FR3127729A1 - Système électrique pour véhicule automobile - Google Patents

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Cédric LAURENT
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Abstract

L’invention concerne un système électrique pour véhicule automobile, le véhicule comprenant au moins une batterie (10) d’alimentation, le système électrique comprenant un chargeur électrique (20), destiné à être connecté d’une part ladite à batterie (10) et d’autre part à un réseau électrique externe au véhicule fournissant une tension alternative ou à des équipements électriques, et un microcontrôleur (40), le chargeur (20) étant apte à charger la batterie (10) à partir d’un réseau électrique externe ou à permettre à la batterie (10) d’alimenter lesdits équipements, le chargeur (20) comprenant un circuit correcteur (21) de facteur de puissance et un convertisseur (22). Figure pour l’abrégé : Fig 1

Description

Système électrique pour véhicule automobile
L’invention concerne le domaine des véhicules électriques ou hybrides et plus précisément des systèmes électriques pour véhicules électriques ou hybrides, comprenant un chargeur embarqué et un microcontrôleur, et le procédé mis en œuvre par ledit système électrique.
De manière connue un véhicule électrique ou hybride comprend une batterie apte à fournir de l’énergie électrique afin d’alimenter des équipements électriques, montés dans le véhicule ou externes au véhicule, et la machine électrique du véhicule.
Le véhicule comprend également un chargeur embarqué, plus connu sous l’appellation OBC pour « On Board Charger » en langue anglaise, connecté à la batterie. Lorsque le chargeur embarqué est d’autre part connecté à un équipement électrique, il permet de convertir la tension continue fournie par la batterie en une tension alternative afin d’alimenter l’équipement électrique auquel il est connecté. Par ailleurs, le chargeur embarqué peut d’autre part être connecté à un réseau électrique d’alimentation et permet dans ce cas de convertir la tension alternative fournie par le réseau en tension continue afin de recharger la batterie.
De manière connue, un chargeur embarqué comprend un circuit correcteur de facteur de puissance, connu sous l’appellation « PFC » pour « Power Factor Corrector » en langue anglaise, un convertisseur de courant continu-continu, une capacité de liaison connectée en parallèle entre le circuit correcteur de facteur de puissance et le convertisseur de courant et un microcontrôleur apte à commander le circuit correcteur de facteur de puissance.
Par exemple, lorsque la batterie charge, le correcteur de facteur de puissance est l’élément du chargeur embarqué apte à convertir une tension alternative, fournie par un réseau électrique externe au véhicule, en une tension continue définie entre 400 et 800 V. La capacité de liaison permet de supprimer les oscillations résiduelles de la tension continue fournie par le circuit correcteur de facteur de puissance. Le convertisseur de courant continu-continu est ensuite apte à convertir la tension continue lissée par la capacité, en une autre valeur de tension continue, comprise entre 200 et 400 V environ apte à charger la batterie.
Le microcontrôleur est notamment apte à commander le circuit correcteur de facteur de puissance. Ainsi, par exemple, le microcontrôleur commande le circuit correcteur afin de définir la valeur de la tension continue fournie par le circuit correcteur et définie entre 400 et 800 V en fonction de l’état de charge de la batterie.
Ainsi ici, la capacité de liaison doit être adaptée pour supporter des tensions élevées allant de 400 à 800 V. Or, plus la capacité est adaptée pour supporter des tensions élevées, plus elle est coûteuse et encombrante.
De même, les différents composants électroniques du circuit correcteur de facteur de puissance et du convertisseur de courant continu-continu doivent également être adaptés pour supporter des tensions allant jusqu’à 800 V, pour ne pas être détériorés.
De plus, lorsque la tension fournie par le convertisseur ou par le circuit correcteur est élevée, notamment au-delà de 600 V, un échauffement se produit dans le chargeur embarqué, pouvant provoquer une perte de rendement de l’ordre de 1 à 3%. Un dispositif de refroidissement doit être ajouté afin de dissiper la chaleur émise et ainsi éviter une détérioration des composants électroniques du chargeur embarqué.
Une solution est donc nécessaire afin de pallier au moins en partie, ces inconvénients.
A cette fin, le système électrique pour véhicule automobile, le véhicule comprenant au moins une batterie d’alimentation, le système électrique comprenant un chargeur électrique, destiné à être connecté d’une part ladite à batterie et d’autre part à un réseau électrique externe au véhicule fournissant une tension alternative ou à des équipements électriques, et un microcontrôleur, le chargeur étant apte à charger la batterie à partir d’un réseau électrique externe ou à permettre à la batterie d’alimenter lesdits équipements, le chargeur comprenant :
  1. un circuit correcteur de facteur de puissance, apte à convertir une tension alternative en une tension continue,
  2. un convertisseur de tension continu-continu, connecté entre le circuit correcteur de facteur de puissance et la batterie et apte à convertir une tension continue en une autre tension continue, ledit convertisseur de tension continu-continu comprenant un premier pont en H, et un deuxième pont en H, chaque pont en H comprenant quatre interrupteurs, un premier interrupteur étant connecté entre un point haut et un point milieu, un deuxième interrupteur étant relié entre le point milieu et un point bas, un troisième interrupteur étant relié entre le point haut et un deuxième point milieu et un quatrième interrupteur étant relié entre le deuxième point milieu et le point bas, le convertisseur de tension comprenant également un transformateur connectant électriquement le premier pont en H et le deuxième pont en H, chaque pont en H étant apte à fonctionner selon :
    1. un premier mode de fonctionnement dans lequel le premier interrupteur et le quatrième interrupteur sont ouverts et fermés simultanément, le deuxième interrupteur et le troisième interrupteur sont ouverts et fermés simultanément à l’inverse du premier interrupteur et du quatrième interrupteur,
    2. un deuxième mode de fonctionnement dans lequel le quatrième interrupteur est toujours fermé, le troisième interrupteur est toujours ouvert, et le premier interrupteur et le deuxième interrupteur sont ouverts et fermés alternativement.
le microcontrôleur est configuré pour :
1. commander l’ouverture et la fermeture de chaque interrupteur du premier pont et du deuxième pont du convertisseur de tension continu-continu par l’émission à chaque interrupteur d’un signal de commande caractérisé par une fréquence, l’état haut du signal de commande permettant de commander la fermeture d’un interrupteur et l’état bas du signal de commande permettant de commander l’ouverture d’un interrupteur,
2. lorsque le microcontrôleur reçoit une demande de transition du premier mode de fonctionnement vers le deuxième mode de fonctionnement pour le premier pont, respectivement le deuxième pont:
  1. émettre une commande de fermeture au quatrième interrupteur et une commande d’ouverture au troisième interrupteur du premier pont, respectivement du deuxième pont,
  2. définir la fréquence du signal de commande émis au premier interrupteur et au deuxième interrupteur du premier pont, respectivement du deuxième pont, à une première valeur de fréquence maximale prédéfinie pendant une durée prédéterminée,
  3. lorsque la durée prédéterminée s’est écoulée, désactiver le deuxième mode de fonctionnement actif et activer le premier mode de fonctionnement du premier pont, respectivement du deuxième pont,
3. lorsque le microcontrôleur reçoit une demande de transition du deuxième mode de fonctionnement vers le premier mode de fonctionnement pour le premier pont, respectivement le deuxième pont :
  1. définir la fréquence du signal de commande émis à chaque interrupteur du premier pont, respectivement du deuxième pont, à une deuxième valeur de fréquence maximale prédéfinie pendant une durée prédéterminée,
  2. lorsque la durée prédéterminée s’est écoulée, désactiver le premier mode de fonctionnement actif et activer le deuxième mode de fonctionnement du premier pont, respectivement du deuxième pont.
Ainsi, avantageusement, la fonction de variation en puissance est assurée par le convertisseur commandé par le microcontrôleur. De plus, le fait d’augmenter la fréquence de chaque signal de commande avant de changer de mode de fonctionnement permet au convertisseur de tension continu-continu d’atteindre plus rapidement la fréquence souhaitée lorsque le mode de fonctionnement sera ensuite changé. Cela permet donc au convertisseur de tension continu-continu d'être plus réactif aux variations rapides d'appels de puissance et évite de fortes variations de la tension de la capacité de liaison. De cette façon, cela protège les composants électroniques du chargeur embarqué de problèmes de surtensions et de surchauffes dans ledit chargeur embarqué.
De préférence, le chargeur embarqué comprend une capacité de liaison connectée entre le circuit correcteur de facteur de puissance et le convertisseur de tension continu-continu, apte à atténuer les oscillations résiduelles de la tension fournie entre le circuit correcteur de facteur de puissance et le convertisseur de tension continu-continu.
De manière avantageuse, le convertisseur comprend :
  1. un transformateur comprenant un enroulement primaire et un enroulement secondaire, chaque enroulement comprenant une première borne et une deuxième borne,
  2. un premier circuit résonant comprenant une capacité résonante et une bobine connectées en série, la capacité résonante du premier circuit résonant étant connectée électriquement au premier point milieu du premier pont, et la bobine du premier circuit résonant étant connectée électriquement à la première borne de l’enroulement primaire du transformateur,
  3. un deuxième circuit résonant comprenant une capacité résonante et une bobine connectées en série, la capacité résonante du deuxième circuit résonant étant connectée électriquement au premier point milieu du deuxième pont, et la bobine du deuxième circuit résonant étant connectée électriquement à la première borne de l’enroulement secondaire du transformateur.
Le système électrique permet ainsi de ramener la tension au bornes de la capacité du premier et du deuxième circuit résonant à sa valeur de tension moyenne juste avant de changer de mode de fonctionnement. Ainsi, lors du redémarrage suite à un changement de mode de fonctionnement, cela permet de ne pas appliquer de tension élevée aux bornes des premier, deuxième, troisième ou quatrième interrupteur pouvant endommager lesdits interrupteurs.
De manière avantageuse, une première plage de fréquences définit l’ensemble des fréquences du signal de commande pour lesquelles le premier pont ou le deuxième pont fonctionne selon le premier mode de fonctionnement et une deuxième plage de fréquences définit l’ensemble des fréquences du signal de commande pour lesquelles le premier pont ou le deuxième pont fonctionne selon le deuxième mode de fonctionnement, la première valeur de fréquence maximale étant égale à la fréquence maximale de l’intervalle de fréquence du deuxième mode de fonctionnement et la deuxième valeur de fréquence maximale étant égale à la fréquence maximale de l’intervalle de fréquence du premier mode de fonctionnement.
De préférence encore, le convertisseur comprend une bobine supplémentaire, connectée en parallèle de l’enroulement primaire du transformateur. Notamment, la bobine supplémentaire peut être interne ou externe au transformateur. Lorsque la bobine supplémentaire est externe au transformateur, le convertisseur correspond à un convertisseur de tension continu-continu résonant de type CLLLC.
De manière avantageuse, chaque interrupteur désigne un transistor MOSFET ou bipolaire.
L’invention concerne également un véhicule automobile comprenant au moins une batterie et au moins un système électrique tel que présenté précédemment.
L’invention concerne également un procédé d’activation d’un mode de fonctionnement d’un convertisseur de système électronique pour véhicule automobile, tel que présenté précédemment, ledit procédé étant mis en œuvre par le microcontrôleur, lorsque le microcontrôleur reçoit une demande de transition du premier mode de fonctionnement vers le deuxième mode de fonctionnement pour le premier pont, respectivement le deuxième pont, le procédé comprend les étapes :
i. d’émission d’une commande de fermeture au quatrième interrupteur et une commande d’ouverture au troisième interrupteur du premier pont, respectivement du deuxième pont,
ii. de définition de la fréquence du signal de commande émis au premier interrupteur et au deuxième interrupteur du premier pont, respectivement du deuxième pont, à une première valeur de fréquence maximale prédéfinie pendant une durée prédéterminée,
iii. lorsque la durée prédéterminée s’est écoulée, de désactivation du deuxième mode de fonctionnement et d’activation du premier mode de fonctionnement du premier pont, respectivement du deuxième pont.
De préférence, lorsque le microcontrôleur reçoit une demande de transition du premier mode de fonctionnement vers le deuxième mode de fonctionnement pour le premier pont, respectivement le deuxième pont, le procédé comprend les étapes :
  1. de définition de la fréquence du signal de commande émis à chaque interrupteur du premier pont, respectivement du deuxième pont, à une deuxième valeur de fréquence maximale prédéfinie pendant une durée prédéterminée,
  2. lorsque la durée prédéterminée s’est écoulée, de désactivation du premier mode de fonctionnement et d’activation du deuxième mode de fonctionnement du premier pont, respectivement du deuxième pont.
L’invention concerne également un produit programme d’ordinateur remarquable en ce qu’il comporte un ensemble d’instructions de code de programme qui, lorsqu’elles sont exécutées par un ou plusieurs processeurs, configurent le ou les processeurs pour mettre en œuvre le procédé tel que présenté précédemment.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
La illustre schématiquement le système électrique selon l’invention,
La représente le circuit électronique du convertisseur du chargeur du système électrique selon la .
La illustre schématiquement le procédé selon l’invention.

Claims (10)

  1. Système électrique pour véhicule automobile, le véhicule comprenant au moins une batterie (10) d’alimentation, le système électrique comprenant un chargeur électrique (20), destiné à être connecté d’une part ladite à batterie (10) et d’autre part à un réseau électrique externe au véhicule fournissant une tension alternative ou à des équipements électriques, et un microcontrôleur (40), le chargeur (20) étant apte à charger la batterie (10) à partir d’un réseau électrique externe ou à permettre à la batterie (10) d’alimenter lesdits équipements, le chargeur (20) comprenant :
    1. un circuit correcteur (21) de facteur de puissance, apte à convertir une tension alternative en une tension continue,
    2. un convertisseur (22) de tension continu-continu, connecté entre le circuit correcteur (21) de facteur de puissance et la batterie (10) et apte à convertir une tension continue en une autre tension continue, ledit convertisseur (22) de tension continu-continu comprenant un premier pont en H (H1), et un deuxième pont en H (H2), chaque pont en H comprenant quatre interrupteurs (T1, T2, T3, T4), un premier interrupteur (T1) étant connecté entre un point haut (PH) et un point milieu (PM1), un deuxième interrupteur (T2) étant relié entre le point milieu (PM1) et un point bas (PB), un troisième interrupteur (T3) étant relié entre le point haut (PH) et un deuxième point milieu (PM2) et un quatrième interrupteur (T4) étant relié entre le deuxième point milieu (PM2) et le point bas (PB), le convertisseur (22) de tension comprenant également un transformateur (Tr) connectant électriquement le premier pont en H (H1) et le deuxième pont en H (H2), chaque pont en H étant apte à fonctionner selon :
      1. un premier mode de fonctionnement (FB) dans lequel le premier interrupteur (T1) et le quatrième interrupteur (T4) sont ouverts et fermés simultanément, le deuxième interrupteur (T2) et le troisième interrupteur (T3) sont ouverts et fermés simultanément à l’inverse du premier interrupteur (T1) et du quatrième interrupteur (T4),
      2. un deuxième mode de fonctionnement (HB) dans lequel le quatrième interrupteur (T4) est toujours fermé, le troisième interrupteur (T3) est toujours ouvert, et le premier interrupteur (T1) et le deuxième interrupteur (T2) sont ouverts et fermés alternativement.
    le microcontrôleur (40) est configuré pour :
    1. commander l’ouverture et la fermeture de chaque interrupteur (T1, T2, T3, T4) du premier pont (H1) et du deuxième pont (H2) du convertisseur (22) de tension continu-continu par l’émission à chaque interrupteur (T1, T2, T3, T4) d’un signal de commande caractérisé par une fréquence, l’état haut du signal de commande permettant de commander la fermeture d’un interrupteur et l’état bas du signal de commande permettant de commander l’ouverture d’un interrupteur,
    2. lorsque le microcontrôleur (40) reçoit une demande de transition du premier mode de fonctionnement vers le deuxième mode de fonctionnement pour le premier pont (H1), respectivement le deuxième pont (H2) :
    1. émettre une commande de fermeture au quatrième interrupteur et une commande d’ouverture au troisième interrupteur du premier pont, respectivement du deuxième pont,
    2. définir la fréquence du signal de commande émis au premier interrupteur et au deuxième interrupteur du premier pont, respectivement du deuxième pont, à une première valeur de fréquence maximale prédéfinie pendant une durée prédéterminée,
    3. lorsque la durée prédéterminée s’est écoulée, désactiver le deuxième mode de fonctionnement actif et activer le premier mode de fonctionnement du premier pont, respectivement du deuxième pont,
    3. lorsque le microcontrôleur (40) reçoit une demande de transition du deuxième mode de fonctionnement vers le premier mode de fonctionnement pour le premier pont (H1), respectivement le deuxième pont (H2) :
    1. définir la fréquence du signal de commande émis à chaque interrupteur (T1, T2, T3, T4) du premier pont (H1), respectivement du deuxième pont (H2), à une deuxième valeur de fréquence maximale prédéfinie pendant une durée prédéterminée,
    2. lorsque la durée prédéterminée s’est écoulée, désactiver le premier mode de fonctionnement actif et activer le deuxième mode de fonctionnement du premier pont (H1), respectivement du deuxième pont (H2).
  2. Système électrique selon la revendication précédente dans lequel le chargeur embarqué (20) comprend une capacité de liaison (C20) connectée en parallèle entre le circuit correcteur (21) de facteur de puissance et le convertisseur (22) de tension continu-continu, apte à atténuer les oscillations résiduelles de la tension fournie entre le circuit correcteur (21) de facteur de puissance et le convertisseur (22) de tension continu-continu.
  3. Système électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le convertisseur (22) comprend :
    1. un transformateur (Tr) comprenant un enroulement primaire et un enroulement secondaire, chaque enroulement comprenant une première borne et une deuxième borne,
    2. un premier circuit résonant (CR1) comprenant une capacité résonante (C1) et une bobine (L1) connectées en série, la capacité résonante (C1) du premier circuit résonant (CR1) étant connectée électriquement au premier point milieu (PM1) du premier pont (H1), et la bobine (L1) du premier circuit résonant (CR1) étant connectée électriquement à la première borne de l’enroulement primaire du transformateur (Tr),
    3. un deuxième circuit résonant (CR2) comprenant une capacité résonante (C2) et une bobine (L2) connectées en série, la capacité résonante (C2) du deuxième circuit résonant (CR2) étant connectée électriquement au premier point milieu (PM1) du deuxième pont (H2), et la bobine (L2) du deuxième circuit résonant (CR2) étant connectée électriquement à la première borne de l’enroulement secondaire du transformateur (Tr).
  4. Système électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une première plage de fréquences définit l’ensemble des fréquences du signal de commande pour lesquelles le premier pont (H1) ou le deuxième pont (H2) fonctionne selon le premier mode de fonctionnement et une deuxième plage de fréquences définit l’ensemble des fréquences du signal de commande pour lesquelles le premier pont (H1) ou le deuxième pont (H2) fonctionne selon le deuxième mode de fonctionnement, la première valeur de fréquence maximale étant égale à la fréquence maximale de l’intervalle de fréquence du deuxième mode de fonctionnement et la deuxième valeur de fréquence maximale étant égale à la fréquence maximale de l’intervalle de fréquence du premier mode de fonctionnement.
  5. Système électrique selon la revendication précédente dans lequel le convertisseur (22) comprend une bobine supplémentaire, connectée en parallèle de l’enroulement primaire du transformateur (Tr).
  6. Système électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque interrupteur (T1, T2, T3, T4) désigne un transistor MOSFET ou bipolaire.
  7. Véhicule automobile comprenant au moins une batterie (10) et au moins un système électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes.
  8. Procédé d’activation d’un mode de fonctionnement d’un convertisseur (22) de système électronique pour véhicule automobile selon la revendication précédente, ledit procédé étant mis en œuvre par le microcontrôleur (40), lorsque le microcontrôleur (40) reçoit une demande de transition du premier mode de fonctionnement vers le deuxième mode de fonctionnement pour le premier pont (H1), respectivement le deuxième pont (H2), le procédé comprenant les étapes :
    i) d’émission (E2) d’une commande de fermeture au quatrième interrupteur (T4) et une commande d’ouverture au troisième interrupteur (T3) du premier pont, (H1) respectivement du deuxième pont (H2),
    ii) de définition de la fréquence du signal de commande émis au premier interrupteur (T1) et au deuxième interrupteur (T2) du premier pont (H1), respectivement du deuxième pont (H2), à une première valeur de fréquence maximale prédéfinie pendant une durée prédéterminée,
    iii) lorsque la durée prédéterminée s’est écoulée, de désactivation (E3) du deuxième mode de fonctionnement et d’activation du premier mode de fonctionnement du premier pont (H1), respectivement du deuxième pont (H2).
  9. Procédé d’activation selon la revendication précédente, lorsque le microcontrôleur (40) reçoit une demande de transition du premier mode de fonctionnement vers le deuxième mode de fonctionnement pour le premier pont (H1), respectivement le deuxième pont (H2), le procédé comprenant les étapes :
    1. de définition (E2’) de la fréquence du signal de commande émis à chaque interrupteur (T1, T2, T3, T4) du premier pont (H1), respectivement du deuxième pont (H2), à une deuxième valeur de fréquence maximale prédéfinie pendant une durée prédéterminée,
    2. lorsque la durée prédéterminée s’est écoulée, de désactivation (E3’) du premier mode de fonctionnement et d’activation du deuxième mode de fonctionnement du premier pont (H1), respectivement du deuxième pont (H2).
  10. Produit programme d’ordinateur caractérisé en ce qu’il comporte un ensemble d’instructions de code de programme qui, lorsqu’elles sont exécutées par un ou plusieurs processeurs, configurent le ou les processeurs pour mettre en œuvre un procédé selon l’une quelconques des revendications 8 à 9.
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