FR3100941A1 - Système de charge bidirectionnelle d’une batterie de véhicule automobile à sources d’énergie multiples - Google Patents

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Abstract

Système de charge bidirectionnelle d’une batterie d’un véhicule automobile électrique ou hybride, connecté à un réseau d’alimentation électrique, à au moins une cellule photovoltaïque, et à un dispositif de charge bidirectionnelle par induction, caractérisé par le fait que le système de charge bidirectionnelle comprend un convertisseur AC-DC connecté au réseau d’alimentation électrique et un convertisseur DC-DC connecté à la au moins une cellule photovoltaïque, le dispositif de charge bidirectionnelle par induction, le convertisseur AC-DC et le convertisseur DC-DC étant connectés en parallèle les uns des autres à une capacité de bus, le système de charge bidirectionnelle comprenant en outre un superviseur commandant les puissances échangées avec le réseau d’alimentation électrique, la au moins une cellule photovoltaïque et le dispositif de charge bidirectionnelle par induction en fonction de valeurs de consigne prédéterminées, d’une mesure de tension aux bornes de la capacité de bus, d’une mesure de l’état de charge de la batterie du véhicule automobile et d’une mesure de tension aux bornes de la au moins une cellule photovoltaïque. Figure pour l’abrégé : Pas de figure

Description

Système de charge bidirectionnelle d’une batterie de véhicule automobile à sources d’énergie multiples
L’invention a pour domaine technique des systèmes de commande de charge de batterie de véhicule automobile, et en particulier de tels systèmes de charge à induction.
Etat de la technique antérieure
Un moyen connu pour réduire le coût d’usage de la batterie d’un véhicule automobile électrique ou hybride est de valoriser sa batterie lorsqu’il est en stationnement en offrant divers services énergétiques au réseau électrique en mettant à disposition une partie de l’énergie et de la puissance de la batterie via un système de charge réversible ou bidirectionnelle.
Au-delà du revenu direct issu de ces services, cette méthode est aussi un moyen de favoriser l’utilisation et le développement d’énergie décarbonée, notamment photovoltaïque.
Il existe des équipements stationnaires qui combinent la gestion de cellules photovoltaïques et d’une batterie stationnaire pour lisser les variations de courte durée de la puissance photovoltaïque, et dans certains cas assurer une fonction d’alimentation sans interruption pour des charges qui y sont reliées. Ces équipements (exemples de fabricants : SMA, Ingeteam, Imeon, ….) présentent un coût modeste hors cellules photovoltaïques et batteries, obtenu essentiellement du fait de la simplicité de l’électronique dépourvue d’étage d’isolement entre le réseau de distribution et la batterie stationnaire.
Il existe d’autres systèmes plus puissants munis de batteries de grosse capacité nécessitant une isolation galvanique via un transformateur à haute fréquence, ce qui augmente sensiblement le coût et le volume de l’ensemble. Dans le cas où la batterie de forte capacité est celle d’un véhicule électrique ou hybride, un échange d’énergie isolé entre réseau et batterie est nécessaire. La mise à disposition d’une batterie de forte capacité capable de se charger ou se décharger dans le réseau représente une valeur ajoutée significative lorsqu’elle est couplée à des systèmes de génération d’énergie décarbonée, principalement des cellules photovoltaïques.
Par ailleurs, il existe des systèmes de charge inductive de la batterie d’un véhicule automobile électrique ou hybride comprenant une électronique débarquée dans une station de charge et une électronique embarquée dans le véhicule muni chacun d’une bobine d’induction et échangeant de l’énergie par couplage magnétique entre leurs bobines. Ces systèmes présentent l’avantage de disposer d’un isolement galvanique inhérent à leur conception via le couplage magnétique des bobines d’induction.
Le problème technique à résoudre est comment réaliser un système de charge pour véhicule électrique ou hybride permettant de disposer simultanément :
- d’une charge par induction,
- d’une charge bidirectionnelle entre le réseau d’alimentation électrique et la batterie du véhicule automobile,
- d’une fourniture d’énergie par des cellules photovoltaïques, et
- éventuellement d’une connexion à une batterie de secours permettant un lissage de la production d’énergie photovoltaïque ainsi qu’une autonomie énergétique en cas de défaut d’alimentation. Cette batterie venant en appoint de celle du véhicule, ou en remplacement lorsque le véhicule n’est pas connecté.
De l’état de la technique antérieure, on connaît les documents suivants.
Le document WO2006/125410 décrit un moyen d’échange d’énergie entre un réseau monophasé et une batterie de grande capacité. Un étage d’isolement est inséré via un transformateur à haute fréquence. Il n’y a pas d’interfaçage avec des cellules photovoltaïques.
Le document US2014/0339898 décrit divers arrangements de fonctions de conversion pour associer des transferts d’énergie entre un réseau d’alimentation, des cellules photovoltaïques et une batterie. Le document ne décrit pas d’étage d’isolement de la batterie ou de moyen de transfert d’énergie sans contact avec la batterie d’un véhicule automobile.
Le document DE102012109420 décrit une solution combinant des échanges entre cellules photovoltaïques, réseau d’alimentation électrique, et batterie. Ce document illustre les solutions habituellement proposées pour le lissage de la production photovoltaïque. Un système de contacts, nécessairement volumineux et coûteux, permet de fixer le sens des échanges (photovoltaïques vers réseau ou batterie ; échanges entre batterie et réseau). La possibilité d’échange avec une batterie de forte capacité pouvant être déconnectée telle que celle d’un véhicule automobile électrique ou hybride n’est pas mentionnée.
Le problème technique n’est donc pas résolu par l’état de la technique antérieure.
L’invention a pour objet un système de charge bidirectionnelle d’une batterie d’un véhicule automobile électrique ou hybride, connecté à un réseau d’alimentation électrique, à au moins une cellule photovoltaïque, et à un dispositif de charge bidirectionnelle par induction, caractérisé par le fait que le système de charge bidirectionnelle comprend un convertisseur AC-DC connecté au réseau d’alimentation électrique et un convertisseur DC-DC connecté à au moins une cellule photovoltaïque, le dispositif de charge bidirectionnelle par induction, le convertisseur AC-DC et le convertisseur DC-DC étant connectés en parallèle les uns des autres à une capacité de bus, le système de charge bidirectionnelle comprenant en outre un superviseur déterminant des consignes de puissance à échanger avec le réseau d’alimentation électrique, la au moins une cellule photovoltaïque et le dispositif de charge bidirectionnelle par induction en fonction de valeurs prédéterminées de consigne à échanger, d’une mesure de tension aux bornes de la capacité de bus, d’une mesure de l’état de charge de la batterie du véhicule automobile et d’une mesure de tension aux bornes de la au moins une cellule photovoltaïque.
La tension aux bornes de la capacité de bus peut être supérieure à la tension crête du réseau d’alimentation électrique.
Le convertisseur DC-DC peut comprendre un premier condensateur connecté en parallèle à la au moins une cellule photovoltaïque, une première armature du premier condensateur étant connectée au drain d’un premier transistor à effet de champ aux bornes duquel est connectée une diode de roue libre, la source du premier transistor à effet de champ est connectée à une borne d’une première inductance et à la cathode d’une première diode, la deuxième armature du premier condensateur est connectée à l’anode de la première diode et à la source d’un deuxième transistor à effet de champ aux bornes duquel est connectée une diode de roue libre, le drain du deuxième transistor à effet de champ est connecté à la deuxième borne de la première inductance et à l’anode d’une deuxième diode, la cathode de la deuxième diode est connectée à une armature d’un deuxième condensateur et à une borne d’une deuxième inductance, la source du deuxième transistor à effet de champ est connectée à la deuxième armature du deuxième condensateur, à l’émetteur d’un troisième transistor et à une armature de la capacité de bus, le collecteur du troisième transistor est connecté à l’autre borne de la deuxième inductance et à l’émetteur d’un quatrième transistor, une diode de roue libre est connectée en parallèle du troisième transistor, le collecteur du quatrième transistor est connecté à l’autre armature de la capacité de bus, une diode de roue libre est connectée en parallèle du transistor.
Une batterie de secours peut être connectée au convertisseur DC-DC, une borne de la batterie de secours est connectée entre une armature du deuxième condensateur et à une borne de la deuxième inductance, l’autre borne de la batterie de secours étant connectée entre l’autre armature du deuxième condensateur et à l’émetteur du quatrième transistor.
La tension aux bornes de la capacité de bus peut être égale à la tension de la au moins une cellule photovoltaïque.
La tension aux bornes de la capacité de bus peut être égale à 48V.
Le convertisseur DC-DC peut comprendre un premier condensateur connecté en parallèle à des cellules photovoltaïques, une première armature du premier condensateur étant connectée au drain d’un premier transistor à effet de champ aux bornes duquel est connectée une diode de roue libre, la source du premier transistor à effet de champ est connectée à une borne d’une première inductance et à la cathode d’une première diode, la deuxième armature du premier condensateur est connectée à l’anode de la première diode et à la source d’un deuxième transistor à effet de champ aux bornes duquel est connectée une diode de roue libre, le drain du deuxième transistor à effet de champ est connecté à la deuxième borne de la première inductance et à l’anode d’une deuxième diode, la cathode de la deuxième diode est connectée en parallèle à une armature de la capacité de bus, la source du deuxième transistor à effet de champ est connectée à une autre armature de la capacité de bus.
La capacité de bus peut être une batterie de secours.
Une batterie de secours peut être connectée en parallèle de la capacité de bus.
Le superviseur peut déterminer les consignes de puissance à échanger avec la batterie du véhicule, le réseau d’alimentation et, lorsqu’une batterie de secours est présente, la batterie de secours en fonction chacune d’un coefficient de pondération multiplié par une correction de puissance et sommée à une valeur prédéterminée de consigne de puissance à échanger, la correction de puissance étant déterminée par l’intermédiaire d’un moyen de correction recevant en entrée la différence entre une valeur de référence de la tension aux bornes de la capacité de bus et de la mesure de la tension aux bornes de la capacité de bus.
Le système de commande présente l’avantage de combiner la gestion des interactions entre des cellules photovoltaïques, le réseau d’alimentation électrique et une batterie de véhicule électrique rechargeable via un couplage inductif en utilisant des topologies électroniques non isolées.
Le système de commande présente également l’avantage de disposer d’une commande spécifique utilisant un superviseur qui pilote les échanges d’énergie en envoyant des consignes de transfert de puissance à chaque système de conversion tout en régulant la tension du bus continu interne. Il privilégie l’utilisation des cellules photovoltaïques en permanence, et optimise certaines contraintes telles que le coût ou l’empreinte carbone de l’électricité ponctionnée au réseau ainsi que l’objectif de charge batterie véhicule pour une heure donnée.
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 :
- illustre un premier mode de réalisation d’un système de charge bidirectionnelle de véhicule automobile selon l’invention,
- illustre les principaux éléments d’un convertisseur DC-DC du premier mode de réalisation de l’invention,
- illustre les principaux éléments d’un dispositif de charge bidirectionnelle par induction de l’invention,
- illustre les principaux éléments d’un convertisseur AC-DC du premier mode de réalisation de l’invention,
- illustre un deuxième mode de réalisation d’un système de charge bidirectionnelle de véhicule automobile selon l’invention,
- illustre les principaux éléments d’un convertisseur DC-DC du deuxième mode de réalisation de l’invention,
- illustre les principaux éléments d’un convertisseur AC-DC du deuxième mode de réalisation de l’invention, et
- illustre les principaux éléments d’un moyen de supervision de l’invention.
Description détaillée
Le système de charge bidirectionnelle selon l’invention permet de combiner une installation de gestion de cellules photovoltaïques, éventuellement muni d’un moyen de stockage par batterie pour assurer une continuité de fourniture face à une production photovoltaïque intermittente, avec un dispositif de charge bidirectionnelle par induction réversible de véhicule électrique.
Dans un premier mode de réalisation illustré par la figure , un système de charge bidirectionnelle 1 est connecté à des équipements de puissance, comprenant un réseau d’alimentation électrique 2, des cellules photovoltaïques 3, une batterie de secours 4 et un dispositif de charge bidirectionnelle par induction réparti entre une borne de recharge 8 et un dispositif embarqué 5b connecté à la batterie 5a d’un véhicule électrique 5.
Les dispositifs de gestion de systèmes photovoltaïque associés à du stockage existants disposent d’une batterie de faible capacité/puissance et de basse tension (48 Vdc) qui permet de ne pas avoir d’isolement et d’avoir un filtrage minimal car une telle batterie présente de faibles impédances parasites dues à son faible volume.
Le système de gestion électronique du couplage entre cellules photovoltaïque, réseau, et batterie stationnaire de stockage 1 comprend un bus DC stabilisé par une capacité de bus C permettant de gérer l’alimentation d’un convertisseur alternatif-continu également appelé convertisseur AC-DC 7, d’un convertisseur continu-continu également appelé convertisseur DC-DC 6, et de la borne de recharge 8 du dispositif de charge bidirectionnelle par induction. Le dispositif de charge bidirectionnelle par induction, le convertisseur AC-DC et le convertisseur DC-DC étant connectés en parallèle les uns des autres à la capacité de bus C.
Le convertisseur AC-DC 7 est connecté au réseau d’alimentation électrique 2. Le convertisseur DC-DC 6 relie les cellules photovoltaïques 3, le bus DC, et la batterie de secours 4.
Le convertisseur DC-DC 6 illustré par la figure comprend un premier condensateur C1 connecté en parallèle à des cellules photovoltaïques 3, une première armature du premier condensateur C1 étant connectée au drain d’un premier transistor à effet de champ T1 aux bornes duquel est connectée une diode de roue libre D1.
La source du premier transistor à effet de champ T1 est connectée à une borne d’une première inductance L1 et à la cathode d’une première diode D2.
La deuxième armature du premier condensateur C1 est connectée à l’anode de la première diode D2 et à la source d’un deuxième transistor à effet de champ T3 aux bornes duquel est connectée une diode de roue libre D3. Le drain du deuxième transistor à effet de champ T3 est connecté à la deuxième borne de la première inductance L1 et à l’anode d’une deuxième diode D4. La cathode de la deuxième diode D4 est connectée à une armature d’un deuxième condensateur C2, à une première borne de la batterie de secours 4 et à une borne d’une deuxième inductance L2.
La source du deuxième transistor à effet de champ T3 est connectée à une autre armature du deuxième condensateur C2, à la deuxième borne de la batterie de secours 4, à l’émetteur d’un troisième transistor T5 et à une armature de la capacité de bus C.
Le collecteur du troisième transistor T5 est connecté à l’autre borne de la deuxième inductance L2 et à l’émetteur d’un quatrième transistor T6. Une diode de roue libre D5 est connectée en parallèle du troisième transistor T5.
Le collecteur du quatrième transistor T6 est connecté à l’autre armature de la capacité de bus C. Une diode de roue libre D6 est connectée en parallèle du quatrième transistor T6.
La topologie du convertisseur DC-DC 6 permet de limiter les composants nécessaires pour assurer un transfert entre les cellules photovoltaïques 3, le bus DC, et la batterie de secours 4. En effet, les gabarits de tension fournis par la batterie de secours 4 et les cellules photovoltaïques 3 sont du même ordre de grandeur et requièrent de fait une fonction élévateur – abaisseur de tension de type « buck-boost » par l’intermédiaire duquel les cellules photovoltaïques 3 ne font l’objet que d’un flux de puissance monodirectionnel tandis que la batterie et le bus DC peuvent faire l’objet de flux de puissance bidirectionnels. En d’autres termes, les cellules photovoltaïques 3 ne peuvent que générer de la puissance tandis que la batterie de secours 4 et le bus DC peuvent recevoir ou émettre de la puissance.
La topologie proposée présente l’avantage d’une empreinte des composants à coût et volume minimaux. Pour le filtrage différentiel, deux inductances et deux capacités sont nécessaires.
Le dispositif de charge bidirectionnelle par induction illustré par la figure comprend une borne de recharge 8 et une partie embarquée 5b dans le véhicule électrique ou hybride 5.
La borne de recharge 8 comprend deux entrées E3 et E4 connectées aux entrées d’un pont de transistors (T7,T8,T9,T10) et une bobine d’induction connectée aux sorties du pont de transistors (T7,T8,T9,T10) par l’intermédiaire d’une capacité de couplage CC1. La première entrée E3 du pont de transistors (T7,T8,T9,T10) est connectée au collecteur du transistor T7 et au collecteur du transistor T9. Des diodes de roue libre D7,D8,D9,D10 sont connectées en parallèle respectivement des transistors T7,T8,T9,T10. La deuxième entrée E4 du pont de transistors est connectée à l’émetteur du transistor T8 et à l’émetteur du transistor T10. Une première sortie du pont 8a de transistors (T7,T8,T9,T10) est connectée à l’émetteur du transistor T9 et au collecteur d’un transistor T10. Une deuxième sortie du pont de transistors (T7,T8,T9,T10) est connectée entre l’émetteur du transistor T7 et le collecteur du transistor T8.
La partie embarquée 5b comprend une bobine d’induction connectée aux entrées d’un autre pont de transistors (T11,T12,T13,T14) par l’intermédiaire d’une capacité de couplage CC2. L’autre pont de transistors (T11,T12,T13,T14) comprend une première entrée connectée à l’émetteur d’un transistor T11 en parallèle duquel est connectée une diode de roue libre D11 et au collecteur d’un deuxième transistor T12 en parallèle duquel est connectée une diode de roue libre D12. La première sortie du pont de transistors est connectée au collecteur du transistor T11 et au collecteur du transistor T13. Une diode de roue libre D13 est connectée en parallèle du transistor T13. La deuxième sortie du pont de transistors est connectée à l’émetteur du transistor T12 et à l’émetteur du transistor T14. Une diode de roue libre D14 est connectée en parallèle du transistor T14. La deuxième entrée du pont de transistors est connectée entre l’émetteur du transistor T13 et le collecteur du transistor T14. Les sorties de l’autre pont de transistors (T11,T12,T13,T14) sont connectées en parallèle à une capacité C3 et à la batterie 5a du véhicule.
Le convertisseur AC-DC 7 illustré par la figure est un convertisseur AC-DC bidirectionnel comprenant deux entrées E1,E2 et deux sorties S1,S2.
Un condensateur C4 est relié entre les deux entrées E1 et E2.
La première entrée E1 est reliée à une connexion de la première armature TR1 d’un transformateur. L’autre connexion de l’armature TR1 est reliée à une première armature d’un condensateur C5 et à une extrémité d’une inductance L3, l’autre extrémité de l’inductance L3 étant connectée à une première entrée d’un pont de transistors (T15,T16,T17,T18).
La deuxième entrée E2 est reliée à une connexion de la deuxième armature TR2 d’un transformateur. L’autre connexion de l’armature TR2 est reliée à une première armature d’un condensateur C6 et à une extrémité d’une inductance L4, l’autre extrémité de l’inductance L4 étant connectée à une deuxième entrée du pont de transistors (T15,T16,T17,T18).
Les deuxièmes armatures des condensateurs C5 et C6 sont reliées ensemble et à la masse.
La première entrée du pont de transistors (T15,T16,T17,T18) est connectée à l’émetteur d’un transistor T15 en parallèle duquel est connectée une diode de roue libre D15 et au collecteur d’un deuxième transistor T16 en parallèle duquel est connectée une diode de roue libre D16.
Une diode de roue libre connectée en parallèle d’un transistor bipolaire ou IGBT est connectée de sorte que son anode soit connectée à l’émetteur du transistor et que sa cathode soit connectée au collecteur du transistor.
La première sortie du pont de transistors (T15,T16,T17,T18) est connectée au collecteur du transistor T15 et au collecteur du transistor T17. Une diode de roue libre D17 est connectée en parallèle du transistor T17.
La deuxième sortie du pont de transistors (T15,T16,T17,T18) est connectée à l’émetteur du transistor T16 et à l’émetteur du transistor T18. Une diode de roue libre D18 est connectée en parallèle du transistor T18.
La deuxième entrée du pont de transistors (T15,T16,T17,T18) est connectée entre l’émetteur du transistor T17 et le collecteur du transistor T18.
La première sortie du pont de transistors (T15,T16,T17,T18) est confondue avec la première sortie du convertisseur AC-DC 7.
La deuxième sortie du pont de transistors (T15,T16,T17,T18) est confondue avec la deuxième sortie du convertisseur AC-DC 7.
Le convertisseur AC-DC 7 nécessite un filtrage minimal coté réseau de par sa topologie et la faible impédance de mode commun de l’ensemble.
Dans ce mode de réalisation préférentiel, le bus DC haute tension connecté à la capacité C partagée est régulé à une tension supérieure au maximum atteignable par le réseau 230 Vac, typiquement 380Vdc à 400Vdc.
La régulation de cette tension est réalisée par un moyen de supervision 9, qui ajuste en temps réel les consignes des flux de puissance. Une tension stable est la condition suffisante pour assurer une somme de puissances nulle. Le moyen de supervision 9 est décrit plus loin en liaison avec la figure .
Dans un autre mode de réalisation du système de charge bidirectionnelle illustré par la figure , le bus DC est un bus DC intermédiaire basse tension, notamment à 48 Vdc. Cette configuration présente deux avantages principaux :
- nécessiter un boîtier avec un indice de protection contre les chocs électriques réduit,
- présenter le même niveau de tension d’environ 48V que la batterie de secours 4. Dans un mode de réalisation particulier, la batterie de secours 4 peut alors se substituer à la capacité C de bus DC. Le mode de réalisation illustré par les figures 5 à 7 et décrit ci-dessous comprend une capacité C de bus DC et une batterie de secours 4.
Indépendamment de la présence d’une capacité de bus DC, les courants circulant dans le système de charge bidirectionnelle deviennent plus importants et augmentent de fait la taille et la masse des conducteurs et connecteurs.
Le système de charge bidirectionnelle est connecté à des équipements de puissance, comprenant un réseau d’alimentation électrique 2, des cellules photovoltaïques 3, une batterie de secours 4 et un dispositif de charge bidirectionnelle par induction réparti entre une borne de recharge 8 et un dispositif embarqué 5b connecté à la batterie 5a d’un véhicule électrique 5.
Le système de charge bidirectionnelle comprend un tel bus DC à tension intermédiaire basse permettant de gérer l’alimentation d’un convertisseur AC-DC 7b connecté au réseau d’alimentation électrique 2, d’un convertisseur DC-DC 6b reliant les cellules photovoltaïques 3, le bus DC, et la batterie de secours 4, et de la borne de recharge 8 du dispositif de charge bidirectionnelle par induction.
Le convertisseur DC-DC 6b illustré par la figure comprend un condensateur C10 connecté en parallèle à des cellules photovoltaïques 3, une première armature du condensateur C10 étant connectée au drain d’un transistor à effet de champ T30 aux bornes duquel est connectée une diode de roue libre D30.
La source du transistor à effet de champ T30 est connectée à une borne d’une inductance L6 et à la cathode d’une diode D29.
La deuxième armature du condensateur C10 est connectée à l’anode de la diode D29, à la source d’un transistor à effet de champ T32, à une armature de la capacité de bus C et à une borne de la batterie de secours 4. Une diode de roue libre D32 est connectée aux bornes du transistor à effet de champ 32. Le drain du transistor à effet de champ T32 est connecté à la deuxième borne de l’inductance L6 et à l’anode d’une diode D31. La cathode de la diode D31 est connectée en parallèle à une autre armature de la capacité de bus C et à une autre borne de la batterie de secours 4.
Le dispositif de charge bidirectionnelle par induction est structurellement identique à celui décrit dans le premier mode de réalisation et illustré par la figure . Il n’est donc pas de nouveau décrit ici. Seuls diffèrent le nombre de spires de la bobine d’induction de la borne de recharge 8 et le calibre électrique des transistors du pont de transistors (T11, T12, T13, T14) de la partie embarquée 5b dans le véhicule électrique ou hybride 5.
Le convertisseur AC-DC 7b illustré par la figure est un convertisseur AC-DC bidirectionnel comprenant deux entrées E1,E2 et deux sorties S1,S2.
La première entrée E1 est reliée à une connexion de la première armature TR1 d’un transformateur. L’autre connexion de l’armature TR1 est reliée à une première armature d’un premier condensateur C7, une première armature d’un troisième condensateur C9 et à une première entrée d’un pont de transistors (T19,T20,T21,T22).
La deuxième entrée E2 est reliée à une connexion de la deuxième armature TR2 d’un transformateur. L’autre connexion de la deuxième armature TR2 est reliée à une première armature d’un deuxième condensateur C8, à une deuxième armature du troisième condensateur C9 et à une deuxième entrée d’un pont de transistors (T19,T20,T21,T22).
Les deuxièmes armatures des condensateurs C7 et C8 sont reliées ensemble et à la masse.
Le pont de transistors (T19,T20,T21,T22) comprend une première entrée connectée à l’anode d’une diode D23, la cathode de la diode D23 étant connectée au collecteur d’un transistor T19 en parallèle duquel est connectée une diode de roue libre D19.
La première entrée est connectée par ailleurs à la cathode d’une diode D24, l’anode de la diode D24 étant connectée à l’émetteur d’un deuxième transistor T20 en parallèle duquel est connectée une diode de roue libre D20.
Une diode de roue libre connectée en parallèle d’un transistor à effet de champ est connectée de sorte que son anode soit connectée à la source du transistor et que sa cathode soit connectée au drain du transistor.
Une diode de roue libre connectée en parallèle d’un transistor bipolaire est connectée de sorte que son anode soit connectée à l’émetteur du transistor et que sa cathode soit connectée au collecteur du transistor.
La première sortie du pont de transistors (T19, T20, T21, T22) est connectée à l’émetteur du deuxième transistor T19 et à l’émetteur du troisième transistor T21. Une diode de roue libre D21 est connectée en parallèle du transistor T21.
La deuxième sortie du pont de transistors (T19, T20, T21, T22) est connectée au collecteur du deuxième transistor T20 et au collecteur du quatrième transistor T22. Une diode de roue libre D22 est connectée en parallèle du transistor T22.
La deuxième entrée du pont de transistors (T19, T20, T21, T22) est connectée à l’anode d’une diode D25, la cathode de la diode D25 étant connectée au collecteur du transistor T21. La deuxième entrée du pont de transistors est par ailleurs connectée à la cathode d’une diode D26, l’anode de la diode D26 étant connectée à l’émetteur du transistor T22.
La première sortie du pont de transistors (T19, T20, T21, T22) est connectée à une borne d’une inductance L5, l’autre borne de l’inductance L5 étant connectée à l’anode d’une diode D28 et au drain d’un transistor à effet de champ T27. Une diode de roue libre D27 est connectée en parallèle du transistor T27, ou préférentiellement fait partie intégrante du transistor. La cathode de la diode D28 est connectée à la première sortie S1 du convertisseur AC-DC 6b.
La deuxième sortie du pont de transistors (T19, T20, T21, T22) est connectée à la source du transistor T27 et à la deuxième sortie S2 du convertisseur AC-DC 7b.
La capacité C du bus DC et la batterie de secours 4 sont connectées en parallèle aux sorties du convertisseur AC-DC 7b.
Le convertisseur AC-DC 7b permet de convertir la tension du réseau d’alimentation électrique, généralement à 230Vac en une tension continue de 48 Vdc.
La figure décrit une régulation de type boucle ouverte (« feed forward » en langue anglaise) permettant de commander les différents équipements de puissance du système de charge bidirectionnelle au sein du moyen de supervision 9.
La régulation permet de déterminer une consigne de puissance pour chaque équipement de puissance comme la somme d’une consigne issue de la boucle ouverte et d’une correction ΔP issue d’une loi de régulation sur la stabilité de la tension de bus continu. Le principal biais de cette loi de régulation réside dans les pertes des convertisseurs.
La correction ΔP est déterminée par l’intermédiaire d’un moyen de correction 11 recevant en entrée la différence entre une valeur de référence de la tension du bus DC et de la mesure de la tension du bus DC. Le moyen de correction peut comprendre un modèle ou une cartographie permettant de déterminer la correction ΔP.
Le calcul a priori des flux de puissance fixe l’équilibre théorique des consignes en fonction de l’optimisation énergétique choisie. Ce calcul permet de fixer les consignes de boucle ouverte.
La stratégie MPPT (acronyme anglophone pour « Maximum Power Point Tracker », suivi du point maximal de puissance) est toujours préférée pour bénéficier du meilleur coût énergétique et de l’empreinte carbone la plus faible.
La stratégie MPPT cherche à disposer d’une puissance photovoltaïque P_PV à son maximum à chaque instant en fonction de la tension des cellules photovoltaïques V_PV.
La consigne de puissance à échanger avec les batteries P_batt, la consigne de puissance à échanger avec la batterie du véhicule automobile à un horizon donné P_battveh, et la consigne de puissance à échanger avec le réseau d’alimentation électrique P_AC sont déterminées en fonction de l’état de charge de la batterie du véhicule SOC, du coût de l’énergie CST, de la correction ΔP et de valeurs prédéterminées de consigne de puissance à échanger, respectivement P_batt_fw, P_battveh_fw et P_AC_fw. L’état de charge des batterie 5a du véhicule automobile 5 est déterminé par mesure, notamment par le véhicule lui-même dans le cadre de la surveillance de la charge. Le coût de l’énergie CST peut être une valeur fixe, ou mise à jour dynamiquement, provenant notamment d’un opérateur énergétique. Il s’entend que chacune de ces valeurs peut être positive ou négative du fait du caractère bidirectionnel des échanges.
Il est à noter qu’il n’est pas toujours possible d’injecter une puissance dans le réseau d’alimentation électrique. En effet, lorsque la consommation des équipements reliés au système de charge bidirectionnelle est supérieure à la puissance pouvant être générée par le système de charge bidirectionnelle, on ne peut que réduire la consommation nette au niveau du réseau. Cela revient à effacer tout ou partie de la consommation du système de charge bidirectionnelle.
La correction ΔP qui garantit l’équilibre réel des puissances s’applique à une seule consigne (qui sert de variable d’ajustement) ou à l’ensemble des consignes moyennant une pondération, laquelle peut être variable et actualisée périodiquement par le moyen de supervision 9.
En d’autres termes, on définit des coefficients a0, a1, a2 compris entre 0 et 1 déterminés par le moyen de supervision 9.
La valeur prédéterminée de consigne de puissance à échanger avec la batterie de secours P_batt_fw, la valeur prédéterminée de consigne de puissance à échanger avec la batterie du véhicule P_battveh_fw et la valeur prédéterminée de consigne de puissance à échanger avec le réseau d’alimentation P_AC_fw sont mémorisées ou déterminées par le superviseur.
Les consignes de puissance à échanger transmises aux actionneurs des équipements de puissance sont alors données par les équations suivantes :
Les coefficients a0, a1, a2 permettent de répartir la correction de puissance sur l’ensemble des équipements de puissance. Si la correction s’applique à un seul équipement de puissance, seul le coefficient le concernant est non nul. Les autres coefficients sont nuls.
Par contre, il apparaît que la consigne de puissance des cellules photovoltaïques P_PV ne dépend que de leur tension V_PV et de la stratégie MPPT.
Les consignes P_PV, P_batt, P_battveh et P_AC sont les consignes transmises aux équipements de puissance.

Claims (10)

  1. Système de charge bidirectionnelle d’une batterie (5a) d’un véhicule automobile (5) électrique ou hybride, connecté à un réseau d’alimentation électrique (2), à au moins une cellule photovoltaïque (3), et à un dispositif de charge bidirectionnelle par induction (8,5b), caractérisée par le fait que le système de charge bidirectionnelle comprend un convertisseur AC-DC (7,7b) connecté au réseau d’alimentation électrique (2) et un convertisseur DC-DC (6,6b) connecté à la au moins une cellule photovoltaïque (3), le dispositif de charge bidirectionnelle par induction (8, 5b), le convertisseur AC-DC (7,7b) et le convertisseur DC-DC (6,6b) étant connectés en parallèle les uns des autres à une capacité de bus (C), le système de charge bidirectionnelle comprenant en outre un superviseur (9) déterminant des consignes de puissance à échanger avec le réseau d’alimentation électrique (2), la au moins une cellule photovoltaïque (3) et le dispositif de charge bidirectionnelle par induction (8,5b) en fonction de valeurs prédéterminées de consigne à échanger, d’une mesure de tension aux bornes de la capacité de bus (C), d’une mesure de l’état de charge de la batterie (5a) du véhicule automobile et d’une mesure de tension aux bornes de la au moins une cellule photovoltaïque (3).
  2. Système selon la revendication 1, dans lequel la tension aux bornes de la capacité de bus (C) est supérieure à la tension crête du réseau d’alimentation électrique (2).
  3. Système selon la revendication 2 dans lequel le convertisseur DC-DC (6) comprend un premier condensateur (C1) connecté en parallèle à la au moins une cellule photovoltaïques (3), une première armature du premier condensateur (C1) étant connectée au drain d’un premier transistor à effet de champ (T1) aux bornes duquel est connectée une diode de roue libre (D1), la source du premier transistor à effet de champ (T1) est connectée à une borne d’une première inductance (L1) et à la cathode d’une première diode (D2), la deuxième armature du premier condensateur (C1) est connectée à l’anode de la première diode (D2) et à la source d’un deuxième transistor à effet de champ (T3) aux bornes duquel est connectée une diode de roue libre (D3), le drain du deuxième transistor à effet de champ (T3) est connecté à la deuxième borne de la première inductance (L1) et à l’anode d’une deuxième diode (D4), la cathode de la deuxième diode (D4) est connectée à une armature d’un deuxième condensateur (C2) et à une borne d’une deuxième inductance (L2), la source du deuxième transistor à effet de champ (T3) est connectée à la deuxième armature du deuxième condensateur (C2), à l’émetteur d’un troisième transistor (T5) et à une armature de la capacité de bus (C), le collecteur du troisième transistor (T5) est connecté à l’autre borne de la deuxième inductance (L2) et à l’émetteur d’un quatrième transistor (T6), une diode de roue libre (D5) est connectée en parallèle du troisième transistor (T5), le collecteur du quatrième transistor (T6) est connecté à l’autre armature de la capacité de bus (C), une diode de roue libre (D19) est connectée en parallèle du quatrième transistor (T6).
  4. Système selon la revendication 3, dans lequel une batterie de secours (4) est connectée au convertisseur DC-DC (6), une borne de la batterie de secours (4) est connectée entre une armature du deuxième condensateur (C2) et à une borne de la deuxième inductance (L2), l’autre borne de la batterie de secours (4) étant connectée entre l’autre armature du deuxième condensateur (C2) et à l’émetteur du troisième transistor (T5).
  5. Système selon la revendication 1 dans lequel la tension aux bornes de la capacité de bus (C) est égale à la tension de la au moins une cellule photovoltaïque (3).
  6. Système selon la revendication 5, dans lequel la tension aux bornes de la capacité de bus (C) est égale à 48V.
  7. Système selon l’une quelconque des revendications 5 ou 6 dans lequel le convertisseur DC-DC (6b) comprend un premier condensateur (C10) connecté en parallèle à des cellules photovoltaïques (3), une première armature du premier condensateur (C10) étant connectée au drain d’un premier transistor à effet de champ (T30) aux bornes duquel est connectée une diode de roue libre (D30), la source du premier transistor à effet de champ (T30) est connectée à une borne d’une première inductance (L6) et à la cathode d’une première diode (D29), la deuxième armature du premier condensateur (C10) est connectée à l’anode de la première diode (D29) et à la source d’un deuxième transistor à effet de champ (T32) aux bornes duquel est connectée une diode de roue libre (D32), le drain du deuxième transistor à effet de champ (T32) est connecté à la deuxième borne de la première inductance (L6) et à l’anode d’une deuxième diode (D31), la cathode de la deuxième diode (D31) est connectée en parallèle à une armature de la capacité de bus (C), la source du deuxième transistor à effet de champ (T32) est connectée à une autre armature de la capacité de bus (C).
  8. Système selon la revendication 7, dans lequel la capacité de bus (C) est une batterie de secours (4).
  9. Système selon la revendication 7, dans lequel une batterie de secours (4) est connectée en parallèle de la capacité de bus (C).
  10. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le superviseur détermine les consignes de puissance à échanger avec la batterie du véhicule, le réseau d’alimentation et, lorsqu’une batterie de secours est présente, la batterie de secours en fonction chacune d’un coefficient de pondération multiplié par une correction de puissance et sommée à une valeur prédéterminée de consigne de puissance à échanger, la correction de puissance étant déterminée par l’intermédiaire d’un moyen de correction (11) recevant en entrée la différence entre une valeur de référence de la tension aux bornes de la capacité de bus (C) et la mesure de la tension aux bornes de la capacité de bus (C).
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