sens indirect, dans lequel l’énergie accumulée par la batterie 26 transite du secondaire vers le primaire du convertisseur 20 afin d’alimenter un réseau électrique externe.
Le pont de commutation 21 comprend 4 bras de commutation, chacun étant formé d’une structure parallèle 210, 210’, 210”, 210’”, en ce sens que la structure comprend des composants électroniques montés en parallèle les uns des autres.
Chaque structure parallèle 210, 210’, 210”, 210’” comprenant une diode, et un transistor.
Les structures parallèles 210, 210’, 210”, 210’” sont montées en pont complet, selon une configuration bien connue de l’homme du métier.
Le circuit LLC 22 et le transformateur 23 sont conformes à ceux de l’art antérieur cité précédemment en référence à la figure 1.
Le redresseur 24, du circuit secondaire, comprend un pont complet formé de 4 bras de commutation.
Chaque bras de commutation étant formé d’une structure parallèle 240, 240’, 240”, 240’”, en ce sens que la structure comprend des composants électroniques montés en parallèle les uns des autres.
Chaque structure parallèle 240, 240’, 240”, 240’” comprenant, en référence à la figure 3, une diode 302, et un transistor 301, selon un montage en pont complet de redresseur.
Le condensateur 25 au circuit secondaire permet de ralentir la montée en tension et permet une coupure du courant sans perte et avec une faible surtension.
Pour permettre le contrôle du convertisseur continu-continu à faible puissance, ou lorsque la tension de la batterie est relativement faible, on ajoute une branche parallèle 28 installée en parallèle du circuit LLC 22, entre le pont complet de commutation 21 et ledit circuit LLC 22. Cette branche 28 est connectée aux deux sorties du pont de commutation 21 en amont du circuit LLC (le terme « amont >> se référant ici au sens direct de charge).
Autrement dit, cette branche parallèle 28 s’étend à une première jonction entre une sortie du pont de commutation 21 et le condensateur Cr du circuit LLC, tandis que l’autre jonction est montée entre la deuxième sortie du pont de commutation 21 et la deuxième inductance Lm parmi les deux inductances Lr et Lm du circuit LLC.
La branche parallèle 28 comprend une inductance Lx et un interrupteur commandé k.
L’inductance Lx de la branche parallèle 28 est dimensionnée pour de faibles puissances, par exemple entre 0.1 kW et 11kW, et par exemple entre 0.5kW et 3kW, ce qui permet d’assurer un encombrement relativement réduit. Lx est du même ordre de grandeur que Lm, par exemple 0,90μΗ.
Ainsi, le convertisseur continu-continu en mode de fonctionnement en décharge sera équivalent à un LLC.
Le dispositif de conversion continu-continu 1 comprend un moyen de commande, non représenté, par exemple un micro-processeur, pour commander l’ouverture et la fermeture de l’interrupteur k de la branche parallèle 28.
On commande l’interrupteur de sorte qu’en fonctionnement inversé, à savoir en décharge de la batterie, l’interrupteur est fermé. Ainsi, la courbe de gain devient celle représentée par la figure 4.
En mode de charge de la batterie, autrement dit en fonctionnement en sens direct, l’interrupteur est ouvert, de sorte que le chargeur correspond, dans son fonctionnement, à celui de l’art antérieur connu en référence à la figure 1.
Ainsi, lorsque le dispositif de conversion continu-continu 1 change de mode de fonctionnement, passant du mode charge au mode décharge ou inversement, l’interrupteur est commuté pour changer d’état, passant d’ouvert à fermé ou inversement.
Ainsi, on peut obtenir quelque soit le mode de fonctionnement du convertisseur, dans le sens direct ou indirect, autrement en fonctionnement de charge ou de décharge, un gain supérieur à 1 et par conséquent un fonctionnement sensiblement optimisé par rapport aux convertisseurs de l’art antérieur.
Par l’effet de cette branche parallèle 28 ajoutée, on remarque en référence à la figure 4, qu’en fonctionnement en décharge, les courbes de gain à faible puissance sont très rapidement supérieures à 1, notamment avec des gains dépassant des valeurs telles que G=1.27, pour une tension de batterie Vbat de 230V.
On remarque aussi qu’à faible puissance, par exemple pour G=0.77, la fréquence de commutation à appliquer aux interrupteurs de puissance est du même ordre que la fréquence de résonance.
En référence à la figure 5, on observe que, à fréquence de commutation égale et pour une tension de batterie Vbat = 430V, l’invention permet la régulation de la tension du bus continu Vdc à la tension souhaitée de 450 V ce qui n’était pas possible avec le convertisseur continu-continu 10 de l’art antérieur.
La fermeture de l’interrupteur k peut être adaptée en fonction du point de fonctionnement souhaité par l’homme du métier pour la mise en œuvre de l’invention. On choisit par exemple de ne fermer l’interrupteur commandé qu’à faible puissance lorsque la courbe de gain devient plate, par exemple pour P<=3kW ou lorsque le gain souhaité est supérieur à 1. Dans ce cas Lx sera dimensionnée pour 3kW seulement et présentera un encombrement réduit.
Ainsi, l’invention permet de mettre en œuvre de manière relativement simple un mode de fonctionnement en sens inverse ou en décharge, pour un convertisseur LLC résonant à pont complet quelque soit la tension de la batterie Vbat et quel soit la puissance recherchée.
Claims (6)
1. Dispositif de conversion continu-continu (1) pour un chargeur de batterie (26) d’accumulateurs électriques connecté à un réseau électrique, apte à fonctionner de manière bidirectionnelle, en recharge de la batterie (26) dans un sens direct et en décharge de la batterie (26) vers le réseau électrique dans un sens indirect, comprenant un convertisseur LLC résonant à pont complet (20), ledit convertisseur LLC résonant à pont complet (20) comprenant :
- un pont complet de commutation (21 ) générant un signal carré ;
- un circuit LLC (22), comprenant un condensateur (Cr) et deux inductances (Lr, Lm), excité par ledit signal carré ;
un transformateur (23) transmettant ledit signal issu du circuit LLC (22);
- un redresseur (24) redressant le signal transmis par le transformateur (23);
- un condensateur de sortie (25) filtrant le signal redressé ;
caractérisé en ce que ledit convertisseur LLC résonant à pont complet (20) comprend en outre :
- une branche parallèle (28) installée en parallèle du circuit LLC (22), entre ledit pont complet de commutation (21) et ledit circuit LLC (22), ladite branche parallèle (28) comprenant une inductance (Lx) et un interrupteur commandé (k).
2. Dispositif de conversion continu-continu (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend des moyens de commande de l’interrupteur de la branche parallèle (28), lesdits moyens de commande étant adaptés pour fermer ledit interrupteur commandé (k) lorsque le dispositif de conversion fonctionne en mode inversé, et pour ouvrir ledit interrupteur lorsque le dispositif de conversion fonctionne en mode direct.
3. Dispositif de conversion continu-continu (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend des moyens de commande de l’interrupteur de la branche parallèle (28), lesdits moyens de commande étant adaptés pour fermer ou ouvrir ledit interrupteur commandé (k) lorsque le dispositif de conversion fonctionne en mode inversé en fonction du point de fonctionnement du dispositif de conversion, ledit interrupteur commandé étant laissé ouvert lorsque le dispositif de conversion fonctionne en mode direct.
4. Dispositif de conversion continu-continu (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’inductance (Lx) de la branche parallèle (28) est dimensionnée pour des puissances comprises entre 0.1 kW et 11kW.
5. Système de chargeur bidirectionnel de batterie (26) d’accumulateurs électriques, comprenant un étage redresseur correcteur du facteur de puissance monophasé ou polyphasé, et un dispositif de conversion continucontinu (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4.
6. Véhicule automobile comprenant un système de chargeur bidirectionnel selon la revendication 5.
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| FR1851335A Pending FR3078212A1 (fr) | 2018-02-16 | 2018-02-16 | Convertisseur dc-dc pour chargeur bidirectionnel. |
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| FR3014260A1 (fr) * | 2013-12-03 | 2015-06-05 | Renault Sa | Procede et systeme de commande d'un chargeur bidirectionnel d'une batterie de vehicule automobile. |
| CN105024551A (zh) * | 2014-04-16 | 2015-11-04 | 艾默生网络能源有限公司 | 一种谐振电路、充电器及不间断电源 |
| WO2017134232A1 (fr) * | 2016-02-04 | 2017-08-10 | Eltek As | Convertisseur résonant cc-cc bidirectionnel |
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2018
- 2018-02-16 FR FR1851335A patent/FR3078212A1/fr active Pending
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