WO2025026730A1 - Procédé de recharge d'une batterie de traction par une source de tension inférieure à celle de la batterie de traction et véhicule correspondant - Google Patents

Procédé de recharge d'une batterie de traction par une source de tension inférieure à celle de la batterie de traction et véhicule correspondant Download PDF

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WO2025026730A1
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traction
recharging
electric
low
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Noelle Janiaud
Antoine MICHON
Jacky LENOIR
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Ampere SAS
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    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/0061—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to electrical machines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/20—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by converters located in the vehicle
    • B60L53/24—Using the vehicle's propulsion converter for charging
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to the fields of automobiles and electrical engineering, and more specifically concerns a method for recharging a traction battery of an electric or hybrid vehicle, and an electric or hybrid vehicle having means for implementing such a method.
  • An electric or hybrid vehicle has a high-voltage traction battery, with a maximum no-load voltage generally between 400 and 800V (volts), which is discharged to power an electric traction motor of the vehicle. It is therefore necessary to recharge the traction battery from a charging terminal external to the vehicle. When the latter is capable of providing a voltage higher than the maximum no-load voltage of the traction battery, it is sufficient to connect the outputs of the charging terminal to the terminals of the vehicle's traction battery to recharge it.
  • some charging stations only provide a voltage lower than the maximum no-load voltage of the traction battery.
  • some charging stations can only provide a maximum of 400V.
  • To recharge a traction battery with a voltage higher than 400V with such a charging station it is therefore necessary to connect the outputs of the charging station to the input of a voltage booster, the output of which, providing a voltage higher than the voltage of the traction battery to be recharged, is connected to the terminals of the latter.
  • Such a voltage booster comprises at least one inductor, one capacitor and two switches. Given the power that these components must support, they represent a significant cost. In order to reduce the cost of an electric or hybrid vehicle comprising such a voltage booster, it is often produced by reusing the power components already present in the vehicle, for example the stator windings of the vehicle's electric motor, the switches of the vehicle's traction inverter, and a smoothing capacitor connected to the terminals of the traction battery in the vehicle. When the stator windings of the vehicle are used as inductances of the vehicle's voltage booster, the rotor of the electric motor is of course not powered.
  • the present invention aims to remedy at least in part the aforementioned drawbacks by providing a method for recharging a traction battery of an electric or hybrid vehicle, as well as an electric or hybrid vehicle, using a voltage booster which reuses a traction inverter and an electric motor of the vehicle for recharging the traction battery, while having a switching scheme for the switches of the traction inverter, which limits both the current ripples at the input of the voltage booster and the iron losses in the electric motor.
  • the invention proposes a method for recharging a traction battery of an electric or hybrid vehicle, the vehicle further comprising a smoothing capacitor and a traction inverter, the smoothing capacitor and the input of the traction inverter being connected to the terminals of the traction battery, the outputs of the traction inverter being connected to stator windings of an electric traction motor of the vehicle.
  • the traction inverter having three switching arms each comprising a low switch and a high switch
  • the recharging method comprising a step of recharging the traction battery being carried out by applying a switching duty cycle to the switches, the recharging method being characterized in that during the recharging step, a first and a second of the low switches close in phase while a third of the low switches opens and closes in phase opposition with respect to the first and second low switches.
  • the traction battery is understood as a battery powering the inverter and the electric motor when the vehicle is running, unlike a possible service battery of the vehicle powering a low-voltage electrical network of the vehicle (for example 14V) to which various consumers are connected, including a main computer of the vehicle.
  • the traction battery can therefore also be understood as a propulsion battery depending on the electric motor used.
  • the battery referred to in this application is the traction battery of the vehicle.
  • the motor and the inverter in this patent application refer to an electric traction or propulsion motor and respectively to a traction or propulsion inverter of the vehicle, in the absence of any indication to the contrary.
  • the terms “charge” or “recharge” are considered equivalent in this application.
  • an input or output connection of a functional assembly such as the inverter or the voltage booster is understood as a connection to the terminals of this input or respectively this output, that is to say a parallel connection to this input or respectively this output, the terms input and output being related to the function concerned.
  • the inverter is in particular connected at the output (with respect to its inverter function) to the stator windings of the electric motor of the vehicle.
  • Each inverter switching arm usually comprises two controlled switches, including a high switch, connected to the positive input terminal of the inverter, itself connected to the positive terminal of the traction battery when the relays or switches for connection to the battery are closed, and a low switch, connected to the negative input terminal of the inverter, itself connected to the negative terminal of the traction battery when the battery connection relays or switches are closed.
  • Each switching arm therefore has a high switch and a low switch connected in series, a midpoint between the two switches being connected to a stator winding of the electric traction motor.
  • the traction inverter may comprise more than three switching arms depending on the number of phases of the electric traction motor.
  • the person skilled in the art will be able to adapt the switching scheme proposed by the invention depending on this number of phases, for example for a motor having six phases and an inverter having six switching arms, four low switches of the inverter operate in phase and two other low switches of the inverter operate in phase opposition with the four previous low switches.
  • each high switch always operates in phase opposition with the low switch of the same arm, so as not to short-circuit the traction battery, that is to say that when the high switch of an arm is closed, then the low switch of this arm is open.
  • the recharging of the traction battery by a charging terminal providing a voltage lower than that of the battery uses a voltage booster of inexpensive additional cost compared to a vehicle without a voltage booster, since the voltage booster reuses many elements of the vehicle's traction chain.
  • the recharging method according to the invention achieves a compromise between, on the one hand, the amplitude of the current ripples at the input and output of the voltage booster during recharging, and on the other hand the amplitude of the voltage induced on the rotor due to the use of the stator windings.
  • the recharging method does not damage either the traction battery or the electric motor, and has limited iron losses, therefore good efficiency of the recharging process of the traction battery.
  • the recharging step is preceded by a step of measuring the angular position of an axis of a rotor winding of the electric traction motor, and by a step of choosing the third low switch as the one of the low switches which is capable of charging the one of the stator windings with the axis forming the largest angle with the measured angular position of the axis of the rotor winding.
  • the axis of a winding is taken here, when the winding is made up of a set of turns superimposed on each other, as the axis orthogonal to these turns and passing through their middle.
  • the axis of the winding corresponds in a similar way to the main direction of the magnetic flux formed by the sets of turns.
  • the stator winding forming a magnetic flux whose main direction is the furthest from the main direction of the magnetic flux formed by the rotor winding. The angle considered is therefore in absolute value.
  • the latter comprises a step of pre-positioning the axis of the rotor winding, orthogonally to the axis of one of the stator windings, following the measurement step and preceding the step of choosing the third low switch as being the one which is capable of charging said stator winding with an axis which has thus become orthogonal to the axis of the rotor winding.
  • This other feature allows the direct component of the stator current to be completely cancelled during battery recharging, and therefore the voltage induced on the rotor to be cancelled.
  • the pre-positioning step is conditioned by the fact that one of the stator windings forms an angle with the axis of the rotor winding, less than a threshold value.
  • the pre-positioning step comprises, for example, a step of supplying the rotor winding and two of the stator windings distinct from the stator winding whose axis is made orthogonal to the axis of the rotor winding by the pre-positioning step.
  • the recharging method according to the invention has a low production cost and is simple to implement, since it is carried out partly in software in a control unit of the inverter such as a microcontroller and partly in hardware in components already present in the powertrain of the electric or hybrid vehicle.
  • the invention also relates to an electric or hybrid vehicle comprising a traction battery, a smoothing capacitor and a traction inverter, the smoothing capacitor and the input of the traction inverter being able to be connected to the terminals of the traction battery, the outputs of the traction inverter being connected to stator windings of an electric traction motor of the vehicle, and a neutral point of the electric traction motor being able to be connected to a positive terminal of a voltage source delivering a voltage lower than the voltage at the terminals of the traction battery, the traction inverter having three switching arms each comprising a low switch and a high switch, the electric or hybrid vehicle comprising means for recharging the traction battery capable of applying a switching duty cycle to the switches, the electric or hybrid vehicle being characterized in that the recharging means are configured to close a first and a second of the low switches in phase and to open and close a third of the low switches in phase opposition with respect to the first and second low switches.
  • the electric or hybrid vehicle further comprises a switch comprising a first terminal connected to the neutral point and a second terminal connected to the positive terminal of the voltage source, and a capacitor connected on the one hand to the second terminal of the switch and on the other hand to a negative input terminal of the traction inverter.
  • the capacitor makes it possible to avoid an excessive current draw in the stator inductances when starting the charge, and the switch makes it possible to disconnect this capacitor from the neutral point before a rolling phase of the vehicle.
  • the electric or hybrid vehicle preferably comprises means for measuring the angular position of an axis of a rotor winding of the electric traction motor, and means for choosing the third low switch as that of the low switches which is capable of loading that of the stator windings of the axis. forming the largest angle with the measured angular position of the rotor winding axis by the measuring means.
  • It also preferably comprises means for pre-positioning the axis of the rotor winding, orthogonally to the axis of one of the stator windings, the third low switch being chosen by the selection means as being the one capable of loading said stator winding with an axis made orthogonal to the axis of the rotor winding by the pre-positioning means.
  • the pre-positioning means comprise, for example, means for supplying the rotor winding and two of the stator windings distinct from the stator winding, the axis of which is made orthogonal to the axis of the rotor winding by the pre-positioning means.
  • the electric or hybrid vehicle according to the invention has advantages similar to those of the recharging method according to the invention.
  • FIG. 1 represents a vehicle charging system according to the invention implementing the charging method according to the invention, the vehicle being connected to an external charging terminal, in one embodiment of the invention,
  • FIG. 1 represents a first switching diagram usable in the charging system of figure 1, as well as stator currents in an electric motor of the vehicle, and an input current in the corresponding charging system, this first switching diagram not being proposed by the invention,
  • FIG. 3 represents a second switching scheme usable in the charging system of figure 1, as well as stator currents in an electric motor of the vehicle and an input current in the charging system corresponding thereto, this second switching scheme not being proposed by the invention,
  • FIG. 4 represents steps of a recharging method according to the invention, in the embodiment of the invention of figure 1,
  • fig 5] represents a third switching scheme usable in the charging system of figure 1, as well as stator currents in an electric motor of the vehicle, and an input current in the charging system corresponding thereto, this third switching scheme being proposed by the invention,
  • fig 6 represents the electric motor of the vehicle of figure 1, in a case of use of the embodiment of figure 1, and in particular a position of a rotor winding of the motor relative to the stator windings of the motor,
  • FIG. 7 reproduces, as a function of the phase shift between the switches of a traction inverter of the vehicle of figure 1, a curve representative of the current ripple at the input of the charging system, a curve representative of the ripple of a direct component of stator current in the vehicle electric motor, a curve representative of the absolute value of this direct component and a curve representative of the absolute value of a quadratic component of the stator current, a curve representative of an average of the stator current and a curve representative of an average of the homopolar current in the electric motor, all these curves being derived from simulations carried out for a duty cycle of 0.5 and for a situation in which the axis of the rotor winding of the electric motor is aligned with the axis of one of the stator windings of the electric motor,
  • a vehicle according to the invention comprises a charging system shown in Figure 1, incorporating elements of the vehicle's powertrain.
  • the vehicle comprises a traction battery 28 with a nominal no-load voltage of 800V.
  • the traction battery 28 in this example of use of the invention, is sufficiently discharged to require recharging and therefore has a voltage Vbatt at its terminals of, for example, between 500 and 600V.
  • the vehicle is connected to an external charging terminal 40, capable of supplying 400V at most.
  • the charging terminal 40 includes internal contactors which close before the start of a recharge of the traction battery 28. During this charge, it behaves like a voltage source, with a voltage VDC at its terminals equal to 400V.
  • the vehicle charging system connected to the charging terminal 40, comprises a switch 38, a first terminal of which is connected to the negative terminal of the charging terminal 40, and a second terminal of which is connected to a negative terminal of a capacitor 22.
  • the capacitor 22 comprises a positive terminal connected to the positive terminal of the charging terminal 40 and is therefore connected in parallel to the charging terminal 40 via the switch 38.
  • the capacitor 22 and the switch 38 form a precharging system at the input of the charging system.
  • the capacitor 22 also makes it possible to filter the voltage variations and to stabilize the latter from the point of view of the terminal.
  • the charging system further comprises a switch 36 connected on the one hand to the positive terminal of the capacitor 22 and on the other hand to a neutral point N forming a positive input terminal of a voltage booster of the charging system.
  • a negative terminal of the voltage booster is connected to the negative terminal of the capacitor 22.
  • the voltage booster is therefore connected at the input to the capacitor 22 via the switch 36, and is connected at the output to the traction battery 28.
  • the voltage booster consists of stator windings L1, L2, L3 of a three-phase electric motor 20 (referenced in figure 6) for traction of the vehicle, a traction inverter 24 and a smoothing capacitor 26 at the output of the voltage booster, the smoothing capacitor 26 being connected to the terminals of the traction battery 28 via relays or switches 32 and 34.
  • stator windings Ll, L2, L3 are mounted in star and therefore connected together at the neutral point N.
  • a first switching arm of the inverter 24 comprises a high switch 1_H, a first terminal of which is connected to a positive output terminal of the voltage booster, and a second terminal of which is connected to a free end of the stator winding L1, i.e. to the end of the stator winding opposite the neutral point N.
  • the first switching arm also comprises a low switch 1_L, a first terminal of which is connected to the free end of the stator winding L1 and a second terminal of which is connected to a negative output terminal of the voltage booster.
  • the positive output terminal of the voltage booster is connected to a terminal of the switch 32 and to a positive terminal of the smoothing capacitor 26, while the terminal negative output of the voltage booster is connected to a terminal of the switch 34 and to a negative terminal of the smoothing capacitor 26.
  • the traction inverter 24 comprises a second switching arm comprising a high switch 2_H, a first terminal of which is connected to the positive output terminal of the voltage booster, and a second terminal of which is connected to a free end of the stator winding L2.
  • the second switching arm also comprises a low switch 2_L, a first terminal of which is connected to the free end of the stator winding L2 and a second terminal of which is connected to the negative output terminal of the voltage booster.
  • the traction inverter 24 comprises a third switching arm comprising a high switch 3_H, a first terminal of which is connected to the positive output terminal of the voltage booster, and a second terminal of which is connected to a free end of the stator winding L3.
  • the third switching arm also comprises a low switch 3_L, a first terminal of which is connected to the free end of the stator winding L3 and a second terminal of which is connected to the negative output terminal of the voltage booster.
  • the high switches 1_H, 2_H, 3_H and low switches 1_L, 2_L, 3_L are controlled switches, for example transistors.
  • the charging system therefore comprises a control circuit (not shown) capable of controlling these switches so as to make them switch according to a duty cycle a.
  • This control circuit is part of the vehicle's charging means.
  • the duty cycle a corresponds to the ratio between the closing time of the low switches 1_L, 2_L and 3_L and the switching period Tpwm, which is the inverse of the frequency f of this switching.
  • the low switches are closed for *Tpwm microseconds and open for (1- a) *Tpwm microseconds, these opening and closing times being able to be distributed over the switching period.
  • the switching period Tpwm is 50ps (microseconds).
  • the curves V1_L, V2_L and V3_L represent the control voltages of the low switches 1_L, 2_L and 3_L respectively in volts although the units are not shown.
  • these control voltages are non-zero over a closing time interval of duration a *Tpwm, this time interval being identical for the three low switches 1_L, 2_L and 3_L, i.e. they are closed at the same time over a switching period, while the high switches 1_H, 2_H and 3_H are open over this time interval. This is therefore a so-called pulsed control.
  • stator currents II, 12, 13 flowing respectively in the stator windings Ll, L2, L3 increase during the charging of the inductances formed by these windings, that is to say during the closing of the low switches 1_L, 2_L and 3_L, and decrease during the charging of the smoothing capacitor 26, that is to say during the opening of the low switches 1_L, 2_L and 3_L corresponding to a period of closing of the high switches 1_H, 2_H and 3_H.
  • the current lin at the input of the voltage booster is equal to the sum of the stator currents II, 12, 13 and therefore presents a strong variation over a switching period.
  • this pulsed command causes a strong current ripple in the load terminal 40 because the sum of the stator currents II, 12, 13 have their maxima positioned at the same time.
  • this pulsed command produces a weak stator field, therefore a weak induced voltage at the rotor of the electric motor 20, and consequently low iron losses in the electric motor 20.
  • stator windings being supplied at the same time each with a quasi-identical current (the stator inductances being configured to be equal but not generally being completely identical), they produce magnetic fields which almost cancel each other out, given the configuration of the stator windings, regularly distributed around the rotor.
  • the rotor flux i f produced at the rotor is very low and the voltage Vf induced at the rotor also.
  • the low switches 1_L, 2_L and 3_L close for the same duration but in a staggered manner relative to each other. Indeed, since the switching period is divided into sixths, the low switch 1_L is closed for the first three sixths of the switching period, and open for the last three sixths of the switching period, while the low switch 2_L is closed from the third to the fifth sixth inclusive of the switching period and the low switch 3_L is closed for the first sixth of the switching period and the last two sixths of the switching period. This switch control is said to be interleaved.
  • stator currents II, 12, 13 flowing respectively in the stator windings Ll, L2, L3 therefore increase and decrease in a staggered manner relative to each other, which is similar to a phase shift.
  • the stator currents II, 12, 13 are therefore 120° out of phase with each other.
  • the current lin at the input of the voltage booster being the sum of these stator currents II, 12, 13, therefore has a low current ripple.
  • stator current vector Is resulting from the vector sum of the stator currents II, 12, 13 vectorized in directions angularly offset by 120° is a vector rotating at the speed corresponding to the switching frequency.
  • the direct component Id of the stator current will therefore present strong variations during the switching period (it should be noted that the rotor does not rotate, so the Park reference is fixed relative to the stator), which implies a very high induced voltage Vf at the rotor.
  • the magnetic fields created by the stator windings being out of phase with each other, the resulting magnetic flux is very high and generates high iron losses.
  • the invention makes it possible to overcome these drawbacks thanks to the recharging method 100 shown in FIG. 4 and implemented in the recharging system of FIG. 1.
  • the recharging method 100 is for example implemented in software in a microcomputer controlling the traction inverter 24 and in hardware by the traction inverter 24, its control circuit and the measuring means to which the traction inverter is connected, such as a resolver.
  • the recharging method therefore comprises a recharging step 140, implementing a switching diagram shown in Figure 5.
  • the first and second low switches 1_L and 2_L respectively of the first and second switching arms are closed at the same time over a time interval of duration a *Tpwm over the switching period, and open over the remainder of the switching period, while the third low switch 3_L of the third switching arm is open over the time interval corresponding to the closing of the first and second low switches 1_L and 2_L, and closed over a time interval of duration a *Tpwm over the remainder of the switching period.
  • the principle of this switching scheme used throughout the recharging step 140 is to not create a rotating vector while not having a pulsed command.
  • One of the low switches therefore closes in phase opposition with the other two low switches, which close in phase.
  • the low switch that switches in phase opposition with the other two low switches is not necessarily that of the third switching arm.
  • the choice of this low switch is made during a previous step 130 which will be detailed later.
  • the duty cycle a is 0.5 but it can of course be smaller or larger.
  • the low switches will all be open for a duration equal to 0.14 times the switching period.
  • the input current lin of the voltage booster has a low current ripple, because the sum of the stator currents II, I2 and I3 varies as one of the stator currents is in phase with another of the stator currents.
  • the current ripple is therefore three times lower than with pulsed control.
  • stator current vector Is is always directed along the axis of the stator winding corresponding to the low switch which is in phase opposition with the other two.
  • the resulting magnetic field created by the stator windings is therefore also directed along this direction, as illustrated in Figure 6.
  • stator winding Ll supplied by the stator current II creates the magnetic field 4>1
  • stator winding L2 supplied by the stator current 12 creates the magnetic field 2
  • stator winding L3 supplied by the stator current 13 creates the magnetic field CD.
  • the direct component Id of the stator current in the Park frame being the projection of the stator current vector Is on the d axis of the rotor (or more precisely of the rotor winding R), we see that this current Id is not a priori zero, and neither is its variation.
  • the induced voltage Vf at the rotor is therefore non-zero except when the current Id is zero, that is to say when the d axis is orthogonal to the c axis or more generally to the c axis. stator winding corresponding to the low switch closing in phase opposition with the two other low switches.
  • the current Id is minimized and for this we choose as the low switch closing in phase opposition with the two other low switches, the one whose corresponding stator winding has an axis forming the largest acute angle (in absolute value) with the axis d of the rotor winding R, not supplied.
  • the recharging method 100 comprises, prior to the recharging step 140, a step 110 of measuring the angular position P of the axis d of the rotor relative to a reference axis z, here identical to the axis a of the stator winding L1.
  • This angular measurement P makes it possible to determine the acute angle yl (equal to P here given the choice of the reference axis z) that the axis d of the rotor makes with the axis a of the stator winding L1, the acute angle y2 that the axis d of the rotor makes with the axis b of the stator winding L2, and the acute angle y3 that the axis d of the rotor makes with the axis c of the stator winding L3, and to determine in particular what is the largest acute angle in absolute value between these three angles yl, y2 and y3.
  • the acute angle y3 being, in this case of use of the invention, greater in absolute value than the acute angles yl and y2, it is judicious to choose the third low switch 3_L as the one closing in phase opposition with the first and second low switches 1_L and 2_L.
  • the measuring step 110 is followed by a step 120 of prepositioning the axis d of the rotor winding R, so as to make it orthogonal to one of the axes a, b or c of the stator windings L1, L2 or L3.
  • the axis d of the rotor winding R is made orthogonal to the axis c of the stator winding L3, which makes it possible to slightly modify the position of the axis d of the rotor winding R.
  • the rotor winding R is temporarily supplied with a direct current of 5A (amperes), the stator winding L1 with a direct current of 70A and the stator winding L2 with a direct current of -70A.
  • the prepositioning uses mechanical means.
  • this step 120 of pre-positioning the recharging method 100 does not take place if the axis d of the rotor winding R has an angular deviation close to 90° with one of the axes a, b or c of the stator windings LI, L2 or L3, for example close to 90° to within 5°.
  • this step 120 of pre-positioning the recharging method 100 only takes place if the axis d of the rotor winding R is almost aligned with one of the axes a, b or c of the stator windings LI, L2 or L3, for example has an acute angle of 5° in absolute value with one of these axes a, b or c.
  • the next step of the recharging method 100 is a step 130 of choosing the low switch as the one closing in phase opposition with the other low switches.
  • this is the third switch 3_L, the axis of the stator winding L3 having been made orthogonal to the axis d of the rotor winding R.
  • the low switch closing in phase opposition with the two other low switches is chosen, the one whose corresponding stator winding has an axis forming the largest acute angle (in absolute value) with the axis d of the rotor winding R, not powered.
  • the next step of the recharging method 100 is the recharging step 140 using the switching scheme described above in relation to FIG. 5.
  • the X axes of the abscissas expressed in degrees correspond to the phase shift between the application of successive commands of two switching arms.
  • a phase shift of 100° means that the low switch 2_L is closed with a phase shift of 100° relative to the closing of the low switch 1_L, and that the low switch 3_L is closed with a phase shift of 100° relative to the closing of the low switch 2_L.
  • This phase shift of 100° corresponds to a time interval of 100/180 times the switching period.
  • the simulation curves in Figure 7 correspond to a duty cycle of 0.5, a battery voltage of 800V, a maximum current delivered by the terminal of 360A, and a position of the d axis of the rotor winding R aligned with the position of the a axis of the stator winding Ll.
  • the stator inductances LI, L2 and L3 are 200pH (microHenry) in these simulations, and the switching frequency is 15kHz.
  • a first Alin curve shows the current ripple as a function of the phase shift chosen on the abscissa, i.e. the difference between the maximum value of the lin current at the input of the voltage booster, and the minimum value of the lin current at the input of the voltage booster.
  • Points B on this first Alin curve correspond to the switching pattern of Figure 2
  • points E on this first Alin curve correspond to the switching pattern of Figure 3
  • point C on this first Alin curve corresponds to the switching pattern of Figure 5.
  • This first Alin curve shows that the switching scheme proposed by the invention has a current ripple at the input of the voltage booster which is much lower than with pulsed control.
  • a second Aid curve shows the ripple of the direct component Id of the stator current as a function of the phase shift chosen on the abscissa, i.e. the difference between the maximum value and the minimum value of this direct component Id.
  • This second Aid curve shows that the switching scheme proposed by the invention allows a variation of this direct component Id much lower than in the case of an interlaced control, and therefore much less iron losses, although the position of the rotor is not favorable to obtaining a low direct component Id of stator current.
  • the invention therefore allows a very good compromise between pulsed control and interlaced control.
  • shows the variation of the absolute value of the direct component Id of stator current as a function of the phase shift chosen on the abscissa
  • shows the variation of the absolute value of the quadratic component Iq of stator current in the Park frame, as a function of the phase shift chosen on the abscissa.
  • a fifth curve ⁇ Is> shows the variation of the average of the stator currents II, 12, 13 as a function of the phase shift chosen on the abscissa
  • a sixth curve ⁇ 10> shows the variation of the average of the homopolar component of stator current in the Park frame, as a function of the phase shift chosen on the abscissa.
  • Figure 8 shows simulation curves corresponding to those of Figure 7, with the units on the abscissa and ordinate being identical and all simulation parameters being identical except for the position of the d-axis of the rotor winding R, which is 90° with the position of the axis of the stator winding connected to the bottom switch switching in phase opposition with the other two bottom switches.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de recharge d'une batterie de traction (28) d'un véhicule électrique ou hybride, la batterie étant connectée à une capacité de lissage (26) et à un onduleur de traction (24) connecté aux bobinages statoriques (L1, L2, L3) d'un moteur électrique (20) dont un point neutre (N) est connecté à une source de tension (40) délivrant une tension (VDC) inférieure celle de la batterie (28), l'onduleur (24) ayant trois bras de commutation comportant chacun un interrupteur bas (1_L, 2_L, 3_L), la recharge de la batterie (28) s'effectuant par application d'un rapport cyclique (a) de commutation aux interrupteurs (1_L, 2_L, 3_L,1_H, 2_H, 3_H), le procédé de recharge étant caractérisé en ce qu'un premier (1_L) et un deuxième (2_L) des intermpteurs bas se ferment en phase tandis qu'un troisième (3_L) des interrupteurs bas s'ouvre et se ferme en opposition de phase.

Description

DESCRIPTION
Titre de l'invention : Procédé de recharge d’une batterie de traction par une source de tension inférieure à celle de la batterie de traction et véhicule correspondant
La présente invention se rapporte aux domaines de l’automobile et de l’électrotechnique, et concerne plus précisément un procédé de recharge d’une batterie de traction d’un véhicule électrique ou hybride, et un véhicule électrique ou hybride ayant des moyens pour mettre en œuvre un tel procédé.
Un véhicule électrique ou hybride comporte une batterie de traction haute tension, de tension maximale à vide généralement comprise entre 400 et 800V (volts), et qui se vide pour alimenter un moteur électrique de traction du véhicule. Il faut donc recharger la batterie de traction à partir d’une borne de charge externe au véhicule. Lorsque celle-ci est apte à fournir une tension supérieure à la tension maximale à vide de la batterie de traction, il suffit de connecter les sorties de la borne de charge aux bornes de la batterie de traction du véhicule pour la recharger.
Or certaines bornes de charge ne fournissent qu’une tension inférieure à la tension maximale à vide de la batterie de traction. Notamment certaines bornes de charge ne peuvent fournir que 400V au maximum. Pour recharger une batterie de traction de tension supérieure à 400V avec une telle borne de charge, il faut donc connecter les sorties de la borne de charge en entrée d’un élévateur de tension, dont la sortie, fournissant une tension supérieure à la tension de la batterie de traction à recharger, est connectée aux bornes de celle-ci.
Un tel élévateur de tension comporte au moins une inductance, une capacité et deux interrupteurs. Etant donné la puissance que ces composants doivent supporter, ils représentent un coût non négligeable. Afin de diminuer le coût d’un véhicule électrique ou hybride comportant un tel élévateur de tension, celui-ci est souvent réalisé en réutilisant les composants de puissance déjà présents dans le véhicule, par exemple les bobinages statoriques du moteur électrique du véhicule, les interrupteurs de l’onduleur de traction du véhicule, et une capacité de lissage connectée aux bornes de la batterie de traction dans le véhicule. Lorsque les bobinages statoriques du véhicule sont utilisés comme inductances de l’élévateur de tension du véhicule, le rotor du moteur électrique est bien sûr non alimenté. Néanmoins, en fonction du fonctionnement des interrupteurs de l’onduleur de traction pendant une recharge de la batterie de traction, une tension induite très élevée peut se trouver aux bornes du rotor et endommager celui-ci, du fait d’un couplage entre les inductances statoriques et l’inductance rotorique. Des pertes fer importantes apparaissent également lorsqu’un champ magnétique puisant apparaît dans le moteur électrique lors de cette recharge et diminuent l’efficacité de la recharge. Elles risquent également d’endommager le rotor en provoquant un important échauffement de celui- ci. Enfin, du fait des couplages entre les inductances statoriques et le rotor, les ondulations de courant varient en fonction de la position du rotor et peuvent diminuer également l’efficacité de la recharge.
En choisissant un fonctionnement simultané des interrupteurs, le champ magnétique statorique résultant créé dans le moteur électrique est quasiment nul et ces inconvénients sont très limités, mais au prix d’une ondulation de courant très forte en entrée et en sortie de l’élévateur de tension, ce qui peut finir par endommager la batterie de traction et perturber le fonctionnement du dispositif de recharge.
Il existe donc un besoin d’améliorer la réalisation de la fonction élévatrice de tension dans un véhicule électrique ou hybride, pour la recharge de sa batterie de traction, qui soit peu coûteuse tout en limitant les pertes fer, et qui n’endommage pas le moteur électrique de traction du véhicule.
La présente invention vise à remédier au moins en partie aux inconvénients précités en fournissant un procédé de recharge d’une batterie de traction d’un véhicule électrique ou hybride, ainsi qu’un véhicule électrique ou hybride, utilisant un élévateur de tension qui réutilise un onduleur de traction et un moteur électrique du véhicule pour la recharge de la batterie de traction, tout en ayant un schéma de commutation des interrupteurs de l’onduleur de traction, qui limite à la fois les ondulations de courant en entrée de l’élévateur de tension et les pertes fer dans le moteur électrique.
A cette fin, l’invention propose un procédé de recharge d’une batterie de traction d’un véhicule électrique ou hybride, le véhicule comportant en outre une capacité de lissage et un onduleur de traction, la capacité de lissage et l’entrée de l’onduleur de traction étant connectées aux bornes de la batterie de traction, les sorties de l’onduleur de traction étant connectées à des bobinages statoriques d’un moteur électrique de traction du véhicule, et un point neutre du moteur électrique de traction étant connecté à une borne positive d’une source de tension délivrant une tension inférieure à la tension aux bornes de la batterie de traction, l’onduleur de traction ayant trois bras de commutation comportant chacun un interrupteur bas et un interrupteur haut, le procédé de recharge comportant une étape de recharge de la batterie de traction s’effectuant par application d’un rapport cyclique de commutation aux interrupteurs, le procédé de recharge étant caractérisé en ce que pendant l’étape de recharge, un premier et un deuxième des interrupteurs bas se ferment en phase tandis qu’un troisième des interrupteurs bas s’ouvre et se ferme en opposition de phase par rapport aux premier et deuxième interrupteurs bas.
Il est à noter que dans cette demande, la batterie de traction s’entend comme une batterie alimentant l’onduleur et le moteur électrique lors du roulage du véhicule, à la différence d’une éventuelle batterie de servitude du véhicule alimentant un réseau électrique basse tension du véhicule (par exemple 14V) auquel sont connectés différents consommateurs dont un calculateur principal du véhicule. La batterie de traction peut donc aussi être entendue comme une batterie de propulsion en fonction du moteur électrique utilisé. Sans mention contraire, la batterie à laquelle il est fait référence dans cette demande, est la batterie de traction du véhicule. De façon similaire, le moteur et l’onduleur dans cette demande de brevet font référence à un moteur électrique de traction ou de propulsion et respectivement à un onduleur de traction ou de propulsion du véhicule, en l’absence d’indication contraire. Enfin les termes « charge » ou « recharge » sont considérés comme équivalents dans cette demande.
De plus dans cette demande de brevet, sauf mention contraire, une connexion en entrée ou en sortie d’un ensemble fonctionnel tel que l’onduleur ou l’élévateur de tension s’entend comme une connexion aux bornes de cette entrée ou respectivement de cette sortie, c’est-à-dire une connexion en parallèle à cette entrée ou respectivement cette sortie, les termes entrée et sortie étant rapportés à la fonction concernée. Ici l’onduleur est notamment connecté en sortie (par rapport à sa fonction onduleur) aux bobinages statoriques du moteur électrique du véhicule.
Chaque bras de commutation de l’onduleur comporte de façon usuelle deux interrupteurs commandés, dont un interrupteur haut, connecté à la borne d’entrée positive de l’onduleur, elle-même connectée à la borne positive de la batterie de traction lorsque les relais ou interrupteurs de connexion à la batterie sont fermés, et un interrupteur bas, connecté à la borne d’entrée négative de l’onduleur, elle-même connectée à la borne négative de la batterie de traction lorsque les relais ou interrupteurs de connexion à la batterie sont fermés. Chaque bras de commutation comporte donc un interrupteur haut et un interrupteur bas montés en série, un point milieu entre les deux interrupteurs étant connecté à un bobinage statorique du moteur électrique de traction.
De plus, l’onduleur de traction peut comporter plus de trois bras de commutation en fonction du nombre de phases du moteur électrique de traction. Dans ce cas, l’Homme du métier saura adapter le schéma de commutation proposé par l’invention en fonction de ce nombre de phases, par exemple pour un moteur ayant six phases et un onduleur ayant six bras de commutation, quatre interrupteurs bas de l’onduleur fonctionnent en phase et deux autres interrupteurs bas de l’onduleur fonctionnent en opposition de phase avec les quatre précédents interrupteurs bas.
Bien sûr, bien que le fonctionnement des interrupteurs hauts ne soit pas mentionné, chaque interrupteur haut fonctionne toujours en opposition de phase avec l’interrupteur bas du même bras, pour ne pas court-circuiter la batterie de traction, c’est-à-dire que lorsque l’interrupteur haut d’un bras est fermé, alors l’interrupteur bas de ce bras est ouvert.
Grâce à l’invention, la recharge de la batterie de traction par une borne de charge fournissant une tension inférieure à celle de la batterie, utilise un élévateur de tension de coût additionnel peu coûteux par rapport à un véhicule sans élévateur de tension, puisque l’élévateur de tension réutilise beaucoup d’éléments de la chaîne de traction du véhicule. De plus le procédé de recharge selon l’invention réussit un compromis entre d’une part l’amplitude des ondulations de courant en entrée et en sortie de l’élévateur de tension pendant la recharge, et d’autre part l’amplitude de la tension induite au rotor du fait de l’utilisation des bobinages statoriques. Ainsi le procédé de recharge n’abîme ni la batterie de traction ni le moteur électrique, et présente des pertes fer limitées donc un bon rendement du processus de recharge de la batterie de traction.
Selon une caractéristique préférentielle et optionnelle du procédé de recharge selon l’invention, l’étape de recharge est précédée d’une étape de mesure de la position angulaire d’un axe d’un bobinage rotorique du moteur électrique de traction, et d’une étape de choix du troisième interrupteur bas comme celui des interrupteurs bas qui est apte à charger celui des bobinages statoriques d’axe formant l’angle le plus important avec la position angulaire mesurée de l’axe du bobinage rotorique. Cete caractéristique permet de minimiser la composante directe du courant statorique dans un repère de Park du moteur électrique, et donc de minimiser la tension induite au rotor. Bien sûr, l’axe d’un bobinage est pris ici, lorsque le bobinage est constitué d’un ensemble de spires superposées les unes aux autres, comme l’axe orthogonal à ces spires et passant en leur milieu. Lorsqu’un bobinage comporte plusieurs ensembles de spires, l’axe du bobinage correspond de façon similaire à la direction principale du flux magnétique formé par les ensembles de spires. On choisit donc, dans cette caractéristique de l’invention, le bobinage statorique formant un flux magnétique dont la direction principale est la plus éloignée de la direction principale du flux magnétique formé par le bobinage rotorique. L’angle considéré l’est donc en valeur absolue.
Selon une autre caractéristique préférentielle et optionnelle du procédé de recharge selon l’invention, celui-ci comporte une étape de pré-positionnement de l’axe du bobinage rotorique, orthogonalement à l’axe d’un des bobinages statoriques, suivant l’étape de mesure et précédant l’étape de choix du troisième interrupteur bas comme étant celui qui est apte à charger ledit bobinage statorique d’axe ainsi devenu orthogonal à l’axe du bobinage rotorique.
Cete autre caractéristique permet d’annuler complètement la composante directe du courant statorique pendant la recharge de la batterie, et donc d’annuler la tension induite au rotor.
Eventuellement, l’étape de pré -positionnement est conditionnée au fait qu’un des bobinages statoriques forme un angle avec l’axe du bobinage rotorique, inférieur à une valeur seuil. Ainsi, si lors de l’étape mesure de la position angulaire de l’axe du bobinage rotorique, on constate que cet axe est aligné ou quasi aligné avec l’axe d’un des bobinages statoriques, ce qui implique une forte composante directe du courant statorique lors de la recharge, donc une forte tension induite au rotor, on prépositionne le bobinage rotorique pour que son axe soit perpendiculaire à celui d’un des bobinages statoriques, qui sera alimenté en opposition de phase avec les deux autres bobinages statoriques. Ainsi on évitera cete tension induite au rotor lors de la recharge.
L’étape de pré-positionnement comporte par exemple une étape d’alimentation du bobinage rotorique et de deux des bobinages statoriques distincts du bobinage statorique dont l’axe est rendu orthogonal à l’axe du bobinage rotorique par l’étape de pré -positionnement. Le procédé de recharge selon l’invention présente un coût faible de réalisation et est simple à mettre en œuvre, du fait qu’il est réalisé en partie de manière logicielle dans un organe de commande de l’onduleur tel qu’un microcontrôleur et en partie matériellement dans des composants déjà présents dans la chaîne de traction du véhicule électrique ou hybride.
L’invention concerne aussi un véhicule électrique ou hybride comportant une batterie de traction, une capacité de lissage et un onduleur de traction, la capacité de lissage et l’entrée de l’onduleur de traction étant aptes à être connectées aux bornes de la batterie de traction, les sorties de l’onduleur de traction étant connectées à des bobinages statoriques d’un moteur électrique de traction du véhicule, et un point neutre du moteur électrique de traction étant apte à être connecté à une borne positive d’une source de tension délivrant une tension inférieure à la tension aux bornes de la batterie de traction, l’onduleur de traction ayant trois bras de commutation comportant chacun un interrupteur bas et un interrupteur haut, le véhicule électrique ou hybride comportant des moyens de recharge de la batterie de traction aptes à appliquer un rapport cyclique de commutation aux interrupteurs, le véhicule électrique ou hybride étant caractérisé en ce que les moyens de recharge sont configurés pour fermer un premier et un deuxième des interrupteurs bas en phase et pour ouvrir et fermer un troisième des interrupteurs bas en opposition de phase par rapport aux premier et deuxième interrupteurs bas.
Le véhicule électrique ou hybride selon l’invention comporte en outre un interrupteur comportant une première borne reliée au point neutre et une deuxième borne reliée à la borne positive de la source de tension, et un condensateur connecté d’une part à la deuxième borne de l’interrupteur et d’autre part à une borne d’entrée négative de l’onduleur de traction. Le condensateur permet d’éviter un appel de courant trop important dans les inductances statoriques lors du démarrage de la charge, et l’interrupteur permet de déconnecter ce condensateur du point neutre avant une phase de roulage du véhicule.
Le véhicule électrique ou hybride selon l’invention comporte préférentiellement des moyens de mesure de la position angulaire d’un axe d’un bobinage rotorique du moteur électrique de traction, et des moyens de choix du troisième interrupteur bas comme celui des interrupteurs bas qui est apte à charger celui des bobinages statoriques d’axe formant l’angle le plus important avec la position angulaire mesurée de l’axe du bobinage rotorique par les moyens de mesure.
Il comporte également préférentiellement des moyens de pré -positionnement de l’axe du bobinage rotorique, orthogonalement à l’axe d’un des bobinages statoriques, le troisième interrupteur bas étant choisi par les moyens de choix comme étant celui apte à charger ledit bobinage statorique d’axe rendu orthogonal à l’axe du bobinage rotorique par les moyens de pré -positionnement.
Les moyens de pré-positionnement comportent par exemple des moyens d’alimentation du bobinage rotorique et de deux des bobinages statoriques distincts du bobinage statorique dont l’axe est rendu orthogonal à l’axe du bobinage rotorique par les moyens de pré -positionnement.
Le véhicule électrique ou hybride selon l’invention comporte des avantages analogues à ceux du procédé de recharge selon l’invention.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore au travers de la description qui suit d’une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés d’autre part, sur lesquels :
[fig 1] représente un système de recharge d’un véhicule selon l’invention mettant en œuvre le procédé de recharge selon l’invention, le véhicule étant branché à une borne de charge externe, dans un mode de réalisation de l’invention,
[fig 2] représente un premier schéma de commutation utilisable dans le système de recharge de la figure 1, ainsi que des courants statoriques dans un moteur électrique du véhicule, et un courant d’entrée dans le système de recharge correspondants, ce premier schéma de commutation n’étant pas proposé par l’invention,
[fig 3] représente un deuxième schéma de commutation utilisable dans le système de recharge de la figure 1, ainsi que des courants statoriques dans un moteur électrique du véhicule et un courant d’entrée dans le système de recharge correspondants, ce deuxième schéma de commutation n’étant pas proposé par l’invention,
[fig 4] représente des étapes d’un procédé de recharge selon l’invention, dans le mode de réalisation de l’invention de la figure 1, [fig 5] représente un troisième schéma de commutation utilisable dans le système de recharge de la figure 1, ainsi que des courants statoriques dans un moteur électrique du véhicule, et un courant d’entrée dans le système de recharge correspondants, ce troisième schéma de commutation étant proposé par l’invention,
[fig 6] représente le moteur électrique du véhicule de la figure 1, dans un cas d’usage du mode de réalisation de la figure 1, et notamment une position d’un bobinage rotorique du moteur par rapport aux bobinages statoriques du moteur,
[fig 7] reproduit, en fonction du déphasage entre les interrupteurs d’un onduleur de traction du véhicule de la figure 1, une courbe représentative de l’ondulation de courant en entrée du système de recharge, une courbe représentative de l’ondulation d’une composante directe de courant statorique dans le moteur électrique véhicule, une courbe représentative de la valeur absolue de cette composante directe et une courbe représentative de la valeur absolue d’une composante quadratique du courant statorique, une courbe représentative d’une moyenne du courant statorique et une courbe représentative d’une moyenne du courant homopolaire dans le moteur électrique, toutes ces courbes étant issues de simulations effectuées pour un rapport cyclique de 0,5 et pour une situation dans laquelle l’axe du bobinage rotorique du moteur électrique est aligné avec l’axe d’un des bobinages statoriques du moteur électrique,
[fig 8] reproduit les mêmes courbes de simulation que celles de la figure 7 dans une situation pour laquelle l’axe du bobinage rotorique du moteur électrique est orthogonal à l’axe d’un des bobinages statoriques du moteur électrique.
Selon un mode de réalisation de l’invention, un véhicule selon l’invention comporte un système de charge représenté en figure 1, reprenant des éléments de la chaîne de traction du véhicule.
Dans ce mode de réalisation de l’invention, le véhicule comporte une batterie de traction 28 de tension nominale à vide 800V. La batterie de traction 28, dans cet exemple d’utilisation de l’invention, est suffisamment déchargée pour nécessiter une recharge et présente donc une tension Vbatt à ses bornes comprise par exemple entre 500 et 600V. Le véhicule est branché à une borne de recharge externe 40, apte à fournir 400V au plus.
La borne de recharge 40 comporte des contacteurs internes se fermant avant le lancement d’une recharge de la batterie de traction 28. Pendant cette charge, elle se comporte comme une source de tension, de tension VDC à ses bornes égale à 400V. Le système de recharge du véhicule, branché à la borne de charge 40, comporte un interrupteur 38 dont une première borne est connectée à la borne négative de la borne de recharge 40, et dont une deuxième borne est connectée à une borne négative d’un condensateur 22. Le condensateur 22 comporte une borne positive connectée à la borne positive de la borne de recharge 40 et est donc connecté en parallèle à la borne de recharge 40 par l’intermédiaire de l’interrupteur 38. Le condensateur 22 et l’interrupteur 38 forment un système de précharge en entrée du système de recharge. Le condensateur 22 permet également de filtrer les variations de tension et de stabiliser celle-ci du point de vue de la borne.
Le système de recharge comporte en outre un interrupteur 36 connecté d’une part à la borne positive du condensateur 22 et d’autre part à un point neutre N formant une borne positive d’entrée d’un élévateur de tension du système de recharge. Une borne négative de l’élévateur de tension est connectée à la borne négative du condensateur 22. L’élévateur de tension est donc connecté en entrée au condensateur 22 par l’intermédiaire de l’interrupteur 36, et est connecté en sortie à la batterie de traction 28.
L’élévateur de tension est constitué de bobinages statoriques Ll, L2, L3 d’un moteur électrique 20 (référencé figure 6) triphasé de traction du véhicule, d’un onduleur de traction 24 et d’une capacité de lissage 26 en sortie de l’élévateur de tension, la capacité de lissage 26 étant connectée aux bornes de la batterie de traction 28 par l’intermédiaire de relais ou interrupteurs 32 et 34.
Les bobinages statoriques Ll, L2, L3 sont montés en étoile et donc connectés ensemble au point neutre N.
Un premier bras de commutation de l’onduleur 24 comporte un interrupteur haut 1_H dont une première borne est reliée à une borne positive de sortie de l’élévateur de tension, et dont une deuxième borne est reliée à une extrémité libre du bobinage statorique Ll, c’est-à-dire à l’extrémité du bobinage statorique opposée au point neutre N. Le premier bras de commutation comporte également un interrupteur bas 1_L dont une première borne est reliée à l’extrémité libre du bobinage statorique Ll et dont une deuxième borne est reliée à une borne négative de sortie de l’élévateur de tension.
La borne positive de sortie de l’élévateur de tension est reliée à une borne de l’interrupteur 32 et à une borne positive de la capacité de lissage 26, tandis que la borne négative de sortie de l’élévateur de tension est reliée à une borne de l’interrupteur 34 et à une borne négative de la capacité de lissage 26.
De façon similaire, l’onduleur de traction 24 comporte un deuxième bras de commutation comportant un interrupteur haut 2_H dont une première borne est reliée à la borne positive de sortie de l’élévateur de tension, et dont une deuxième borne est reliée à une extrémité libre du bobinage statorique L2. Le deuxième bras de commutation comporte également un interrupteur bas 2_L dont une première borne est reliée à l’extrémité libre du bobinage statorique L2 et dont une deuxième borne est reliée à la borne négative de sortie de l’élévateur de tension.
Enfin l’onduleur de traction 24 comporte un troisième bras de commutation comportant un interrupteur haut 3_H dont une première borne est reliée à la borne positive de sortie de l’élévateur de tension, et dont une deuxième borne est reliée à une extrémité libre du bobinage statorique L3. Le troisième bras de commutation comporte également un interrupteur bas 3_L dont une première borne est reliée à l’extrémité libre du bobinage statorique L3 et dont une deuxième borne est reliée à la borne négative de sortie de l’élévateur de tension.
Les interrupteurs hauts 1_H, 2_H, 3_H et bas 1_L, 2_L, 3_L sont des interrupteurs commandés, par exemple des transistors. Le système de recharge comporte donc un circuit de commande (non représenté) apte à piloter ces interrupteurs de manière à les faire commuter selon un rapport cyclique a. Ce circuit de commande fait partie de moyens de recharge du véhicule.
Afin de bien comprendre les avantages du procédé de recharge selon l’invention, on décrit maintenant en relation avec les figures 2 et 3, des schémas de commutation non proposés par l’invention mais pouvant être envisagés pour recharger la batterie de traction 28, et les inconvénients associés.
Sur ces figures, ainsi que sur la figure 5 décrite plus loin, le rapport cyclique a correspond au rapport entre le temps de fermeture des interrupteurs bas 1_L, 2_L et 3_L et la période de découpage Tpwm, qui est l’inverse de la fréquence f de ce découpage. Autrement dit sur une période de découpage Tpwm, les interrupteurs bas sont fermés a *Tpwm microsecondes et ouverts (1- a) *Tpwm microsecondes, ces temps d’ouverture et de fermeture pouvant être répartis sur la période de découpage. Pour une fréquence de découpage de 20kHz (kiloHertz), la période de découpage Tpwm est de 50ps (microsecondes).
De plus sur ces figures, les courbes V1_L, V2_L et V3_L représentent les tensions de commande des interrupteurs bas respectivement 1_L, 2_L et 3_L en volts bien que les unités ne soient pas représentées. Dans le cas de la figure 2, ces tensions de commande sont non nulles sur un intervalle de temps de fermeture de durée a *Tpwm, cet intervalle de temps étant identique pour les trois interrupteurs bas 1_L, 2_L et 3_L, c’est-à-dire qu’ils sont fermés en même temps sur une période de découpage, tandis que les interrupteurs haut 1_H, 2_H et 3_H sont ouverts sur cet intervalle de temps. Il s’agit donc d’une commande dite pulsée.
Les courants statoriques II, 12, 13 circulant respectivement dans les bobinages statoriques Ll, L2, L3 augmentent pendant la charge des inductances constituées par ces bobinages, c’est-à-dire pendant la fermeture des interrupteurs bas 1_L, 2_L et 3_L, et diminuent pendant la charge de la capacité de lissage 26, c’est-à-dire pendant l’ouverture des interrupteurs bas 1_L, 2_L et 3_L correspondant à une période de fermeture des interrupteurs haut 1_H, 2_H et 3_H.
Le courant lin en entrée de l’élévateur de tension vaut la somme des courants statoriques II, 12, 13 et présente donc une forte variation sur une période de découpage.
De ce fait, cette commande pulsée provoque une forte ondulation de courant dans la borne de charge 40 car la somme des courants statoriques II, 12, 13 ont leurs maxima positionnés au même instant. Par contre cette commande pulsée produit un champ statorique faible, donc une tension induite faible au rotor du moteur électrique 20, et par conséquent des pertes fer faibles dans le moteur électrique 20.
En effet la tension induite Vf au rotor s’exprime comme :
Vf = Rf*If + di f/ dt, où * est l’opérateur multiplication, d./ dt la dérivée par rapport au temps t, Rf est la résistance du rotor, If le courant d’alimentation rotorique, et i f est le flux rotorique, qui vaut : i f = (3/2) * Maf * Id + Lf * If où Maf est l’inductance mutuelle entre le rotor et le stator du moteur électrique 20, et Id est la composante directe du courant statorique du moteur électrique 20, exprimé dans le repère de Park.
L’alimentation rotorique étant nulle, on a : Vf = dlpf/dt et i f = (3/2) * Maf * Id
Or lors de la commande pulsée, les bobinages statoriques étant alimentés en même temps chacun avec un courant quasi identique (les inductances statoriques étant configurées pour être égales mais n’étant généralement pas complètement identiques), ils produisent des champs magnétiques qui s’annulent quasiment, étant donné la configuration des bobinages statoriques, régulièrement répartis autour du rotor. Ainsi le flux ro torique i f produit au rotor est très faible et la tension Vf induite au rotor également.
Dans le cas de la figure 3, les interrupteurs bas 1_L, 2_L et 3_L se ferment sur une même durée mais de manière décalée les uns par rapport aux autres. En effet, la période de découpage étant découpée en sixièmes, l’interrupteur bas 1_L est fermé sur les trois premiers sixièmes de la période de découpage, et ouvert sur les trois derniers sixièmes de la période de découpage, tandis que l’interrupteur bas 2_L est fermé du troisième au cinquième sixièmes inclus de la période de découpage et l’interrupteur bas 3_L est fermé le premier sixième de la période de découpage et les deux derniers sixièmes de la période de découpage. Cette commande des interrupteurs est dite entrelacée.
Les courants statoriques II, 12, 13 circulant respectivement dans les bobinages statoriques Ll, L2, L3 augmentent et diminuent donc de manière décalée les uns par rapport aux autres, ce qui s’apparente à un déphasage. En assimilant la période de découpage à 180°, les courants statoriques II, 12, 13 sont donc déphasés de 120° les uns des autres. Le courant lin en entrée de l’élévateur de tension étant la somme de ces courants statoriques II, 12, 13, présente donc une faible ondulation de courant.
Cependant cette commande entrelacée produit une tension induite Vf au rotor très importante.
En effet les courants statoriques II, 12, 13 étant déphasés les uns par rapport aux autres, le vecteur courant statorique Is résultant de la somme vectorielle des courants statoriques II, 12, 13 vectorisés selon des directions angulairement décalées de 120°, est un vecteur tournant à la vitesse correspondant à la fréquence de découpage. Par exemple, pour une fréquence de découpage de 20kHz, avec une machine à deux paires de pôles par phase, le vecteur Is fera un tour complet mécanique en 2/20000 = 100ps. La composante directe Id du courant statorique présentera donc de fortes variations au cours de la période de découpage (il est à noter que le rotor ne tourne pas, donc le repère de Park est fixe par rapport au stator), ce qui implique une tension induite Vf très grande au rotor. De façon similaire les champs magnétiques créés par les bobinages statoriques étant déphasés les uns des autres, le flux magnétique résultant est très important et génère de fortes pertes fer.
L’invention permet de pallier ces inconvénients grâce au procédé de recharge 100 représenté figure 4 et mis en œuvre dans le système de recharge de la figure 1. Le procédé de recharge 100 est par exemple mis en œuvre de façon logicielle dans un microcalculateur de commande de l’onduleur de traction 24 et de façon matérielle par l’onduleur de traction 24, son circuit de commande et les moyens de mesure auxquels l’onduleur de traction est connecté, tels qu’un résolveur.
Le procédé de recharge comporte pour cela une étape 140 de recharge, mettant en œuvre un schéma de commutation représenté figure 5.
Lors de l’étape 140 de recharge, les premier et deuxième interrupteur bas 1_L et 2_L respectivement des premier et deuxième bras de commutation sont fermés en même temps sur un intervalle de temps de durée a *Tpwm sur la période de découpage, et ouverts sur le reste de la période de découpage, tandis que le troisième interrupteur bas 3_L du troisième bras de commutation est ouvert sur l’intervalle de temps correspondant à la fermeture des premier et deuxième interrupteurs bas 1_L et 2_L, et fermé sur un intervalle de temps de durée a *Tpwm sur le reste de la période de découpage.
Le principe de ce schéma de commutation utilisé pendant toute l’étape 140 de recharge, est de ne pas créer de vecteur tournant tout en n’ayant pas une commande pulsée. Un des interrupteurs bas se ferme donc en opposition de phase avec les deux autres interrupteurs bas, qui se ferment en phase.
Bien sûr l’interrupteur bas qui commute en opposition de phase avec les deux autres interrupteurs bas n’est pas forcément celui du troisième bras de commutation. Le choix de cet interrupteur bas est effectué lors d’une étape précédente 130 qui sera détaillé plus loin.
De plus, dans l’exemple de la figure 5 le rapport cyclique a est de 0,5 mais il peut bien sûr être plus petit ou plus grand. Le rapport cyclique a est déterminé en fonction de l’état de charge de la batterie de traction 28. Par exemple si cet état de charge correspond à une tension Vbatt de 700V aux bornes de la batterie de traction 28, pour avoir une tension moyenne de 400V vue de la borne de charge 40, on choisit : a = 1- VDC/Vbatt = 1- 400/700 = 0,43.
Dans ce cas les interrupteurs bas seront tous ouverts sur une durée égale à 0,14 fois la période de découpage.
Grâce au schéma de commutation de la figure 5, le courant lin en entrée de l’élévateur de tension présente une faible ondulation de courant, car la somme des courants statoriques II, 12 et 13 varie comme l’un des courants statoriques qui est en phase avec un autre des courants statoriques. L’ondulation de courant est donc trois fois plus faible qu’avec la commande pulsée.
De plus grâce à l’invention, le vecteur courant statorique Is est toujours dirigé selon l’axe du bobinage statorique correspondant à l’interrupteur bas qui est en opposition de phase avec les deux autres. Le champ magnétique résultant créé par les bobinages statoriques est donc également dirigé selon cette direction, comme cela est illustré sur la figure 6.
Sur cette figure 6 sont représentés les axes a, b, c des bobinages statoriques respectifs Ll, L2, L3 du moteur triphasé 20, décalés les uns des autres d’un angle de 120°.
Le bobinage statorique Ll alimenté par le courant statorique II créé le champ magnétique 4>1, le bobinage statorique L2 alimenté par le courant statorique 12 créé le champ magnétique 2 et le bobinage statorique L3 alimenté par le courant statorique 13 créé le champ magnétique CD. On voit qu’avec le schéma de commutation de la figure 5, la somme vectorielle 01 + 02 des champs magnétiques créés par les bobinages statoriques Ll et L2 est dirigée selon l’axe c puisque les champs magnétiques 01 et 02 ont la même valeur et sont décalés de part et d’autre de l’axe c du même angle aigu de 60°.
De plus, la composante directe Id du courant statorique dans le repère de Park étant la projection du vecteur courant statorique Is sur l’axe d du rotor (ou plus précisément du bobinage rotorique R), on voit que ce courant Id n’est a priori pas nul, et sa variation non plus. La tension induite Vf au rotor est donc non nulle sauf lorsque le courant Id es nul c’est-à-dire lorsque l’axe d est orthogonal à l’axe c ou plus généralement à l’axe du bobinage statorique correspondant à l’interrupteur bas se fermant en opposition de phase avec les deux autres interrupteurs bas.
Afin de minimiser la tension induite Vf au rotor et donc les pertes fer dans le moteur électrique 20, on minimise le courant Id et pour cela on choisit comme interrupteur bas se fermant en opposition de phase avec les deux autres interrupteurs bas, celui dont le bobinage statorique correspondant présente un axe formant le plus grand angle aigu (en valeur absolue) avec l’axe d du bobinage rotorique R, non alimenté.
Pour cela, le procédé de recharge 100 comporte, préalablement à l’étape 140 de recharge, une étape 110 de mesure de la position angulaire P de l’axe d du rotor par rapport à un axe z de référence, ici identique à l’axe a du bobinage statorique Ll. Cette mesure angulaire P permet de déterminer l’angle aigu yl (égal à P ici vu le choix de l’axe z de référence) que fait l’axe d du rotor avec l’axe a du bobinage statorique Ll, l’angle aigu y2 que fait l’axe d du rotor avec l’axe b du bobinage statorique L2, et l’angle aigu y3 que fait l’axe d du rotor avec l’axe c du bobinage statorique L3, et de déterminer notamment quelle est l’angle aigu le plus important en valeur absolue entre ces trois angles yl, y2 et y3.
L’angle aigu y3 étant, dans ce cas d’usage de l’invention, plus important en valeur absolue que les angles aigus yl et y2, il est judicieux de choisir le troisième interrupteur bas 3_L comme celui se fermant en opposition de phase avec les premier et deuxième interrupteurs bas 1_L et 2_L.
Cependant afin d’annuler complètement ou presque complètement la composante directe Id de courant statorique, l’étape de mesure 110 est suivie d’une étape 120 de prépositionnement de l’axe d du bobinage rotorique R, de sorte à le rendre orthogonal à l’un des axes a, b ou c des bobinages statoriques Ll, L2 ou L3. Dans cet exemple d’utilisation de l’invention, l’axe d du bobinage rotorique R est rendu orthogonal à l’axe c du bobinage statorique L3, ce qui permet de peu modifier la position de l’axe d du bobinage rotorique R.
Pour cela, on alimente par exemple temporairement le bobinage rotorique R avec un courant continu de 5A (ampères), le bobinage statorique Ll avec un courant continu de 70A et le bobinage statorique L2 avec un courant continu de -70A. En variante le prépositionnement utilise des moyens mécaniques. Eventuellement cette étape 120 de pré-positionnement du procédé de recharge 100 n’a pas lieu si l’axe d du bobinage rotorique R présente un écart angulaire proche de 90° avec l’un des axes a, b ou c des bobinages statoriques LI, L2 ou L3, par exemple proche de 90° à 5° près.
En variante, cette étape 120 de pré -positionnement du procédé de recharge 100 n’a lieu que si l’axe d du bobinage rotorique R est presque aligné avec l’un des axes a, b ou c des bobinages statoriques LI, L2 ou L3, par exemple présente un angle aigu de 5° en valeur absolue avec l’un de ces axes a, b ou c.
L’étape suivante du procédé de recharge 100 est une étape 130 de choix de l’interrupteur bas comme celui se fermant en opposition de phase avec les autres interrupteurs bas. Dans l’exemple d’utilisation développé ici, il s’agit du troisième interrupteur 3_L, l’axe du bobinage statorique L3 ayant été rendu orthogonal à l’axe d du bobinage rotorique R. Plus généralement dans cette étape 130, on choisit comme interrupteur bas se fermant en opposition de phase avec les deux autres interrupteurs bas, celui dont le bobinage statorique correspondant présente un axe formant le plus grand angle aigu (en valeur absolue) avec l’axe d du bobinage rotorique R, non alimenté.
L’étape suivante du procédé de recharge 100 est l’étape de recharge 140 utilisant le schéma de commutation décrit plus haut en relation avec la figure 5.
On décrit maintenant la figure 7 montrant différentes courbes de simulation qui sont fonction du déphasage de commutation entre les interrupteurs bas 1_L, 2_L et 3_L lors de l’étape 140 de recharge.
En effet sur cette figure 7, les axes X des abscisses exprimés en degrés correspondent au déphasage entre l’application des commandes successives de deux bras de commutation. Par exemple, un déphasage de 100° signifie que l’interrupteur bas 2_L est fermé avec un déphasage de 100° par rapport à la fermeture de l’interrupteur bas 1_L, et que l’interrupteur bas 3_L est fermé avec un déphasage de 100° par rapport à la fermeture de l’interrupteur bas 2_L. Ce déphasage de 100° correspond à un intervalle de temps de 100/180 fois la période de découpage.
De plus sur la figure 7, les axes Y des abscisses sont exprimés en ampères.
Les courbes de simulation de la figure 7 correspondent à un rapport cyclique de 0,5, à une tension batterie de 800V, à un courant maximal délivré par la borne de 360A, et à une position de l’axe d du bobinage rotorique R alignée avec la position de l’axe a du bobinage statorique Ll. Les inductances statoriques LI, L2 et L3 valent 200pH (microHenry) dans ces simulations, et la fréquence de découpage est de 15kHz.
Une première courbe Alin montre l’ondulation de courant en fonction du déphasage choisi en abscisses, c’est-à-dire la différence entre la valeur maximale du courant lin en entrée de l’élévateur de tension, et la valeur minimale du courant lin en entrée de l’élévateur de tension.
Les points B sur cette première courbe Alin correspondent au schéma de commutation de la figure 2, les points E sur cette première courbe Alin correspondent au schéma de commutation de la figure 3, et le point C sur cette première courbe Alin correspond au schéma de commutation de la figure 5.
Cette première courbe Alin montre que le schéma de commutation proposé par l’invention présente une ondulation de courant en entrée de l’élévateur de tension bien moindre qu’avec une commande pulsée.
Une deuxième courbe Aid montre l’ondulation de la composante directe Id de courant statorique en fonction du déphasage choisi en abscisses, c’est-à-dire la différence entre la valeur maximale et la valeur minimale de cette composante directe Id.
Cette deuxième courbe Aid montre que le schéma de commutation proposé par l’invention permet une variation de cette composante directe Id bien plus faible que dans le cas d’une commande entrelacée, et donc beaucoup moins de pertes fer, bien que la position du rotor ne soit pas favorable à l’obtention d’une composante directe Id faible de courant statorique.
L’invention permet donc un très bon compromis entre la commande pulsée et la commande entrelacée.
Une troisième courbe Max | Id | montre la variation de la valeur absolue de la composante directe Id de courant statorique en fonction du déphasage choisi en abscisses, et une quatrième courbe Max | Iq | montre la variation de la valeur absolue de la composante quadratique Iq de courant statorique dans le repère de Park, en fonction du déphasage choisi en abscisses.
Une cinquième courbe <Is> montre la variation de la moyenne des courants statoriques II, 12, 13 en fonction du déphasage choisi en abscisses, et une sixième courbe <10> montre la variation de la moyenne de la composante homopolaire de courant statorique dans le repère de Park, en fonction du déphasage choisi en abscisses.
La figure 8 montre des courbes de simulation correspondantes à celles de la figure 7, les unités en abscisses et en ordonnées étant identiques et tous les paramètres de simulation étant identiques à l’exception de la position de l’axe d du bobinage rotorique R, qui est de 90° avec la position de l’axe du bobinage statorique relié à l’interrupteur bas commutant en opposition de phase avec les deux autres interrupteurs bas.
Pour ce meilleur cas de position du rotor, on constate que l’ondulation Afin du courant lin en entrée de l’élévateur de tension est identique à celle de la figure 7, mais que l’ondulation Aid de la composante directe Id de courant statorique correspondant au schéma de commutation proposé par l’invention, est quasi nulle. La tension induite Vf au rotor est donc quasi nulle et les pertes fer sont très faibles, en prépositionnant le rotor et en utilisant le schéma de commutation proposé par l’invention.
Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention.

Claims

REVENDICATIONS
1- Procédé de recharge (100) d’une batterie de traction (28) d’un véhicule électrique ou hybride, le véhicule comportant en outre une capacité de lissage (26) et un onduleur de traction (24), la capacité de lissage (26) et l’entrée de l’onduleur de traction (24) étant connectées aux bornes de la batterie de traction, les sorties de l’onduleur de traction (24) étant connectées à des bobinages statoriques (Ll, L2, L3) d’un moteur électrique (20) de traction du véhicule, et un point neutre (N) du moteur électrique (20) de traction étant connecté à une borne positive d’une source de tension (40) délivrant une tension (VDC) inférieure à la tension (Vbatt) aux bornes de la batterie de traction, l’onduleur de traction (24) ayant trois bras de commutation comportant chacun un interrupteur bas (1_L, 2_L, 3_L) et un interrupteur haut (1_H, 2_H, 3_H), le procédé de recharge (100) comportant une étape de recharge (140) de la batterie de traction (28) s’effectuant par application d’un rapport cyclique (a) de commutation aux interrupteurs (1_L, 2_L, 3_L,1_H, 2_H, 3_H), le procédé de recharge (100) étant caractérisé en ce que pendant l’étape de recharge (140), un premier (1_L) et un deuxième (2_L) des interrupteurs bas se ferment en phase tandis qu’un troisième (3_L) des interrupteurs bas s’ouvre et se ferme en opposition de phase par rapport aux premier (1_L) et deuxième (2_L) interrupteurs bas.
2- Procédé de recharge (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’étape de recharge (140) est précédée d’une étape de mesure (110) de la position angulaire d’un axe (d) d’un bobinage rotorique (R) du moteur électrique (20) de traction, et d’une étape de choix (130) du troisième interrupteur bas (3_L) comme celui des interrupteurs bas qui est apte à charger celui des bobinages statoriques (L3) d’axe (c) formant l’angle (y3) le plus important avec la position angulaire mesurée (P) de l’axe (d) du bobinage rotorique (R).
3- Procédé de recharge (100) selon la revendication 2, comportant une étape de pré -positionnement (120) de l’axe (d) du bobinage rotorique, orthogonalement à l’axe (c) d’un des bobinages statoriques (L3), suivant l’étape de mesure (110) et précédant l’étape de choix (130) du troisième interrupteur bas (3_L) comme étant celui qui est apte à charger ledit bobinage statorique (L3) d’axe (c) ainsi devenu orthogonal à l’axe (d) du bobinage rotorique (R). 4- Procédé de recharge (100) selon la revendication 3, dans lequel l’étape de prépositionnement (120) est conditionnée au fait qu’un des bobinages statoriques (LI, L2, L3) forme un angle (yl, y2, y3) avec l’axe (d) du bobinage rotorique (R), inférieur à une valeur seuil.
5- Procédé de recharge (100) selon la revendication 3 ou 4, dans lequel l’étape de pré -positionnement (120) comporte une étape d’alimentation du bobinage rotorique (R) et de deux des bobinages statoriques (LI, L2) distincts de la bobine statorique (L3) dont l’axe (c) est rendu orthogonal à l’axe (d) du bobinage rotorique (R) par l’étape de prépositionnement (120).
6- Véhicule électrique ou hybride comportant une batterie de traction (28), une capacité de lissage (26) et un onduleur de traction (24), la capacité de lissage (26) et l’entrée de l’onduleur de traction (24) étant aptes à être connectées aux bornes de la batterie de traction (28), les sorties de l’onduleur de traction (24) étant connectées à des bobinages statoriques (Ll, L2, L3) d’un moteur électrique (20) de traction du véhicule, et un point neutre (N) du moteur électrique (20) de traction étant apte à être connecté à une borne positive d’une source de tension (40) délivrant une tension (VDC) inférieure à la tension (Vbatt) aux bornes de la batterie de traction, l’onduleur de traction (24) ayant trois bras de commutation comportant chacun un interrupteur bas (1_L, 2_L, 3_L) et un interrupteur haut (1_H, 2_H, 3_H), le véhicule électrique ou hybride comportant des moyens de recharge de la batterie de traction (28) aptes à appliquer un rapport cyclique (a) de commutation aux interrupteurs (1_L, 2_L, 3_L,1_H, 2_H, 3_H), le véhicule électrique ou hybride étant caractérisé en ce que les moyens de recharge sont configurés pour fermer un premier (1_L) et un deuxième (2_L) des interrupteurs bas en phase et pour ouvrir et fermer un troisième (3_L) des interrupteurs bas en opposition de phase par rapport aux premier (1_L) et deuxième (2_L) interrupteurs bas.
7- Véhicule électrique ou hybride selon la revendication 6, comportant en outre un interrupteur (36) comportant une première borne reliée au point neutre (N) et une deuxième borne reliée à la borne positive de la source de tension (40), et un condensateur (22) connecté d’une part à la deuxième borne de l’interrupteur et d’autre part à une borne d’entrée négative de l’onduleur de traction (24).
8- Véhicule électrique ou hybride selon la revendication 6 ou 7, comportant en outre des moyens de mesure de la position angulaire d’un axe (d) d’un bobinage rotorique (R) du moteur électrique (20) de traction, et des moyens de choix du troisième interrupteur bas (3_L) comme celui des interrupteurs bas qui est apte à charger celui (L3) des bobinages statoriques d’axe formant l’angle (y3) le plus important avec la position angulaire mesurée (P) de l’axe (d) du bobinage rotorique (R) par les moyens de mesure.
9- Véhicule électrique ou hybride selon la revendication 8, comportent des moyens de pré -positionnement de l’axe (d) du bobinage rotorique (R), orthogonalement à l’axe (c) d’un des bobinages statoriques (L3), le troisième interrupteur bas (3_L) étant choisi par les moyens de choix comme étant celui apte à charger ledit bobinage statorique (L3) d’axe (c) rendu orthogonal à l’axe (d) du bobinage rotorique (R) par les moyens de prépositionnement.
10- Véhicule électrique ou hybride selon la revendication 9, dans lequel les moyens de pré -positionnement comportent des moyens d’alimentation du bobinage rotorique (R) et de deux des bobinages statoriques (LI, L2) distincts du bobinage statorique (L3) dont l’axe (c) est rendu orthogonal à l’axe (d) du bobinage rotorique (R) par les moyens de pré -positionnement.
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