FR3094926A1 - Chargeur bidirectionnel sans fil - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un système électrique, notamment pour véhicule automobile, comprenant une batterie (HV) d’alimentation, une machine électrique permettant l’entraînement du véhicule et un dispositif (1) électrique combiné d’alimentation et de charge relié entre ladite batterie (HV) d’alimentation et ladite machine électrique, ledit système électrique étant caractérisé en ce qu’il comprend un récepteur (R) de chargeur sans fil, ledit récepteur (R) correspondant à un circuit secondaire configuré pour échanger de l’énergie avec un circuit primaire de chargeur sans fil, ledit récepteur (R) comprenant un enroulement (E1) connecté aux bornes d’une des phases de la machine électrique. Figure de l’abrégé : Figure 6

Description

CHARGEUR BIDIRECTIONNEL SANS FIL
La présente invention concerne le domaine des systèmes électriques combinés d’alimentation et de recharge d’une batterie, notamment destinés à être embarqués dans un véhicule automobile, en particulier un véhicule automobile à moteur électrique ou hybride.
Plus précisément, un véhicule électrique ou hybride comprend une batterie d’alimentation basse tension, pour l’alimentation d’équipements électriques du véhicule, et une batterie d’alimentation haute tension qui délivre un courant continu participant à la propulsion du véhicule en alimentant le moteur notamment via un onduleur.
La recharge en énergie électrique de la batterie d’alimentation haute tension peut être réalisée de manière connue en la connectant à un réseau d’alimentation électrique externe, par exemple le réseau électrique alternatif domestique, via un dispositif électrique combiné d’alimentation et de charge.
En référence à la figure 1, il est représenté un mode de réalisation d’un système électrique comprenant un dispositif 10 électrique combiné d’alimentation et de charge embarqué selon l’état de l’art, connecté entre une machine électrique, comme par exemple un moteur M10 triphasé, et une batterie d’alimentation HV10 haute tension. Par ailleurs, la machine électrique est également reliée ponctuellement à un réseau d’alimentation électrique externe, tel qu’un réseau d’alimentation électrique domestique G1, notamment lorsque la batterie d’alimentation HV10 doit être alimentée afin d’être chargée.
Optionnellement, le système électrique comprend également un convertisseur continu-continu DC/DC10, comme un élévateur de tension réversible, entre la batterie d’alimentation HV10 et le dispositif 10 électrique combiné d’alimentation et de charge. Ledit convertisseur continu-continu DC/DC10 permet de convertir la tension continue, en sortie du dispositif 10 en une autre tension continue, adaptée pour charger la batterie d’alimentation HV10 et inversement, c’est-à-dire convertir la tension continue, en sortie de la batterie d’alimentation HV10 en une autre tension continue, adaptée pour faire fonctionner le dispositif 10 et ainsi alimenter le moteur M10.
Le dispositif 10 présente deux modes de fonctionnement : un mode onduleur MO et un mode chargeur MC.
Lorsque le dispositif 10 est en mode onduleur MO, les roues du véhicule sont en rotation afin de permettre le déplacement du véhicule. Autrement dit, la batterie d’alimentation HV10 alimente en énergie électrique le moteur M10 via le dispositif 10.
Lorsque le dispositif 10 est en mode chargeur MC, le réseau d’alimentation électrique domestique G1 recharge la batterie d’alimentation HV10 également via le dispositif 10.
En référence à la figure 2, il est représenté la topologie détaillée du système électrique représenté à la figure 1. Le dispositif 10 comprend trois ponts en H 101, 101’, 101’’ connectés en parallèle. Chaque pont en H 101, 101’, 101’’ comprend deux bras, comprenant deux cellules connectées en série, chaque cellule comprenant un transistor et une diode en parallèle, par exemple un transistor bipolaire à grille isolée, plus couramment nommé « transistor IGBT » et une diode ultra-rapide en parallèle, ou un transistor à effet de champ, plus couramment nommé « transistor MOSFET » et sa diode intrinsèque. Les transistors jouent dans le cas présent un rôle d’interrupteurs contrôlés. Pour simplifier la description du système, on appelle « point milieu » la jonction entre deux cellules connectées en série.
Par ailleurs, le moteur M10 triphasé comprend dans cet exemple, un montage à phase indépendante, comprenant trois bobines L10, L20, L30. Chaque bobine L10, L20, L30 du moteur M10 est reliée à un pont en H respectif. Pour cela, chaque bobine L10, L20, L30 du moteur M10 est reliée entre le point milieu d’un bras d’un pont en H 101, 101’, 101’’ donné et le point milieu de l’autre bras du pont en H 101, 101’, 101’’. Ainsi, les ponts en H 101, 101’, 101’’ du dispositif 10 permettent de commander le moteur M10. Cette structure est connue de l’homme du métier et ne sera pas plus détaillée.
Dans ce système électrique, la recharge de la batterie d’alimentation HV10, lorsque le dispositif 10 est en mode chargeur MC, et l’alimentation du moteur M10, lorsque le dispositif 10 est en mode onduleur MO ne se font que par voie filaire.
Pour pallier ces inconvénients, la présente invention propose un système de chargeur électrique bidirectionnelle sans fil.
Plus précisément, l’invention a pour objet un système électrique, notamment pour véhicule automobile, comprenant une batterie d’alimentation, une machine électrique permettant l’entraînement du véhicule et un dispositif électrique combiné d’alimentation et de charge relié entre ladite batterie d’alimentation et ladite machine électrique, ledit système électrique étant remarquable en ce qu’il comprend un récepteur de chargeur sans fil, ledit récepteur correspondant à un circuit secondaire configuré pour échanger de l’énergie avec un circuit primaire de chargeur sans fil, ledit récepteur comprenant un enroulement connecté aux bornes d’une des phases de la machine électrique.
Selon un mode de réalisation, le récepteur comprend une capacité de compensation connectée en série avec l’enroulement.
Avantageusement, le dispositif électrique combiné d’alimentation et de charge comporte une pluralité de moyens de commutation permettant de commander la phase de la machine électrique.
Avantageusement, les moyens de commutation du dispositif forment des ponts en H.
Avantageusement, chaque commutateur du pont en H comprend un transistor bipolaire et une diode connectés en parallèle.
Selon un mode de réalisation, le dispositif électrique combiné d’alimentation et de charge présente deux modes de fonctionnement :
un mode onduleur dans lequel la batterie d’alimentation alimente en énergie électrique la machine électrique via le dispositif électrique combiné d’alimentation et de charge,
un mode chargeur dans lequel un chargeur sans fil relié recharge la batterie d’alimentation également via le dispositif électrique combiné d’alimentation et de charge.
Par exemple, la machine électrique est un moteur triphasé.
Notamment, le moteur triphasé peut être un moteur en Y, chaque phase du moteur étant relié à un moyen de commutation du dispositif.
Selon un mode de réalisation, le moteur triphasé est un moteur en double Y, chaque phase du moteur étant relié à un moyen de commutation du dispositif.
Selon un mode de réalisation, le système comprend trois récepteurs, chaque récepteur étant connecté aux bornes d’une phase du moteur triphasé.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple, et se référant aux dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs, dans lesquels des références identiques sont données à des objets semblables et sur lesquels :
illustre un schéma bloc du système électrique selon l’état de l’art ;
représente le schéma électronique du système électrique représenté à la figure 1 ;
illustre un schéma bloc d’une première forme de réalisation d’un système électrique selon l’invention ;
représente le schéma électronique de la première forme de réalisation du système électrique représentée à la figure 3 ;
représente le schéma électrique d’une deuxième forme de réalisation du système électrique selon l’invention ;
représente le schéma électrique d’une troisième forme de réalisation du système électrique selon l’invention.
Il faut noter que les figures exposent l’invention de manière détaillée pour mettre en œuvre l’invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant.
Il est rappelé que la présente invention est décrite ci-après à l’aide de différents modes de réalisation non limitatifs et est susceptible d’être mise en œuvre dans des variantes à la portée de l’homme du métier, également visées par la présente invention.
En référence à la figure 3, il est représenté une première forme de réalisation d’un système électrique comprenant un dispositif 1 électrique combiné d’alimentation et de charge embarqué, connecté entre une machine électrique, comme par exemple un moteur M triphasé, et une batterie d’alimentation HV haute tension.
Le dispositif 1 électrique embarqué est connecté entre le moteur M triphasé et la batterie d’alimentation HV haute tension.
Le système électrique comprend également un récepteur R de chargeur sans fil forte puissance, autrement dit « à charge rapide », relié au moteur M, ledit récepteur R correspondant à un circuit secondaire auquel un circuit primaire, du chargeur sans fil, transfère de l’énergie électrique. L’intégration d’un récepteur de chargeur sans fil dans le système électrique permet une réduction du volume utilisé pour ledit système électrique.
Le circuit primaire correspond donc à l’émetteur E du chargeur sans fil et est par exemple intégré dans un système au sol. Ainsi, lorsque le véhicule est placé au-dessus de l’émetteur E, le récepteur R, embarqué dans le véhicule, et l’émetteur E, au sol, sont séparés par une distance comprise entre 15 et 30 cm.
En référence à la figure 4, il est représenté la topologie détaillée du système électrique représenté à la figure 3. Le dispositif 1 comprend trois ponts en H 11, 11’, 11’’ connectés en parallèle. Chaque pont en H 11, 11’, 11’’ comprend deux bras connectés en parallèle, chaque bras comprenant deux cellules connectées en série. Enfin, chaque cellule comprend un transistor, notamment un transistor bipolaire à grille isolée dit transistor « IGBT », et une diode connectés en parallèle. Pour simplifier la description du système, on appelle « point milieu » le point de jonction entre deux cellules d’un bras.
Par ailleurs, le moteur M triphasé comprend dans la première forme de réalisation, un montage à phase indépendante dans lequel chaque phase est connectée à un pont en H respectif. Chaque bobine L1, L2, L3 du moteur M est respectivement reliée au pont en H 11, 11’, 11’’. En effet, chaque bobine L1, L2, L3 est connectée entre le point milieu d’un bras d’un pont en H 11, 11’, 11’’ donné et le point milieu de l’autre bras du pont en H 11, 11’, 11’’ donné. Ainsi, les ponts en H 11, 11’, 11’’ du dispositif 1 permettent de commander le moteur M.
En effet, les transistors des ponts en H 11, 11’, 11’’ ont dans le cas présent un rôle d’interrupteurs contrôlés alternativement ouverts et fermés pour appliquer une tension aux bornes des bobines L1, L2, L3 du moteur M, permettant de commander le moteur M dans les deux sens de rotation. Les diodes des ponts en H 11, 11’, 11’’ servent ainsi à assurer la continuité du courant lorsque les transistors sont ouverts.
Le récepteur R du chargeur sans fil comprend un enroulement E1, autrement dit une bobine, et une capacité de compensation C1, connectée en série avec l’enroulement E1. C’est à l’enroulement E1 que l’émetteur E transfère l’énergie électrique. La capacité de compensation C1 permet d’éviter toute perte de puissance due à un changement de mode de fonctionnement, notamment puisque l’éloignement physique entre l’émetteur E et le récepteur R provoque déjà des pertes de puissance.
En effet, le dispositif 1 comprend deux modes de fonctionnement : un mode charge et un mode onduleur. En mode charge, la batterie d’alimentation HV se charge et est alimentée par le récepteur R via le dispositif 1. Ledit récepteur R reçoit l’énergie électrique depuis l’émetteur E, relié en amont à un circuit correcteur de facteur de puissance, communément appelé par l’homme du métier : « PFC » pour « Power factor correction » en anglais. Dans ce mode, l’énergie électrique est notamment bidirectionnelle. Elle peut donc également être transférée de la batterie d’alimentation HV au réseau électrique, par exemple dans une application V2G (pour « Vehicle-to-grid » en anglais).
En mode onduleur, par exemple lors de la traction du véhicule, la batterie d’alimentation HV fournit de l’énergie électrique au moteur M, via le dispositif 1, afin d’activer la rotation des roues du véhicule et permettre ainsi de mettre le véhicule en mouvement.
Du point de vue de l’adaptation d’impédance, lorsque le dispositif 1 fonctionne en mode charge, l’inductance du moteur M est élevée, environ 600 μH, par rapport à l’inductance de l’enroulement E1, et le système électronique fonctionne à haute fréquence, c’est-à-dire supérieure à 100 kHz. Dans ce cas-là, l’impédance entre les bornes du moteur M est élevée, de valeur comprise entre 300 et 1000 Ω. Ainsi, le courant circulant dans le moteur M est suffisamment faible pour ne pas faire tourner le moteur. De plus, ledit courant circulant dans le moteur M est centré sur la valeur zéro, or, à cette valeur, le moteur M ne peut pas fonctionner.
Du point de vue de l’adaptation d’impédance, lorsque le dispositif 1 fonctionne en mode onduleur, la fréquence de fonctionnement du moteur M, dépendante de la vitesse de rotation du moteur M, est faible, c’est-à-dire environ 800 Hz. L’impédance aux bornes de l’enroulement E1 est élevée, environ 2 kΩ, et donc le courant circulant dans le récepteur R est faible.
Ainsi, le courant circule principalement entre la batterie d’alimentation HV et le moteur M pour permettre la rotation du moteur M.
En référence à la figure 5, il est représenté une deuxième forme de réalisation ayant un montage à phase indépendante, dans laquelle, le système électrique comprend au moins deux récepteurs R, et comprend notamment autant de récepteurs R1, R2, R3 que de bobines L1, L2, L3. Les récepteurs R1, R2, R3 sont respectivement connectés aux bornes des bobines L1, L2, L3 du moteur M triphasé.
En référence à la figure 6, il est représenté une troisième forme de réalisation identique à la première forme de réalisation à la différence que le moteur M utilisé est un moteur comprenant un montage en double Y.

Claims (10)

  1. Système électrique, notamment pour véhicule automobile, comprenant une batterie (HV) d’alimentation, une machine électrique permettant l’entraînement du véhicule et un dispositif (1) électrique combiné d’alimentation et de charge relié entre ladite batterie (HV) d’alimentation et ladite machine électrique, ledit système électrique étant caractérisé en ce qu’il comprend un récepteur (R) de chargeur sans fil, ledit récepteur (R) correspondant à un circuit secondaire configuré pour échanger de l’énergie avec un circuit primaire de chargeur sans fil, ledit récepteur (R) comprenant un enroulement (E1) connecté aux bornes d’une des phases de la machine électrique.
  2. Système électrique selon la revendication précédente, dans lequel le récepteur (R) comprend une capacité de compensation (C1) connectée en série avec l’enroulement (E1).
  3. Système électrique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif (1) électrique combiné d’alimentation et de charge comporte une pluralité de moyens de commutation permettant de commander la phase de la machine électrique.
  4. Système électrique selon la revendication précédente, dans lequel les moyens de commutation du dispositif (1) sont des ponts en H (11, 11’, 11’’).
  5. Système électrique selon la revendication précédente, dans lequel chaque commutateur du pont en H comprend un transistor bipolaire et une diode connectés en parallèle.
  6. Système électrique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif (1) électrique combiné d’alimentation et de charge présente deux modes de fonctionnement :
    un mode onduleur dans lequel la batterie d’alimentation (HV) alimente en énergie électrique la machine électrique via le dispositif (1) électrique combiné d’alimentation et de charge,
    un mode chargeur dans lequel un chargeur sans fil relié recharge la batterie d’alimentation (HV) également via le dispositif (1) électrique combiné d’alimentation et de charge.
  7. Système électrique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la machine électrique est un moteur triphasé.
  8. Système électrique selon la revendication précédente, dans lequel le moteur triphasé est un moteur en Y, chaque phase du moteur étant relié à un moyen de commutation du dispositif (1).
  9. Système électrique selon la revendication 7, dans lequel le moteur triphasé est un moteur en double Y, chaque phase du moteur étant relié à un moyen de commutation du dispositif (1).
  10. Système électrique selon l’une des revendications 7, 8, 9, comprenant trois récepteurs (R1, R2, R3), chaque récepteur (R1, R2, R3) étant connecté aux bornes d’une phase du moteur triphasé.
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