WO2022018226A1 - Systeme d'alimentation d'un moteur de traction - Google Patents

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WO2022018226A1
WO2022018226A1 PCT/EP2021/070598 EP2021070598W WO2022018226A1 WO 2022018226 A1 WO2022018226 A1 WO 2022018226A1 EP 2021070598 W EP2021070598 W EP 2021070598W WO 2022018226 A1 WO2022018226 A1 WO 2022018226A1
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capacitor
current
voltage
battery
switch
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PCT/EP2021/070598
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Nelson LUKES
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K-Motors
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60L15/00—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles
    • B60L15/007—Physical arrangements or structures of drive train converters specially adapted for the propulsion motors of electric vehicles
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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a system for supplying a traction motor and in particular an energy-autonomous transport vehicle.
  • an electric motor As a traction motor.
  • An electric vehicle uses only one or more electric motors to propel itself.
  • a hybrid vehicle uses one or more electric motors in conjunction with a combustion engine used alternately and/or in addition to propel itself.
  • One of the main advantages of an electric traction motor is that it is reversible, which makes it possible to recover the potential energy and the kinetic energy of the vehicle in phases of deceleration.
  • the energy supplied to the electric motor is stored in a battery that needs to be recharged regularly from the mains or by the heat engine.
  • the range in electric traction mainly depends on the charging capacity of the battery but also on the capacity of recharging said battery by energy recovery.
  • the batteries used in electric traction are batteries with a high mass and volume capacity so as not to make the vehicles excessively heavy or take up too much space in a vehicle.
  • the most used batteries in vehicles today are lithium batteries and nickel batteries which have a similar volume capacity and have different advantages and disadvantages.
  • Lithium batteries come in several categories: Lithium-Ion, Lithium-lon-Polymer, Lithium-Phosphate.
  • Lithium batteries have the main advantage of high mass capacity, low self-discharge, good energy efficiency which makes it possible to restore up to 90% of the energy necessary for its charge, rapid charge capacity when it is discharged below 75% of its capacity.
  • This type of battery can cause overheating issues that can lead to battery fire or explosion when overcharged. Although it does not have a "memory" effect, a total discharge of the battery can damage it.
  • BMS Battery Management System
  • Nickel batteries mainly comprise NiMH (Nickel Metal-Hydride) and Ni-Cd (Nickel Cadmium) batteries. Although heavier, their main advantage is that they are less expensive than lithium batteries and have a longer life. Nickel batteries can be used with high currents over wide temperature ranges without risk of overheating. However, the energy efficiency of nickel batteries is lower than that of lithium batteries, and overcharging at high current may damage the nickel battery. In addition, the use of high charging currents also reduces the life of these batteries.
  • the battery charging current depends on parameters specific to the latter and it is necessary to avoid overcharging the battery with excessively high currents.
  • These limitations have the effect of limiting the recharging capacity of such batteries by energy recovery. Indeed, the battery charging voltage and current must be under control and dependent on the state, it is not possible to recover all of the energy that the electric motor could supply.
  • the vehicles must limit the energy recoverable by the electric motor to the energy recoverable by the battery. Such a limitation does not make it possible to use all the capacities of an electric motor in deceleration.
  • An electric motor can in particular be used as an electric brake which makes it possible on the one hand to generate a lot of electricity but also to reduce the mechanical braking effort which dissipates the kinetic and potential energy of the vehicle in heat, also releasing fine particles related to brake pad wear.
  • auxiliary electrical energy reservoir with a capacity less than that of a battery , but whose load characteristics are much less constraining.
  • auxiliary tanks use super-capacitors, i.e. very high capacity capacitors that can reach several hundred Farads.
  • a super-capacitor can charge and discharge much faster than a battery and support a number of charge and discharge cycles. much more important with an energy efficiency between charge and discharge much higher than a battery.
  • a capacitor has leakage currents resulting in faster self-discharge and above all a very significant voltage variation which depends on the charge of the capacitor.
  • Patent application JP 2010202 189 discloses a parallel coupling of a super-capacitor and a battery using a switch making it possible to connect a battery and a capacitor in parallel.
  • the super capacitor can absorb excess current that the battery cannot support and can power the motor alone or together with the battery.
  • such a converter requires operating as a step-up and step-down voltage while being bidirectional, which does not make it possible to optimize its energy efficiency and adds conversion losses of the order of 20% to 30% to transmit and restoring the energy between the super capacitor and the traction motor.
  • Patent application JP H09322314 A discloses the use of a battery and a super-capacitor used as an energy buffer for the battery.
  • the battery and the super-capacitor are interconnected via a DC-DC converter in order to form a current loop supplied by the motor at the level of the capacitor when the motor operates as a generator and which supplies current at the level of the battery when the engine is in traction.
  • the motor provides energy, the current charges the capacitor which will then charge the battery using the DC-DC converter.
  • the DC-DC converter operates as long as the super-capacitor is charged, the motor being supplied from the super-capacitor and/or the battery.
  • the invention proposes to improve the energy efficiency of a supply system of an electric traction motor using a battery and a super-capacitor.
  • the invention uses a super-capacitor which is recharged directly by the energy converter of the motor and which only supplies the energy converter of the motor, which makes it possible to reduce conversion losses during recovery and energy return.
  • the battery is not recharged by the energy coming from the motor, which makes it possible to increase its lifespan.
  • the invention proposes a system for supplying an electric traction motor which comprises an energy converter having a direct current input/output and electrical connections connected to the electric traction motor, said energy converter bidirectionally transforming the energy supplied to or restored by the motor into current entering or leaving through its current input/output; an electric battery serving as a reservoir of electric energy; a high-capacity capacitor serving as a temporary reservoir of electrical energy.
  • Said system further comprises a switch connecting the energy converter to the battery or to the high-capacity capacitor, said switch being arranged to direct the current coming from the energy converter only towards the capacitor.
  • the recovered current is never supplied to the battery so that the latter can only be recharged from a source external to the vehicle comprising the traction system.
  • the switch is arranged to supply the current only from the capacitor as long as a voltage across the terminals of the capacitor is greater than a voltage threshold.
  • the switch can be arranged to supply current to the energy converter from the battery when the voltage across the terminals of the capacitor is greater than the voltage threshold.
  • the voltage threshold can be fixed at a voltage higher than the voltage of the battery.
  • the switch and the control circuit can be arranged to carry out a progressive switching of the current supplied to the converter by the capacitor and by the battery.
  • the system may include a voltage booster circuit placed between the capacitor and the switch.
  • the system may include a second switch connecting the capacitor on the one hand to the switch and on the other hand to the voltage booster circuit.
  • the voltage threshold can be set at a voltage which does not make it possible to supply said voltage booster circuit.
  • the switch may comprise at least a first MOSFET type transistor connecting the battery to the converter and at least a second MOSFET type transistor connecting the capacitor to the converter, said first and second transistors having controls reversed.
  • the latter may also comprise a control circuit receiving, on the one hand, acceleration and deceleration commands from the motor and, on the other hand, the voltage of the battery. , the voltage of the capacitor, and a measurement of the current flowing in the capacitor, the control circuit being further connected to the switch in order to control the switching of said switch.
  • the invention proposes a method for supplying an electric traction motor supplied through an energy converter having a direct current input/output and electrical connections connected to the traction motor.
  • electric traction said energy converter bidirectionally transforming the energy supplied to or restored by the motor into current entering or leaving via its current input/output, the current input/output being connected to an electric battery serving as electrical energy reservoir and a high-capacity capacitor serving as a temporary electrical energy reservoir.
  • the current supplied by the traction motor and the converter is directed only towards the capacitor. In other words, the method according to the invention never recharges the battery from the current coming from the traction motor and the energy converter.
  • the current restored by the energy converter can be equal to the current received by the capacitor.
  • the current supplied to the energy converter comes from the capacitor directly or through a voltage booster circuit in order to discharge the capacitor until the voltage across the capacitor reaches a threshold of voltage that no longer allows the step-up circuit to operate with acceptable efficiency.
  • FIG.1 represents a first embodiment of a supply circuit for an electric traction motor according to the invention
  • FIG.2 shows a first embodiment of the switch of Figure 1
  • FIG.3 illustrates the voltages and currents when using the switch in Figure 2
  • FIG.4 shows a second embodiment of the switch of Figure 1
  • FIG.5 illustrates the voltages and currents when using the switch in Figure 4,
  • FIG.6 represents a partial variant of the first embodiment using a switch according to the second embodiment
  • FIG.7 represents a second embodiment of a supply circuit for an electric traction motor according to the invention
  • FIG.8 illustrates the voltages and currents when using the switch of Figure 2
  • FIG.9 represents a variant of the second embodiment of a supply circuit of an electric traction motor according to the invention
  • FIG. 1 A first exemplary embodiment of a supply circuit for an electric traction motor according to the invention is shown in FIG. 1.
  • This first exemplary embodiment is particularly interesting for vehicles alternating between high accelerations and strong decelerations, such as racing electric vehicles or heavy vehicles moving in urban areas, for example electric buses.
  • Figure 1 only includes the essential elements used to power a traction motor 10 of the vehicle.
  • the traction motor 10 is for example a permanent magnet synchronous motor having three phases. However, any other type of synchronous, asynchronous or even DC motor could be used. Also, the traction motor 10 has three phases in the example described, however the number of motor phases may be different. The important thing is that the traction motor 10 can be reversible, that is to say operate both as a generator transforming mechanical energy into electrical energy and as a motor transforming electrical energy into mechanical energy.
  • An energy converter 20, having a direct current input/output, is electrically connected to the phases of the electric traction motor 10.
  • the current input/output is intended to receive a direct current but the current and voltage values of which can vary within current and voltage amplitudes which are specific to said converter 20.
  • the current and voltage variations depend on numerous parameters. For example, the current may vary depending on the power supplied by the motor 10 in deceleration or to be supplied to motor 10 to accelerate or maintain a speed of rotation.
  • the voltage may vary depending on the reaction of the circuits which supply or absorb the current demanded or supplied by said converter 20.
  • the energy converter 20 bidirectionally transforms the energy supplied to the motor 10 or restored by the latter into current entering or leaving through its current input/output.
  • the energy converter 20 is adapted to the type of traction motor 10 so that the signals received from or supplied by the phases of said motor 10 can be converted in an adequate manner.
  • the transformation carried out by the energy converter 20 is carried out in one direction or the other according to commands received from a control circuit 30.
  • the control circuit 30 is a microcontroller or another type of microprocessor circuit better known by the acronym ECU (English: Electronic Control Unit) which is commonly used for the various computers present in vehicles.
  • the control circuit 30 is connected to a communication bus 40, for example a CAN (Controller Area Network) bus as commonly used in the automotive industry to connect the various computers of a vehicle. Via the communication bus 40, the control circuit 30 will receive various information relating to a state of the vehicle, such as by way of non-limiting example: the speed of the vehicle, the speed of rotation of the wheels, the instructions brake and accelerator pedals, etc.
  • control circuit 30 receives various information from sensors (not shown to avoid unnecessarily overloading the figures) specific to the engine and indicating by way of non-limiting example: its speed of rotation, its temperature, possible vibrations, etc. .
  • the control circuit 30 calculates and supplies the commands to the energy converter 20 according to the various information received via the communication bus 40 and the engine sensors and also to parameters of operation memorized in said control circuit 30.
  • a battery 50 serves as a reservoir of electrical energy.
  • the battery 50 is a high capacity battery, for example a lithium or nickel battery or any other technology presenting comparable advantages in terms of mass and/or volume capacity.
  • a regulation circuit 51 is coupled to the battery 50 to monitor and regulate it.
  • the regulation circuit 51 may include a greater number of connections connected to the various accumulator cells of said battery.
  • the regulation circuit 51 is for example a BMS (Battery Management System) type circuit which controls the current and the voltage supplied or received by the battery to ensure a homogeneous distribution at the level of the various elements constituting said battery 50
  • the regulation circuit 51 is also connected to the communication bus 40 to provide information on the state of said battery 50 to the various computers of the vehicle and in particular to the control circuit 30.
  • the information on the state of the battery can for example be : its output voltage VB, its output current IB, its state of charge, its temperature, its maximum current available, etc.
  • a battery charger 52 which can be internal or external to the vehicle is also connected or connectable to the regulation circuit 51 in order to ensure recharging of the battery 50 from an external source such as the mains for example.
  • the setting of the control circuit 30 takes into account the battery charge capacity, which can be limiting in terms of energy recovery.
  • the invention proposes not to use the battery 50 for the recovery of the energy coming from the motor 10 but to direct the energy recovery current only to a super capacitor 60.
  • the super-capacitor 60 is a high-capacity capacitor acting as an energy reservoir to receive and supply energy for a few seconds or a few tens of seconds.
  • a switch 100 ensures the coupling of the battery 50 and the super-capacitor 60 to the energy converter 20.
  • the switch 100 comprises a first terminal connected to the current input/output of converter 20, a second terminal connected to battery 50 and a third terminal connected to capacitor 60.
  • Switch 100 has a control input connected to control circuit 30.
  • the control circuit 30 ensures the switching of the switch 100 together with the operation of the energy converter 20.
  • the control circuit receives measurements relating to the current circulating it in the super-capacitor 60, to the voltage Vc at the terminals of the super-capacitor 60, to the battery current I B and to the voltage V B at the terminals of the battery 50.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of the switch 100.
  • the switch 100 includes a first switch 101, placed between its first and third terminals, connecting the super-capacitor 60 to the energy converter 20 and a second switch 102 , placed between its first and second terminals, connecting the battery 50 to the energy converter 20.
  • the first and second switches 101 and 102 are MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) which allow switching of high currents while having a very low resistivity.
  • Command inputs of the first and second switches 10 and 102 for example the gates of the MOSFETs, receive, via signal amplifiers 103 and 104, a command CT coming from the control circuit 30.
  • One of the signal amplifiers signals 103 reverses the CT command so that when one of the switches 101 is open, the other switch 102 is closed and vice versa.
  • Figure 3 illustrates an example of operation of the switch 100 and represents the voltages VB and Vc and the currents IB and le during switching controlled by the control circuit 30.
  • the left part of Figure 3 corresponds to a constant current acceleration. It is considered for this purpose that the super-capacitor is charged to a voltage much higher than the battery voltage.
  • the control circuit closes the first switch 101 and opens the second switch 102.
  • the super capacitor 60 supplies a current Ic to the converter 20 and discharges while the battery current Ib is zero.
  • the voltage Vc at the terminals of the super-capacitor decreases with a slope proportional to the current drawn.
  • the control circuit inverts the command CT so as to open the first switch 101 and close the second switch 102.
  • the current I becomes zero and the current IB is supplied to the converter 20.
  • Supercapacitor 60 stops discharging, traction is provided by battery 50.
  • the right part of Figure 3 corresponds to braking at a time t.
  • the first switch 101 is open and the second switch 102 is closed, traction being ensured by the battery 50.
  • braking is requested by a setpoint from the pedals.
  • the control circuit inverts the converter current and simultaneously inverts the CT command.
  • the first switch 101 closes and the second switch 102 opens.
  • the super-capacitor 60 receives a negative current from the converter 20 and is charged while the battery current IB is zero. While charging, the voltage Vc at the terminals of the super-capacitor increases with a slope proportional to the current received.
  • the control circuit 30 stops the harvesting of energy from the converter 20.
  • MOSFETs as a switch with inverted commands can produce a switching situation where the first and second switches 101 and 102 are partially open at the same time.
  • an anti-return circuit 106 for example a diode, can be placed in series with the second switch 102 so as to suppress any current return to the battery 50.
  • a diode 105 may be provided ensuring automatic switching as soon as a return current is supplied by the converter 20.
  • the charging current of the super-capacitor can be equal to or even greater than the nominal current of the battery, which makes it possible to recover a current whose value is much greater than the value of the current battery rating.
  • the losses linked to the charging and discharging of the super-capacitor are practically nil. Those skilled in the art can notice that the closer the acceleration and braking phases are, the less the battery is stressed, which makes it possible to considerably increase the autonomy of the vehicle by maximizing the recharging of the super-capacitor 60, which is particularly well suited to racing electric vehicles and heavy goods vehicles operating in urban areas such as buses, for example.
  • the super-capacitor 60 must be sized for a much higher voltage value, for example 1000 volts. A value of 10 farads allows the super-capacitor 60 to supply 500 amps for about twelve seconds before the voltage Vc of the super-capacitor 60 drops to around the voltage V B of the battery 50. In addition, the super-capacitor 60 can receive a charging current much greater than 500 amps, for example 1000 amps, which makes it possible to use the motor as an electric brake while recovering energy.
  • the switch 100 is divided into a plurality of switches 110, 120, 130 and 140 each comprising a first switch 111, 121, 131 and 141 connecting the super-capacitor 60 to the converter 20 and a second switch 112, 122, 132 and 142 connecting the battery 50 to the converter 20.
  • switches 110, 120, 130 and 140 are shown by way of example, but the number of switches may be greater and for example be equal to ten or twenty.
  • 120, 130 and 140 can incorporate a choke diode 116, 126, 136 and 146 in series with the second switch 112, 122, 132 and 142 or a single choke diode 106 can be used.
  • each switch 110, 120, 130 and 140 has an individualized command CT1, CT2, CT3 and CT4 which is supplied by the control circuit 30.
  • Each of the commands CT1, CT2, CT3 and CT4 is received by a pair of amplifiers 113, 114, 123, 124, 133, 134, 143 and 144 which invertedly control the first and second switches 111, 112, 121, 122, 131, 132, 141 and 142 use of individualized commands CT1, CT2, CT3 and CT4 makes it possible to switch the current IM in a more progressive manner from the super-capacitor 60 to the battery 50.
  • FIG. 5 illustrates an example of operation of the switch 100 of FIG. 4 and represents the voltages V B and Vc and the currents IB and le during switching controlled by the control circuit 30 in a progressive manner.
  • the left part of Figure 5 corresponds to a constant current acceleration. It is considered for this purpose that the super-capacitor is charged to a voltage much higher than the battery voltage.
  • Control circuit 30 closes first switches 111, 121, 131 and 141 and opens second switches 112, 122, 132 and 142. IB is zero.
  • the voltage Vc at the terminals of the super-capacitor decreases with a slope proportional to the current Ic drawn by the converter 20.
  • the control circuit 30 reverses one of the commands, for example the command CT1, so as to open a first switch 111 and close the second switch 112.
  • the current Ie is reduced by a quarter and the battery 50 supplies a current IB equal to a quarter of the current supplied to the converter 20.
  • the super- capacitor 60 discharges more slowly until voltage Vc reaches a second voltage threshold above battery voltage VB.
  • the control circuit 30 reverses a second of the commands, for example the command CT2, so as to open a first switch 121 and close a second switch 122.
  • the current Ie is reduced to half the current supplied to the converter 20 and the battery supplies a current IB equal to half the current supplied to the converter 20.
  • the discharging of the supercapacitor 60 takes place more slowly up to a third voltage threshold.
  • the control circuit 30 inverts a third of the commands, for example the command CT3, so as to open a first switch 131 and close a second switch 132.
  • the current Ie is reduced to a quarter of the current supplied to the converter 20 and the battery provides a current IB equal to three quarters of the current supplied to the converter 20.
  • the discharging of the super-capacitor 60 takes place up to a fourth voltage threshold close to the battery voltage.
  • the control circuit 30 inverts a fourth of the commands, for example the command CT4, so as to open a first switch 141 and close a second switch 142.
  • the current Ie is reduced to zero and the battery supplies a current IB equal to the current supplied to converter 20.
  • Such progressive switching has the effect of dividing by four the voltage drops which may occur during switching, which reduces the instantaneous power losses associated with switching accordingly.
  • the right part of Figure 5 corresponds to braking at a time t and happens to be identical to the right part of Figure 3, all the switches being controlled at the same time. Indeed, the switching taking place during a reversal of the current IM, no voltage drop effect occurs. Furthermore, since the current cannot return to the battery, it is essential to open all the first switches 111, 121, 131 and 141 and to close all the second switches 112, 122, 132 and 142 at the same time. Supercapacitor 60 then charges as previously indicated. When the voltage Vc of the super-capacitor 60 reaches a maximum value for the converter 20, the control circuit 30 stops the energy recovery.
  • the commands of the switch can be determined by the control circuit for each switch 111, 112, 121, 122, 131, 132, 141 and 142.
  • Such a configuration makes it possible to decorrelate the switching of the battery 50 and the super capacitor 60, which makes it possible to have finer control of the switching.
  • FIG. 6 shows a partial variant of the first embodiment several batteries 50A, 50B, 50C and 50D and several super-capacitors 60A, 60B, 60C and 60D and a switch 100 according to that of Figure 4 but with commands CT1, CT2, CT3, CT4, CT'1, CT'2, CT'3 and CT'4 individualized for each switch 111, 112, 121, 122, 131, 132, 141 and 142.
  • Each battery 50A, 50B , 50C and 50D has its own regulation circuit 51A, 51B, 51C and 51D.
  • the amplifier circuits 113, 114, 123, 124, 133, 134, 143 and 144 are identical, the differentiation of the commands CT1, CT2, CT3, CT4, CT'1, CT'2, CT'3 and CT'4 being made at level of the control circuit 30.
  • an anti-return diode 116, 126, 136 and 146 is placed in series between each battery 50A, 50B, 50C and 50D and each switch 112, 122, 132, and 142 connected to said drums.
  • the number of batteries, super-capacitors and switches is the same. However, those skilled in the art can note that the number of batteries and of super-capacitors can be different. The same goes for the switches, each battery and each super-capacitor can be connected to several switches with individual control.
  • the operation of the circuit of Figure 6 is similar to the operations detailed with the aid of Figures 2 and 4. However, if the current drawn or supplied by the converter 20 is low, that is to say less than the rated current, a reduced number of super capacitors and batteries can be used. Thus, it is possible to charge and/or discharge the super-capacitors one by one and to discharge the batteries one by one.
  • the control circuit 30 can determine which capacitor or which battery must be connected according to the level of charge of each of the elements.
  • FIG. 7 shows a second embodiment of a power supply circuit for an electric traction motor similar to the circuit of Figure 1 but in which a voltage booster circuit 200 has been added.
  • Boost circuit 200 is a one-way conversion circuit.
  • a second switch 300 is placed between the super-capacitor 60, on the one hand, and the voltage booster circuit and the switch 100, on the other hand, said second switch 300 receiving a CTC command from the control circuit 30.
  • the second switch 300 is positioned by the control circuit 30 to establish a connection between the super-capacitor 60 and the switch 100 so that the super-capacitor 60 is charged directly by the current supplied by the converter 20 without conversion loss.
  • second switch 300 is set by control circuit 30 to establish a connection between supercapacitor 60 and step-up circuit 200.
  • the voltage booster circuit 200 can be of different types, however, it is preferred, in the example of FIG. 7, to use a booster circuit which can also behave as a single link.
  • the step-up circuit 200 can comprise an inductor 210 and a diode 220 in series, the inductance 210 being connected to the second switch 200 and to the anode of the diode 220, the cathode of the diode 220 being connected to the switch 100.
  • a capacitor 230 is placed between the cathode of the diode 220 and the ground of the circuit.
  • a switch 240 is placed between the anode of diode 220 and the ground of the circuit, a control input CB of switch 240 being connected to control circuit 30.
  • the voltage booster circuit 200 performs a simple connection between the second switch 200 and the switch 100 when the voltage Vc of the supercapacitor is greater than the voltage found at the current input/output of the converter 20, no voltage rise being carried out.
  • the step-up circuit 200 will operate as a voltage step-up.
  • the switch 240 is closed, which has the effect of increasing the current in the inductance 210.
  • the switch 240 opens, which has the effect of raising the anode voltage of the diode 220 until the latter turns on to supply the current stored in the inductor 210 to the capacitor 230.
  • the current in the inductance 210 will then decrease by charging capacitor 230 and therefore increasing its voltage.
  • the control input will then return to the first state to recharge the inductor 210 with current.
  • the alternation of state on the control input CB produces the voltage increase.
  • FIG. 8 illustrates an example of operation of switch 100 using voltage booster circuit 200 of FIG. 7 and represents voltages V B and Vc and currents I B and le during switching controlled by the circuit control 30.
  • the left part of Figure 8 corresponds to a constant current acceleration. It is considered for this purpose that the super-capacitor is charged to a voltage much higher than the battery voltage.
  • the control circuit 30 positions the switch 100 so that the current IM is supplied by the supercapacitor 60, the switch 240 being open so that the voltage booster circuit behaves in single link, and the second switch 300 being positioned so that the current le is supplied to the step-up circuit 200.
  • the supercapacitor 60 supplies a current le to the converter 20, the current le being equal to the current IM, and is discharged while the battery current IB is zero.
  • the voltage Ve at the terminals of the super-capacitor decreases with a slope proportional to the current drawn.
  • control circuit 30 triggers voltage booster circuit 200 by sending a pulse train to control input CB. The duty cycle of the pulses is adjusted as supercapacitor 60 is discharged in order to maintain the voltage at the output of the step-up circuit at a value substantially equal to the battery voltage.
  • the current Ic supplied by the super-capacitor 60 increases in inverse proportion to the decrease in the voltage Vc of the super-capacitor 60, the output of the booster circuit 200 remaining at quasi-constant voltage and current values corresponding to the battery voltage and current IM.
  • the supercapacitor 60 discharges more and more until the voltage Vc reaches a minimum voltage threshold which no longer allows the step-up circuit 200 to operate with acceptable efficiency.
  • the control circuit 30 positions the switch 100 so that the current IM is supplied by the battery 50.
  • the switch 240 is positioned in the open position.
  • the current Ie is reduced to zero and the battery supplies a current IB equal to the current IM supplied to the converter 20.
  • the right part of Figure 8 corresponds to braking at a time t and happens to be identical to the right part of Figures 3 and 5.
  • the control circuit positions the switch 100 and the second switch 300 so that the super capacitor 60 is recharged directly with the current IM supplied by the converter 20, the switching taking place during a reversal of the current IM.
  • the super-capacitor 60 then charges as previously indicated.
  • the control circuit 30 stops the energy recovery.
  • the use of the voltage booster circuit 200 makes it possible to make maximum use of the storage capacity of the super-capacitor 60.
  • the use of the voltage booster circuit 200 results in a conversion loss of the order of 10 to 15 %, but which only appears when the step-up circuit 200 is used, that is to say only on a small part of the energy restitution of the capacitor.
  • FIG. 7 Many variants of the power supply circuit of FIG. 7 are possible.
  • the various embodiments of the switch 100 revealed in FIGS. 2, 4 and 6 can be used with the circuit of FIG. 7. It is also possible to use several super-capacitors 60, but in this case, it is possible to add a step-up circuit 200 and a second switch 300 for each super-capacitor 60.
  • the previously disclosed circuits use a maximum voltage for the super-capacitor 60 which is much higher than the battery voltage 50. Such a choice is particularly interesting for vehicles alternating strong accelerations and strong decelerations because the battery is low. solicited. However, the energy converter 20 must withstand much higher voltages than the nominal voltage of the battery 50. Such stress on the converter 20 increases the cost of said converter 20.
  • the conditions of use are different and the cost constraints are higher.
  • the accelerations and decelerations are less strong and there is no need to have such a large reserve of energy. It is possible to limit the voltage of the super-capacitor to a maximum voltage at most equal to the voltage of the battery, which makes it possible to greatly reduce the cost of the converter 20 which can operate in a smaller voltage range.
  • Figure 9 shows a variant of the second embodiment of a power supply circuit of an electric traction motor of Figure 7.
  • the switch 100 is also simplified. Indeed, the voltage of the supercapacitor 60 being at most equal to the battery voltage, the switch 100 can be a diode autoswitch.
  • the anti-return diode 106 makes it possible to switch to the battery current as soon as the voltage on its cathode is lower than the voltage V B of the battery 50.
  • the control circuit 30 positions the second switch 30 so as to establish the connection between the super capacitor 60 and the voltage booster circuit 200 and sends a train of modulated pulses so that the output voltage of the voltage booster circuit is slightly higher than the battery voltage V B , the diode 220 ensuring the role of switch of the switch 100.
  • the second switch 300 is positioned by the control circuit so that the connection is established between the diode 105 and the super-capacitor 60, the diode 105 ensuring the auto-commutation of the switch 100 when the current comes from the converter 20.
  • the energy stored in the super-capacitor 60 should be used as a priority.
  • the energy stored in the battery 50 is not to be used only when it is not possible to take energy from the super-capacitor 60 because it is discharged to the maximum. Since the super-capacitor is primarily discharged, it can store energy during each deceleration.
  • the different embodiments are given by way of non-limiting examples and many variants are possible.

Abstract

L'invention concerne un système d'alimentation d'un moteur (10) de traction électrique qui comporte un convertisseur d'énergie (20), ledit convertisseur d'énergie transformant de manière bidirectionnelle l'énergie fournie au ou restituée par le moteur en courant (IM); une batterie électrique (50) servant de réservoir d'énergie électrique; un condensateur de forte capacité (60) servant de réservoir temporaire d'énergie électrique. Le système comporte en outre un commutateur (100) reliant le convertisseur d'énergie (20) à la batterie (50) ou au condensateur de forte capacité (60), ledit commutateur (100) étant agencé pour orienter le courant provenant du convertisseur d'énergie uniquement au condensateur (60).

Description

Description
Titre de l'invention : SYSTÈME D’ALIMENTATION D’UN
MOTEUR DE TRACTION
[Domaine Technique
[0001] La présente invention se rapporte à un système d’alimentation d’un moteur de traction et notamment d’un véhicule de transport autonome en énergie.
Arrière-Plan Technologique
[0002] De nos jours, deux catégories de véhicules autonomes en énergie utilisent un moteur électrique comme moteur de traction. Un véhicule électrique utilise uniquement un ou plusieurs moteurs électriques pour se propulser. Un véhicule hybride utilise un ou plusieurs moteurs électriques conjointement à un moteur thermique utilisé en alternance et/ou en complément pour se propulser. L’un des principaux avantages d’un moteur électrique de traction est qu’il est réversible, ce qui permet de récupérer l’énergie potentielle et l’énergie cinétique du véhicule dans des phases de décélération.
[0003] Dans un véhicule autonome, l’énergie fournie au moteur électrique est stockée dans une batterie nécessitant d’être rechargée régulièrement sur le secteur ou par le moteur thermique. L’autonomie en traction électrique dépend principalement de la capacité de charge de la batterie mais également de la capacité de recharge de ladite batterie par récupération d’énergie.
[0004] Les batteries utilisées en traction électrique sont des batteries disposant d’une forte capacité massique et volumique afin de ne pas alourdir excessivement les véhicules ni occuper trop de place dans un véhicule. Les batteries les plus utilisées dans les véhicules sont aujourd’hui les batteries au lithium et les batteries au nickel qui disposent d’une capacité volumique similaire et présentent différents avantages et inconvénients.
[0005] Les batteries au lithium se déclinent en plusieurs catégories : Lithium- Ion, Lithium-lon-Polymère, Lithium-Phosphate. Les batteries au lithium présentent comme principal avantage une forte capacité massique, une autodécharge faible, un bon rendement énergétique qui permet de restituer jusqu’à 90% de l’énergie nécessaire à sa charge, une capacité de charge rapide lorsque celle-ci est déchargée en dessous de 75% de sa capacité. Ce type de batterie peut poser des problèmes de surchauffe pouvant entraîner un incendie ou une explosion de la batterie lorsque celle-ci est en surcharge. Bien que n’ayant pas d’effet « mémoire », une décharge totale de la batterie peut endommager celle-ci. En outre, l’utilisation de fort courant de recharge réduit sa durée de vie et il est préférable de réaliser des recharges rapides uniquement lorsque la batterie est complètement déchargée pour effectuer une recharge quasi-complète. Une recharge complète de la batterie ne peut se faire que dans des conditions de tension, de courant et de température contrôlées pour éviter tout risque d’incendie ou d’explosion. Pour prévenir tout problème, ces batteries doivent être équipées d’un circuit de régulation ou BMS (de l’anglais Battery Management System) qui va réguler le courant de la batterie en fonction de différents paramètres de contrôle, afin d’éviter que la batterie ne se trouve dans une situation critique.
[0006] Les batteries au nickel comprennent principalement les batteries NiMH (Nickel Métal-Hydrure) et Ni-Cd (Nickel Cadmium). Bien que plus lourdes, elles ont pour principal avantage d’être moins coûteuses que les batteries au lithium et ont une durée de vie supérieure. Les batteries au nickel peuvent être utilisées avec des courants forts sur des plages de température importantes sans risque de surchauffe. Néanmoins, le rendement énergétique des batteries au nickel est plus faible que celui des batteries au Lithium, et une surcharge à fort courant peut endommager la batterie au nickel. En outre, l’utilisation de forts courants de charge réduit également la durée de vie de ces batteries.
[0007] Quel que soit le type de batterie, le courant de charge de la batterie dépend de paramètres propres à celle-ci et il est nécessaire d’éviter une surcharge de la batterie avec des courants trop élevés. Ces limitations ont pour effet de limiter la capacité de recharge de telles batteries par récupération d’énergie. En effet, la tension et le courant de charge de la batterie devant être sous contrôle et dépendant de l’état, il n’est pas possible de récupérer la totalité de l’énergie que pourrait fournir le moteur électrique. Les véhicules doivent limiter l’énergie récupérable par le moteur électrique à l’énergie récupérable par la batterie. Une telle limitation ne permet pas d’utiliser toutes les capacités d’un moteur électrique en décélération. Un moteur électrique peut notamment être utilisé en frein électrique ce qui permet d’une part de générer beaucoup d’électricité mais également de réduire l’effort de freinage mécanique qui dissipe l’énergie cinétique et potentielle du véhicule en chaleur, dégageant en outre des particules fines liées à l’usure des plaquettes de freins.
[0008] Pour les véhicules électriques alternant de fortes accélérations et de fortes décélérations, tels que par exemple un véhicule de course automobile, il est connu d’avoir un réservoir d’énergie électrique auxiliaire d’une capacité inférieure à celle d’une batterie, mais dont les caractéristiques de charge sont beaucoup moins contraignantes. De tels réservoirs auxiliaires utilisent des super-condensateurs, c’est-à-dire des condensateurs de très forte capacité pouvant atteindre plusieurs centaines de Farads.
[0009] Bien qu’ayant une capacité massique et volumique de stockage d’énergie inférieure à une batterie, un super-condensateur peut se charger et se décharger beaucoup plus vite qu’une batterie et supporter un nombre de cycles de charge et de décharge beaucoup plus important avec un rendement énergétique entre charge et décharge très supérieur à une batterie. Néanmoins, par rapport à une batterie, un condensateur présente des courants de fuites entraînant une autodécharge plus rapide et surtout une variation de tension très importante qui est fonction de la charge du condensateur.
[0010] La demande de brevet JP 2010202 189 divulgue un couplage en parallèle d’un super-condensateur et d’une batterie à l’aide d’interrupteur permettant de connecter en parallèle une batterie et un condensateur. Le super condensateur permet d’absorber un surplus de courant que la batterie ne peut supporter et permet d’alimenter le moteur seul ou conjointement avec la batterie.
[0011] Pour pouvoir coupler un super-condensateur et une batterie, il est connu, notamment de la demande de brevet JP 2015 133858 A, d’avoir recours à un convertisseur d’énergie ayant pour effet de ramener la tension aux bornes du super-condensateur à une valeur proche de celle de la batterie afin de pouvoir le connecter en parallèle sur la batterie de manière à recevoir le surplus d’énergie qui ne peut être fourni à la batterie. Un tel convertisseur d’énergie est relativement coûteux et complexe car la régulation de courant et de tension est réalisée pour convenir à la batterie tout en travaillant avec des valeurs de tensions et de courant très élevés, soit plusieurs centaines de volts et plusieurs centaines d’ampères. En outre, un tel convertisseur nécessite de fonctionner en élévateur et en abaisseur de tension tout en étant bidirectionnel, ce qui ne permet pas d’optimiser son rendement énergétique et ajoute des pertes de conversion de l’ordre de 20% à 30% pour transmettre et restituer l’énergie entre le super-condensateur et le moteur de traction.
[0012] La demande de brevet JP H09322314 A divulgue l’utilisation d’une batterie et d’un super-condensateur utilisé comme tampon d’énergie pour la batterie. La batterie et le super-condensateur sont reliés entre eux par l’intermédiaire d’un convertisseur DC-DC afin de former une boucle de courant alimentée par le moteur au niveau du condensateur lorsque le moteur fonctionne en générateur et qui fournit du courant au niveau de la batterie lorsque le moteur est en traction. Lorsque le moteur fournit de l’énergie, le courant charge le condensateur qui va ensuite charger la batterie à l’aide du convertisseur DC-DC. Le convertisseur DC-DC fonctionne tant que le super-condensateur est chargé le moteur étant alimenté à partir du super-condensateur et/ou de la batterie.
[0013] Bien que permettant de récupérer et de restituer plus d’énergie, les solutions couplant un super-condensateur et une batterie de forte capacité pour un véhicule de traction électrique ne sont pas optimisées.
Résumé de l’Invention
[0014] L’invention propose d’améliorer le rendement énergétique d’un système d’alimentation d’un moteur de traction électrique utilisant une batterie et un super-condensateur. A cet effet, l’invention utilise un super-condensateur qui est rechargé directement par le convertisseur d’énergie du moteur et qui alimente uniquement le convertisseur d’énergie du moteur, ce qui permet de réduire les pertes de conversion lors de la récupération et de la restitution d’énergie. En outre, la batterie n’est pas rechargée par l’énergie provenant du moteur ce qui permet d’augmenter sa durée de vie. [0015] Plus particulièrement, l’invention propose un système d’alimentation d’un moteur de traction électrique qui comporte un convertisseur d’énergie disposant d’une entrée/sortie de courant continu et de connexions électriques reliées au moteur de traction électrique, ledit convertisseur d’énergie transformant de manière bidirectionnelle l’énergie fournie au ou restituée par le moteur en courant entrant ou sortant par son entrée/sortie de courant ; une batterie électrique servant de réservoir d’énergie électrique ; un condensateur de forte capacité servant de réservoir temporaire d’énergie électrique. Ledit système comporte en outre un commutateur reliant le convertisseur d’énergie à la batterie ou au condensateur de forte capacité, ledit commutateur étant agencé pour orienter le courant provenant du convertisseur d’énergie uniquement vers le condensateur. En d’autres termes, le courant récupéré n’est jamais fourni à la batterie de sorte que celle-ci ne peut être rechargée qu’à partir d’une source externe au véhicule comportant le système de traction.
[0016] Préférentiellement, le commutateur est agencé pour fournir le courant uniquement à partir du condensateur tant que une tension aux bornes du condensateur est supérieure à un seuil de tension.
[0017] Selon un mode de gestion préféré, le commutateur peut être agencé pour fournir du courant au convertisseur d’énergie à partir de la batterie lorsque la tension aux bornes du condensateur est supérieure au seuil de tension. Selon ce mode de gestion, le seuil de tension peut être fixé à une tension supérieure à la tension de la batterie.
[0018] Pour éviter d’éventuelles pertes de puissance lors de fortes accélérations, le commutateur et le circuit de contrôle peuvent être agencés pour réaliser une commutation progressive du courant fourni au convertisseur par le condensateur et par la batterie.
[0019] Pour maximiser l’utilisation du condensateur, le système peut comporter un circuit élévateur de tension placé entre le condensateur et le commutateur.
[0020] Pour faciliter la commutation lorsqu’un circuit élévateur de tension est ajouté, le système peut comporter un deuxième commutateur reliant le condensateur d’une part au commutateur et d’autre part au circuit élévateur de tension.
[0021] Dans le cas où un circuit élévateur de tension est utilisé, le seuil de tension peut être fixé à une tension qui ne permette pas d’alimenter ledit circuit élévateur de tension.
[0022] Selon un mode de réalisation particulier, le commutateur peut comporter au moins un premier transistor de type MOSFET reliant la batterie au convertisseur et au moins un deuxième transistor de type MOSFET reliant le condensateur au convertisseur, lesdits premier et deuxième transistors ayant des commandes inversées.
[0023] Pour faciliter la gestion du système, celui-ci peut comporter en outre un circuit de contrôle recevant, d’une part, des commandes d’accélération et de décélération du moteur et, d’autre part, la tension de la batterie, la tension du condensateur, et une mesure du courant circulant dans le condensateur, le circuit de contrôle étant en outre relié au commutateur afin de contrôler la commutation dudit commutateur.
[0024] Selon un autre aspect, l’invention propose un procédé d’alimentation d’un moteur de traction électrique alimenté à travers un convertisseur d’énergie disposant d’une entrée/sortie de courant continu et de connexions électriques reliées au moteur de traction électrique, ledit convertisseur d’énergie transformant de manière bidirectionnelle l’énergie fournie au ou restituée par le moteur en courant entrant ou sortant par son entrée/sortie de courant, l’entrée/sortie de courant étant reliée à une batterie électrique servant de réservoir d’énergie électrique et à un condensateur de forte capacité servant de réservoir temporaire d’énergie électrique. Selon l’invention, le courant fourni par le moteur traction et le convertisseur est orienté uniquement vers le condensateur. En d’autres termes, le procédé selon l’invention ne recharge jamais la batterie à partir du courant provenant du moteur traction et du convertisseur d’énergie.
[0025] Préférentiellement, le courant restitué par le convertisseur d’énergie peut être égal au courant reçu par le condensateur. [0026] Selon un mode de réalisation préféré, le courant fourni au convertisseur d’énergie provient du condensateur directement ou à travers un circuit élévateur de tension afin de décharger le condensateur jusqu’à ce que la tension aux bornes du condensateur atteigne un seuil de tension qui ne permet plus au circuit élévateur de fonctionner avec un rendement acceptable.
[0027]
Brève Description des figures
[0028] L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés à titre d’exemples illustratifs et non limitatifs, et faisant référence aux dessins annexés, parmi lesquels :
[0029] [Fig.1] représente un premier exemple de réalisation d’un circuit d’alimentation d’un moteur électrique de traction selon l’invention,
[0030] [Fig.2] montre un premier mode de réalisation du commutateur de la figure 1,
[0031] [Fig.3] illustre les tensions et courants lors de l’utilisation du commutateur de la figure 2,
[0032] [Fig.4] montre un second mode de réalisation du commutateur de la figure 1,
[0033] [Fig.5] illustre les tensions et courants lors de l’utilisation du commutateur de la figure 4,
[0034] [Fig.6] représente une variante partielle du premier exemple de réalisation utilisant un commutateur conforme au second mode de réalisation,
[0035] [Fig.7] représente un deuxième exemple de réalisation d’un circuit d’alimentation d’un moteur électrique de traction selon l’invention,
[0036] [Fig.8] illustre les tensions et courants lors de l’utilisation du commutateur de la figure 2, [0037] [Fig.9] représente une variante du deuxième exemple de réalisation d’un circuit d’alimentation d’un moteur électrique de traction selon l’invention
Description détaillée
[0038] Afin de simplifier la description des différents modes de réalisation qui vont être décrits dans la suite de la présente description, les mêmes références seront utilisées sur les différentes figures pour désigner les mêmes éléments ou des éléments similaires qui sont interchangeables entre eux.
[0039] Un premier exemple de réalisation d’un circuit d’alimentation d’un moteur électrique de traction selon l’invention est représenté sur la figure 1. Ce premier exemple de réalisation est particulièrement intéressant pour des véhicules alternant de fortes accélérations et de fortes décélérations, tels que des véhicules électriques de course ou des véhicules lourds se déplaçant en zone urbaine, par exemple des bus électriques.
[0040] A des fins de simplification, la figure 1 ne comporte que les éléments essentiels servant à l’alimentation d’un moteur de traction 10 du véhicule. Le moteur de traction 10 est par exemple un moteur synchrone à aimants permanent disposant de trois phases. Cependant, tout autre type de moteur synchrone, asynchrone ou même à courant continu pourrait être utilisé. Également, le moteur de traction 10 comporte trois phases dans l’exemple décrit, cependant le nombre de phases du moteur peut être différent. L’important est que le moteur de traction 10 puisse être réversible, c’est-à-dire fonctionner aussi bien en tant que générateur transformant une énergie mécanique en énergie électrique qu’en tant que moteur transformant une énergie électrique en énergie mécanique.
[0041] Un convertisseur d’énergie 20, disposant d’une entrée/sortie de courant continu, est électriquement relié aux phases du moteur de traction électrique 10. L’entrée/sortie de courant est destinée à recevoir un courant de type continu mais dont les valeurs de courant et de tension peuvent varier dans des amplitudes de courant et de tension qui sont propres audit convertisseur 20. Les variations de courant et de tension dépendent de nombreux paramètres. A titre d’exemple, le courant peut varier en fonction de la puissance fournie par le moteur 10 en décélération ou à fournir au moteur 10 pour accélérer ou maintenir une vitesse de rotation. La tension peut varier en fonction de la réaction des circuits qui fournissent ou absorbent le courant demandé ou fourni par ledit convertisseur 20.
[0042] Le convertisseur d’énergie 20 transforme de manière bidirectionnelle l’énergie fournie au moteur 10 ou restituée par celui-ci en courant entrant ou sortant par son entrée/sortie de courant. Le convertisseur d’énergie 20 est adapté au type de moteur de traction 10 afin que les signaux reçus de ou fournis par les phases dudit moteur 10 puissent être convertis de manière adéquate. La transformation réalisée par le convertisseur d’énergie 20 est réalisée dans un sens ou dans l’autre en fonction de commandes reçues d’un circuit de contrôle 30.
[0043] Le circuit de contrôle 30 est un microcontrôleur ou un autre type de circuit à microprocesseur plus connu sous l’acronyme ECU (de l’anglais : Electronic Control Unit) qui est couramment utilisé pour les différents calculateurs présents dans les véhicules. Le circuit de contrôle 30 est relié à un bus de communication 40, par exemple un bus CAN (de l’anglais Controller Area Network) comme communément utilisé dans l’industrie automobile pour relier les différents calculateurs d’un véhicule. Par l’intermédiaire du bus de communication 40, le circuit de contrôle 30 va recevoir différentes informations relatives à un état du véhicule, telles que à titre d’exemple non limitatif : la vitesse du véhicule, la vitesse de rotation des roues, les consignes des pédales de frein et d’accélérateur, etc. En outre, le circuit de contrôle reçoit différentes informations provenant de capteurs (non représentés pour éviter de surcharger inutilement les figures) propres au moteur et indiquant à titre d’exemple non limitatif : sa vitesse de rotation, sa température, d’éventuelles vibrations etc. Comme connu de l’état de la technique, le circuit de contrôle 30 calcule et fournit les commandes au convertisseur d’énergie 20 en fonction des différentes informations reçues par l’intermédiaire du bus de communication 40 et des capteurs moteurs et également de paramètres de fonctionnement mémorisés dans ledit circuit de contrôle 30. [0044] Une batterie 50 sert de réservoir d’énergie électrique. La batterie 50 est une batterie de forte capacité, par exemple une batterie au lithium ou au nickel ou toute autre technologie présentant des avantages comparables en termes de capacité massique et/ou volumique. Un circuit de régulation 51 est couplé à la batterie 50 pour la monitorer et la réguler. Bien que représenté aux bornes de la batterie 50, le circuit de régulation peut comporter un nombre de connexions plus important relié aux différents éléments accumulateurs de ladite batterie. Le circuit de régulation 51 est par exemple un circuit de type BMS (de l’anglais : Battery Management System) qui contrôle le courant et la tension fournie ou reçue par la batterie pour assurer une distribution homogène au niveau des différents éléments constituant ladite batterie 50. Le circuit de régulation 51 est également relié au bus de communication 40 pour fournir des informations d’état de ladite batterie 50 aux différents calculateurs du véhicule et notamment au circuit de contrôle 30. Les informations d’état de la batterie peuvent être par exemple : sa tension de sortie VB, son courant de sortie IB, son état de charge, sa température, son courant maximal disponible, etc. Un chargeur de batterie 52 qui peut être interne ou externe au véhicule est également connecté ou connectable au circuit de régulation 51 afin d’assurer une recharge de la batterie 50 à partir d’une source externe telle que par exemple le secteur.
[0045] Dans l’état de la technique, le paramétrage du circuit de contrôle 30 prend en compte la capacité de charge de la batterie ce qui peut être limitatif en termes de récupération d’énergie. En outre, le fait de recharger régulièrement la batterie lors de chaque décélération du véhicule diminue la durée de vie de la batterie. Afin d’éviter ces désagréments, l’invention propose de ne pas utiliser la batterie 50 pour la récupération de l’énergie provenant du moteur 10 mais de diriger le courant de récupération d’énergie uniquement vers un super condensateur 60.
[0046] Le super-condensateur 60 est un condensateur de forte capacité faisant fonction de réservoir d’énergie pour recevoir et fournir de l’énergie pendant quelques secondes ou quelques dizaines de secondes. Un commutateur 100 assure le couplage de la batterie 50 et du super-condensateur 60 au convertisseur d’énergie 20. A cet effet, le commutateur 100 comporte une première borne reliée à l’entrée/sortie de courant du convertisseur 20, une deuxième borne reliée à la batterie 50 et une troisième borne reliée au condensateur 60. Le commutateur 100 dispose d’une entrée de commande reliée au circuit de contrôle 30. Le circuit de contrôle 30 assure la commutation du commutateur 100 conjointement au fonctionnement du convertisseur d’énergie 20. Pour affiner la commutation, le circuit de contrôle reçoit des mesures relatives au courant le circulant dans le super-condensateur 60, à la tension Vc aux bornes du super-condensateur 60, au courant IB de batterie et à la tension VB aux bornes de la batterie 50.
[0047] La figure 2 montre un premier mode de réalisation du commutateur 100. Le commutateur 100 comporte un premier interrupteur 101, placé entre ses première et troisième bornes, reliant le super-condensateur 60 au convertisseur d’énergie 20 et un deuxième interrupteur 102, placé entre ses première et deuxième bornes, reliant la batterie 50 au convertisseur d’énergie 20. Selon un exemple de réalisation préféré, les premier et deuxième interrupteurs 101 et 102 sont des transistors de type MOSFET (de l’anglais : Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) qui permettent de commuter de forts courant tout en ayant une très faible résistivité. Des entrées de commandes des premier et deuxième interrupteurs 10 et 102, par exemple les grilles des MOSFETs, reçoivent, par l’intermédiaire d’amplificateurs de signaux 103 et 104 une commande CT provenant du circuit de contrôle 30. L’un des amplificateurs de signaux 103 inverse la commande CT de sorte que lorsque l’un des interrupteurs 101 est ouvert, l’autre interrupteur 102 est fermé et réciproquement.
[0048] La figure 3 illustre un exemple de fonctionnement du commutateur 100 et représente les tensions VB et Vc et les courants IB et le lors d’une commutation contrôlée par le circuit de contrôle 30.
[0049] La partie gauche de la figure 3 correspond à une accélération à courant constant. On considère à cet effet que le super-condensateur est chargé à une tension très supérieure à la tension de batterie. Le circuit de contrôle ferme le premier interrupteur 101 et ouvre le deuxième interrupteur 102. Le super condensateur 60 fournit un courant le au convertisseur 20 et se décharge alors que le courant de batterie IB est nul. En se déchargeant, la tension Vc aux bornes du super-condensateur diminue avec une pente proportionnelle au courant appelé. Lorsque la tension Vc approche la valeur de la tension de batterie VB, le circuit de contrôle inverse la commande CT de sorte à ouvrir le premier interrupteur 101 et fermer le deuxième interrupteur 102. Le courant le devient nul et le courant IB est fourni au convertisseur 20. Le super condensateur 60 arrête de se décharger, la traction est assurée par la batterie 50.
[0050] La partie droite de la figure 3 correspond à un freinage à un instant t. Avant l’instant t, le premier interrupteur 101 est ouvert et le deuxième interrupteur 102 est fermé, la traction étant assurée par la batterie 50. A l’instant t, un freinage est demandé par une consigne des pédales. Le circuit de contrôle inverse le courant du convertisseur et inverse simultanément la commande CT. Le premier interrupteur 101 se ferme et le deuxième interrupteur 102 s’ouvre. Le super-condensateur 60 reçoit un courant le négatif du convertisseur 20 et se charge alors que le courant de batterie IB est nul. En se chargeant, la tension Vc aux bornes du super-condensateur augmente avec une pente proportionnelle au courant reçu. Lorsque la tension Vc du super-condensateur 60 atteint une valeur maximale pour le convertisseur 20, le circuit de contrôle 30 arrête la récupération d’énergie à partir du convertisseur 20.
[0051] L’utilisation de MOSFET comme interrupteur avec des commandes inversées peut produire une situation de commutation où les premier et deuxième interrupteurs 101 et 102 sont partiellement ouverts en même temps. Une telle situation n’est pas souhaitée car, dans l’invention, il n’est pas souhaité d’avoir un retour de courant dans la batterie. A cet effet, un circuit anti-retour 106, par exemple une diode, peut être placée en série avec le deuxième interrupteur 102 de sorte à supprimer tout retour de courant vers la batterie 50. Également, afin de prévenir un éventuel retard de commutation du premier interrupteur 101, il peut être prévu une diode 105 assurant une commutation automatique dès qu’un courant de retour est fourni par le convertisseur 20.
[0052] Il est à noter que le courant de charge du super-condensateur peut être égal voire supérieur au courant nominal de la batterie, ce qui permet de récupérer un courant dont la valeur est très supérieure à la valeur du courant nominal de la batterie. En outre dans cet exemple de réalisation, les pertes liées à la charge et à la décharge du super-condensateur sont quasiment nulles. L’homme du métier peut remarquer que plus les phases d’accélération et de freinage sont rapprochées, moins la batterie est sollicitée, ce qui permet d’augmenter de manière considérable l’autonomie du véhicule en maximisant la recharge du super-condensateur 60, ce qui est particulièrement bien adapté aux véhicules électriques de course et aux poids lourds fonctionnant en zone urbaine tels que par exemple des bus.
[0053] A titre d’exemple d’application du premier exemple de réalisation, on considère une voiture de course ou un bus dont le moteur est d’une puissance nominale de 200 kW. Une tension nominale de 400 volts et un courant de 500 ampères permettent de fournir une telle puissance. La batterie doit être dimensionnée pour fonctionner avec de telles valeurs. Le super-condensateur 60 doit être dimensionné pour une valeur de tension très supérieure, par exemple 1000 volts. Une valeur de 10 farads permet au super-condensateur 60 de fournir 500 ampères pendant une douzaine de secondes avant que la tension Vc du super condensateur 60 descende aux alentours de la tension VB de la batterie 50. En outre, le super-condensateur 60 peut recevoir un courant de charge très supérieur à 500 ampères, par exemple 1000 ampères, ce qui permet d’utiliser le moteur comme un frein électrique tout en récupérant de l’énergie.
[0054] Au vu des valeurs importantes de courant et tension, l’homme du métier comprendra qu’il est préférable d’utiliser plusieurs transistors MOSFET en parallèle pour réduire les contraintes sur les composants, notamment sur le refroidissement des composants qui doivent dissiper une énergie importante lors des commutations. Plutôt que de réaliser une simple mise en parallèle des composants, un second mode de réalisation du commutateur 100 est représenté sur la figure 4.
[0055] Sur la figure 4, le commutateur 100 est divisé en une pluralité de commutateurs 110, 120, 130 et 140 comprenant chacun un premier interrupteur 111, 121, 131 et 141 reliant le super-condensateur 60 au convertisseur 20 et un deuxième interrupteur 112, 122, 132 et 142 reliant la batterie 50 au convertisseur 20. Sur la figure 4, quatre commutateurs 110, 120, 130 et 140 sont représentés à titre d’exemple, mais le nombre de commutateurs peut être supérieur et par exemple être égal à dix ou vingt. Chaque commutateur 110,
120, 130 et 140 peut incorporer une diode anti-retour 116, 126, 136 et 146 en série avec le deuxième interrupteur 112, 122, 132 et 142 ou une seule diode anti-retour 106 peut être utilisée.
[0056] Selon un mode préféré, chaque commutateur 110, 120, 130 et 140 dispose d’une commande CT1, CT2, CT3 et CT4 individualisée qui est fournie par le circuit de contrôle 30. Chacune des commandes CT1, CT2, CT3 et CT4 est reçue par une paire d’amplificateurs 113, 114, 123, 124, 133, 134, 143 et 144 qui contrôlent de manière inversée les premiers et deuxièmes interrupteurs 111, 112, 121, 122, 131, 132, 141 et 142 L’utilisation de commandes individualisées CT1, CT2, CT3 et CT4 permet de commuter le courant IM de manière plus progressive du super-condensateur 60 vers la batterie 50. En effet, une commutation globale du courant fourni par le super-condensateur 60 vers le courant fourni par la batterie 50 peut provoquer une chute de tension très importante en entrée du convertisseur 20 ce qui a pour effet de créer une perte de puissance qui n’est pas souhaitée lors de l’accélération. Une commutation progressive permet de remédier à ce désagrément.
[0057] La figure 5 illustre un exemple de fonctionnement du commutateur 100 de la figure 4 et représente les tensions VB et Vc et les courants IB et le lors d’une commutation contrôlée par le circuit de contrôle 30 de manière progressive.
[0058] La partie gauche de la figure 5 correspond à une accélération à courant constant. On considère à cet effet que le super-condensateur est chargé à une tension très supérieure à la tension de batterie. Le circuit de contrôle 30 ferme les premiers interrupteurs 111, 121, 131 et 141 et ouvre les deuxièmes interrupteurs 112, 122, 132 et 142. Le super-condensateur 60 fournit un courant le au convertisseur 20 et se décharge alors que le courant de batterie IB est nul. En se déchargeant, la tension Vc aux bornes du super-condensateur diminue avec une pente proportionnelle au courant le appelé par le convertisseur 20. Lorsque la tension Vc approche la valeur de la tension de batterie VB avec un seuil déterminé, le circuit de contrôle 30 inverse l’une des commandes, par exemple la commande CT1, de sorte à ouvrir un premier interrupteur 111 et fermer le deuxième interrupteur 112. Le courant le se réduit d’un quart et la batterie 50 fournit un courant IB égal au quart du courant fourni au convertisseur 20. Le super-condensateur 60 se décharge plus lentement jusqu’à ce que la tension Vc atteigne un deuxième seuil de tension au-dessus de la tension de batterie VB. Le circuit de contrôle 30 inverse une deuxième des commandes, par exemple la commande CT2, de sorte à ouvrir un premier interrupteur 121 et fermer un deuxième interrupteur 122. Le courant le se réduit à la moitié du courant fourni au convertisseur 20 et la batterie fournit un courant IB égal à la moitié du courant fourni au convertisseur 20. La décharge du super condensateur 60 s’effectue plus lentement jusqu’à un troisième seuil de tension. Le circuit de contrôle 30 inverse une troisième des commandes, par exemple la commande CT3, de sorte à ouvrir un premier interrupteur 131 et fermer un deuxième interrupteur 132. Le courant le se réduit au quart du courant fourni au convertisseur 20 et la batterie fournit un courant IB égal aux trois quarts du courant fourni au convertisseur 20. La décharge du super-condensateur 60 s’effectue jusqu’à un quatrième seuil de tension proche de la tension de batterie. Le circuit de contrôle 30 inverse une quatrième des commandes, par exemple la commande CT4, de sorte à ouvrir un premier interrupteur 141 et fermer un deuxième interrupteur 142. Le courant le se réduit à zéro et la batterie fournit un courant IB égal au courant fourni au convertisseur 20.
[0059] Une telle commutation progressive a pour effet de diviser par quatre les chutes de tension qui peuvent se produire lors des commutations ce qui réduit d’autant les pertes instantanées de puissance liées à la commutation.
L’utilisation d’un nombre de commutateurs plus important réduit d’autant plus l’effet de perte de puissance lors de l’accélération.
[0060] La partie droite de la figure 5 correspond à un freinage à un instant t et se trouve être identique à la partie droite de la figure 3, tous les commutateurs étant commandés en même temps. En effet, la commutation s’effectuant lors d’une inversion du courant IM, aucun effet de chute de tension ne se produit. En outre, le courant ne pouvant retourner vers la batterie, il est impératif d’ouvrir tous les premiers interrupteurs 111, 121, 131 et 141 et de fermer tous les deuxièmes interrupteurs 112, 122, 132 et 142 en même temps. Le super condensateur 60 se charge alors comme précédemment indiqué. Lorsque la tension Vc du super-condensateur 60 atteint une valeur maximale pour le convertisseur 20, le circuit de contrôle 30 arrête la récupération d’énergie.
[0061] D’autres variantes de l’invention sont possibles. Notamment, les commandes du commutateur peuvent être déterminées par le circuit de contrôle pour chaque interrupteur 111, 112, 121, 122, 131, 132, 141 et 142. Une telle configuration permet de dé-corréler la commutation de la batterie 50 et du super condensateur 60, ce qui permet d’avoir un contrôle plus fin de la commutation.
En outre, il est également possible d’utiliser des batteries modulaires pour permettre un échange partiel de batterie et d’utiliser plusieurs super condensateurs pour pouvoir mieux les répartir dans le véhicule. L’utilisation de plusieurs batteries et plusieurs super condensateurs permet également de mieux répartir le courant lorsque celui-ci est inférieur au courant nominal.
[0062] La figure 6 détaille représente une variante partielle du premier exemple de réalisation plusieurs batteries 50A, 50B, 50C et 50D et plusieurs super-condensateurs 60A, 60B, 60C et 60D et un commutateur 100 conforme à celui de la figure 4 mais avec des commandes CT1, CT2, CT3, CT4, CT’1, CT’2, CT’3 et CT’4 individualisées pour chaque interrupteur 111, 112, 121, 122, 131, 132, 141 et 142. Chaque batterie 50A, 50B, 50C et 50D dispose d’un circuit de régulation 51A, 51 B, 51C et 51 D qui lui est propre. Les circuits amplificateurs 113, 114, 123, 124, 133, 134, 143 et 144 sont identiques la différentiation des commandes CT1, CT2, CT3, CT4, CT’1, CT’2, CT’3 et CT’4 se faisant au niveau du circuit de contrôle 30. En outre, une diode anti-retour 116, 126, 136 et 146 est placée en série entre chaque batterie 50A, 50B, 50C et 50D et chaque interrupteur 112, 122, 132, et 142 relié à ladite batterie.
[0063] Sur la figure 6 le nombre de batteries, de super-condensateurs et d’interrupteurs est le même. Toutefois, l’homme du métier peut noter que le nombre de batteries et de super-condensateurs peut être différent. Il en va de même pour les interrupteurs, chaque batterie et chaque super-condensateur peuvent être connectés à plusieurs interrupteurs disposant d’une commande individualisée. [0064] Le fonctionnement du circuit de la figure 6 est analogue aux fonctionnements détaillés à l’aide des figures 2 et 4. Néanmoins, si le courant appelé ou fourni par le convertisseur 20 est faible, c’est-à-dire inférieur au courant nominal, un nombre réduit de super-condensateurs et batteries peut être utilisé. Ainsi, il est possible de charger et/ou décharger les super-condensateurs un par un et de décharger les batteries une par une. Le circuit de contrôle 30 peut déterminer quel condensateur ou quelle batterie doit être connectée en fonction du niveau de charge de chacun des éléments.
[0065] Les exemples présentés précédemment, montrent un fonctionnement où le super-condensateur 60 n’est déchargé que jusqu’à un niveau de tension correspondant au niveau de tension de la batterie 50. Un tel mode de décharge n’utilise pas pleinement la capacité du super-condensateur 60. Une amélioration est possible pour optimiser l’utilisation du super-condensateur 60.
[0066] La figure 7 représente un deuxième exemple de réalisation d’un circuit d’alimentation d’un moteur électrique de traction similaire au circuit de la figure 1 mais dans lequel un circuit élévateur de tension 200 a été rajouté. Le circuit élévateur 200 est un circuit de conversion monodirectionnel. Un deuxième commutateur 300 est placé entre le super-condensateur 60, d’une part, et le circuit élévateur de tension et le commutateur 100, d’autre part, ledit deuxième commutateur 300 recevant une commande CTC du circuit de contrôle 30. Lorsque le courant est fourni par convertisseur 20, le deuxième commutateur 300 est positionné par le circuit de contrôle 30 pour établir une connexion entre le super-condensateur 60 et le commutateur 100 afin que le super-condensateur 60 soit chargé directement par le courant fourni par le convertisseur 20 sans perte de conversion. Pour que le super-condensateur 60 fournisse du courant, le deuxième commutateur 300 est positionné par le circuit de contrôle 30 pour établir une connexion entre le super-condensateur 60 et le circuit élévateur de tension 200.
[0067] Le circuit élévateur de tension 200 peut être de différents types, cependant, il est préféré, dans l’exemple de la figure 7, d’utiliser un circuit élévateur qui puisse également se comporter en simple liaison. A titre d’exemple non limitatif, le circuit élévateur 200 peut comporter une inductance 210 et une diode 220 en série, l’inductance 210 étant reliée au deuxième commutateur 200 et à l’anode de la diode 220, la cathode de la diode 220 étant reliée au commutateur 100. Un condensateur 230 est placé entre la cathode de la diode 220 et la masse du circuit. Un interrupteur 240 est placé entre l’anode de la diode 220 et la masse du circuit, une entrée de contrôle CB de l’interrupteur 240 étant reliée au circuit de contrôle 30.
[0068] Lorsque l’interrupteur 240 est ouvert en permanence, le circuit élévateur de tension 200 réalise une simple liaison entre le deuxième commutateur 200 et le commutateur 100 dès lors que la tension Vc du super condensateur est supérieure à la tension se trouvant à l’entrée/sortie de courant du convertisseur 20, aucune élévation de tension n’étant réalisée. Lorsqu’un train d’impulsions modulées est fourni par le circuit de contrôle 30 sur l’entrée de contrôle CB, le circuit élévateur 200 va fonctionner en élévateur de tension. Lorsque l’entrée de commande CB est dans un premier état, l’interrupteur 240 est fermé ce qui a pour effet d’augmenter le courant dans l’inductance 210. Lorsque l’entrée de commande passe dans le deuxième état, l’interrupteur 240 s’ouvre, ce qui a pour effet d’élever la tension d’anode de la diode 220 jusqu’à ce que celle-ci devienne passante pour fournir le courant emmagasiné dans l’inductance 210 au condensateur 230. Le courant dans l’inductance 210 va alors diminuer en chargeant le condensateur 230 et donc en augmentant sa tension. L’entrée de commande va ensuite retourner au premier état pour recharger en courant l’inductance 210. L’alternance d’état sur l’entrée de commande CB réalise l’augmentation de tension. L’homme du métier connaît ce type de circuit élévateur de tension et sait que la fréquence des impulsions doit être déterminée pour qu’un courant soit toujours présent dans l’inductance 210, le rapport cyclique entre le premier état et le deuxième état définissant un coefficient d’élévation de tension.
[0069] La figure 8 illustre un exemple de fonctionnement du commutateur 100 en utilisant le circuit élévateur de tension 200 de la figure 7 et représente les tensions VB et Vc et les courants IB et le lors d’une commutation contrôlée par le circuit de contrôle 30. [0070] La partie gauche de la figure 8 correspond à une accélération à courant constant. On considère à cet effet que le super-condensateur est chargé à une tension très supérieure à la tension de batterie. Le circuit de contrôle 30 positionne le commutateur 100 afin que le courant IM soit fourni par le super condensateur 60, l’interrupteur 240 étant ouvert afin que le circuit élévateur de tension se comporte en simple liaison, et le deuxième commutateur 300 étant positionné pour que le courant le soit fourni au circuit élévateur 200. Le super condensateur 60 fournit un courant le au convertisseur 20, le courant le étant égal au courant IM, et se décharge alors que le courant de batterie IB est nul. En se déchargeant, la tension Ve aux bornes du super-condensateur diminue avec une pente proportionnelle au courant appelé. Lorsque la tension Vc approche la valeur de la tension de batterie VB, le circuit de contrôle 30 déclenche le circuit élévateur de tension 200 en envoyant un train d’impulsion sur l’entrée de commande CB. Le rapport cyclique des impulsions est ajusté au fur et à mesure de la décharge du super-condensateur 60 afin de maintenir la tension en sortie du circuit élévateur à une valeur sensiblement égale à la tension de batterie. Le courant le fourni par le super-condensateur 60 augmente en proportion inverse de la diminution de la tension Vc du super-condensateur 60, la sortie du circuit élévateur 200 restant à des valeurs de tension et de courant quasi constantes correspondant à la tension de batterie et au courant IM. Le super-condensateur 60 se décharge de plus en plus jusqu’à ce que la tension Vc atteigne un seuil de tension minimal qui ne permette plus au circuit élévateur 200 de fonctionner avec un rendement acceptable. Le circuit de contrôle 30 positionne alors le commutateur 100 afin que le courant IM soit fourni par la batterie 50. L’interrupteur 240 est positionné en position ouverte. Le courant le se réduit à zéro et la batterie fournit un courant IB égal au courant IM fourni au convertisseur 20.
[0071] La partie droite de la figure 8 correspond à un freinage à un instant t et se trouve être identique à la partie droite des figures 3 et 5. Le circuit de contrôle positionne le commutateur 100 et le deuxième commutateur 300 afin que le super-condensateur 60 se recharge directement avec le courant IM fourni par le convertisseur 20, la commutation s’effectuant lors d’une inversion du courant IM. Le super-condensateur 60 se charge alors comme précédemment indiqué. Lorsque la tension Vc du super-condensateur 60 atteint une valeur maximale pour le convertisseur 20, le circuit de contrôle 30 arrête la récupération d’énergie.
[0072] L’utilisation du circuit élévateur de tension 200 permet d’utiliser au maximum la capacité de stockage du super-condensateur 60. L’utilisation du circuit élévateur de tension 200 entraîne une perte de conversion de l’ordre de 10 à 15 %, mais qui n’apparaît que lorsque le circuit élévateur 200 est utilisé, c’est à dire que sur une petite partie de la restitution d’énergie du condensateur.
[0073] De nombreuses variantes de réalisation du circuit d’alimentation de la figure 7 sont possibles. Notamment, les différents modes de réalisation du commutateur 100 dévoilés sur les figures 2, 4 et 6 sont utilisables avec le circuit de la figure 7. Il est également possible d’utiliser plusieurs super-condensateurs 60, mais dans ce cas, il est possible de rajouter un circuit élévateur 200 et un deuxième commutateur 300 pour chaque super-condensateur 60.
[0074] Les circuits précédemment dévoilés utilisent une tension maximale pour le super-condensateur 60 qui est très supérieure à la tension de batterie 50. Un tel choix est particulièrement intéressant pour des véhicules alternant de fortes accélérations et de fortes décélérations car la batterie est peu sollicitée. Cependant, le convertisseur d’énergie 20 doit supporter des tensions beaucoup plus élevées que la tension nominale de la batterie 50. Une telle contrainte sur le convertisseur 20 augmente le coût dudit convertisseur 20.
[0075] Pour un véhicule particulier électrique, les conditions d’utilisation sont différentes et les contraintes de coût sont plus élevées. En termes d’utilisation, les accélérations et les décélérations sont moins fortes et il n’est pas besoin de disposer d’une réserve d’énergie aussi importante. Il est possible de limiter la tension du super-condensateur à une tension maximale au plus égale à la tension de la batterie, ce qui permet de réduire fortement le coût du convertisseur 20 qui peut fonctionner dans une plage de tension plus réduite.
[0076] La figure 9 représente une variante du deuxième exemple de réalisation d’un circuit d’alimentation d’un moteur électrique de traction de la figure 7. Dans cet exemple, le commutateur 100 se trouve également simplifié. En effet, la tension du super-condensateur 60 étant au plus égale à la tension de batterie, le commutateur 100 peut être un autocommutateur à diodes. La diode anti-retour 106 permet de commuter sur le courant de batterie dès lors que la tension sur sa cathode est inférieure à la tension VB de la batterie 50. Pour que le courant le soit fourni au convertisseur 20, le circuit de contrôle 30 positionne le deuxième commutateur 30 de sorte à établir la connexion entre le super condensateur 60 et le circuit élévateur de tension 200 et envoie un train d’impulsions modulées afin que la tension en sortie du circuit élévateur de tension soit légèrement supérieure à la tension de batterie VB, la diode 220 assurant le rôle d’interrupteur du commutateur 100. En décélération, le deuxième commutateur 300 est positionné par le circuit de contrôle de sorte que la connexion soit établie entre la diode 105 et le super-condensateur 60, la diode 105 assurant l’auto-commutation du commutateur 100 dès lors que le courant provient du convertisseur 20.
[0077] Le fonctionnement du circuit de la figure 9 est analogue au fonctionnement du circuit de la figure 7, tel que par exemple représenté sur la figure 8 sans toutefois que la tension Vc du super-condensateur 60 ne dépasse la tension de batterie VB.
[0078] Quel que soit le mode de réalisation de l’invention, il convient d’utiliser de manière prioritaire l’énergie stockée dans le super-condensateur 60. Autrement dit, l’énergie stockée dans la batterie 50 n’est à utiliser que lorsqu’il n’est pas possible de prendre de l’énergie dans le super-condensateur 60 parce qu’il est déchargé au maximum. Le super-condensateur étant prioritairement déchargé, il peut emmagasiner une énergie lors de chaque décélération.
[0079] Comme indiqué précédemment, les différents modes de réalisation sont donnés à titre d’exemples non limitatifs et de nombreuses variantes sont possibles. Notamment, il est possible de combiner entre eux les différents modes de réalisation ou d’utiliser un nombre d’interrupteurs, de batteries ou de super-condensateurs différent de ceux indiqués.

Claims

Revendications
[Revendication 1] [Système d’alimentation d’un moteur (10) de traction électrique qui comporte :
- un convertisseur d’énergie (20) disposant d’une entrée/sortie de courant continu et de connexions électriques reliées au moteur de traction électrique, ledit convertisseur d’énergie transformant de manière bidirectionnelle l’énergie fournie au ou restituée par le moteur en courant (IM) entrant ou sortant par son entrée/sortie de courant ;
- une batterie électrique (50) servant de réservoir d’énergie électrique ;
- un condensateur de forte capacité (60) servant de réservoir temporaire d’énergie électrique ; caractérisé en ce qu’il comporte en outre un commutateur (100) reliant le convertisseur d’énergie (20) à la batterie (50) ou au condensateur de forte capacité (60), ledit commutateur (100) étant agencé pour orienter le courant provenant du convertisseur d’énergie uniquement vers le condensateur (60).
[Revendication 2] Système selon la revendication précédente, dans lequel le commutateur (100) est agencé pour pour fournir le courant (IM) uniquement à partir du condensateur (60) tant que une tension (Vc) aux bornes du condensateur est supérieure à un seuil de tension.
[Revendication 3] Système d’alimentation selon la revendication précédente dans lequel le commutateur (100) est agencé pour fournir du courant au convertisseur d’énergie (20) à partir de la batterie (50) lorsque la tension (Vc) aux bornes du condensateur (60) est supérieure au seuil de tension.
[Revendication 4] Système d’alimentation selon la revendication précédente, dans lequel le seuil de tension est fixé à une tension supérieure à la tension de la batterie (VB).
[Revendication 5] Système selon l’une des revendications 1 à 3, lequel comporte un circuit élévateur de tension (200) placé entre le condensateur (60) et le commutateur (100).
[Revendication 6] Système selon la revendication précédente, lequel comporte un deuxième commutateur (300) reliant le condensateur (60) d’une part au commutateur (100) et d’autre part au circuit élévateur de tension (200).
[Revendication 7] Système selon l’une des revendications 5 et 6 lorsqu’elles dépendent de la revendication 2, dans lequel le seuil de tension est fixé à une tension qui ne permette pas d’alimenter ledit circuit élévateur de tension (200).
[Revendication 8] Système d’alimentation selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le commutateur (100) comporte au moins un premier transistor (102, 112, 122, 132, 142) de type MOSFET reliant la batterie (50) au convertisseur (20) et au moins un deuxième transistor (101, 111, 121, 131, 141) de type MOSFET reliant le condensateur (60) au convertisseur (20), lesdits premier et deuxième transistors ayant des commandes inversées.
[Revendication 9] Système d’alimentation selon l’une des revendications précédentes, comportant en outre un circuit de contrôle (30) recevant, d’une part, des commandes d’accélération et de décélération du moteur et, d’autre part, la tension de la batterie (VB), la tension du condensateur (Vc), et une mesure du courant circulant dans le condensateur (le), le circuit de contrôle (30) étant en outre relié au commutateur (100) afin de contrôler la commutation dudit commutateur (100).
[Revendication 10] Système selon la revendication précédente, dans lequel le commutateur (100) et le circuit de contrôle (30) sont agencés pour réaliser une commutation progressive du courant fourni au convertisseur (20) par le condensateur (60) et par la batterie (50).
[Revendication 11] Procédé d’alimentation d’un moteur de traction électrique (10) alimenté à travers un convertisseur d’énergie (20) disposant d’une entrée/sortie de courant continu et de connexions électriques reliées au moteur de traction électrique (10), ledit convertisseur d’énergie (20) transformant de manière bidirectionnelle l’énergie fournie au ou restituée par le moteur (10) en courant entrant ou sortant par son entrée/sortie de courant, l’entrée/sortie de courant étant reliée à une batterie électrique (50) servant de réservoir d’énergie électrique et à un condensateur de forte capacité (60) servant de réservoir temporaire d’énergie électrique, caractérisé en ce que le courant (IM) fourni par le moteur traction (10) et le convertisseur d’énergie (20) est orienté uniquement vers le condensateur (60).
[Revendication 12] Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le courant (IM) restitué par le convertisseur d’énergie (20) est égal au courant (le) reçu par le condensateur (60).
[Revendication 13] Procédé selon la revendication 11, dans lequel le courant (IM) fourni au convertisseur d’énergie (20) provient du condensateur (60) directement ou à travers un circuit élévateur de tension (200) afin de décharger le condensateur (60) jusqu’à ce que la tension (Vc) aux bornes du condensateur (60) atteigne un seuil de tension qui ne permet plus au circuit élévateur (200) de fonctionner avec un rendement acceptable. ]
PCT/EP2021/070598 2020-07-23 2021-07-22 Systeme d'alimentation d'un moteur de traction WO2022018226A1 (fr)

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