Brevet FR2793198A1 — publié le 20001110

L'invention concerne un dispositif d'entraînement électrique de véhicule comportant une machine électrique pouvant fonctionner au choix en tant que moteur ou générateur et comportant une borne de tension continue, à laquelle peut être appliquée la tension d'alimentation d'une première source d'énergie et d'une seconde source d'énergie, et dans lequel la première source d'énergie est conçue pour une alimentation de charge de base de la machine électrique, et la seconde source d'énergie représente un accumulateur d'énergie, qui est conçu pour une alimentation de charge maximale de brève durée de la machine électrique et dans lequel une énergie de freinage du véhicule peut être stockée par l'intermédiaire de la machine électrique dans le mode de fonctionnement de cette dernière en générateur. Dans des dispositifs d'entraînement électrique de véhicules il se pose le problème consistant en ce qu'ils doivent satisfaire à des profils de charge qui varient fortement dans le temps. Des sources d'énergie ou des accumulateurs d'énergie utilisés habituellement ne peuvent cependant être optimisées que sur un profil de base déterminé. Des processus d'accélération requièrent la délivrance de pointes de puissance de brève durée, tandis qu'une charge de base constante est nécessaire pendant un intervalle de temps assez long dans le cas de déplacements plus longs à vitesse constante. Jusqu'alors, il n'existait aucun accumulateur d'énergie ni aucune source d'énergie pour délivrer une énergie électrique, qui soient appropriés, dans le cas d'une charge de puissance admissible, pour délivrer simultanément de grandes quantités d'énergie en un bref intervalle de temps et pour fournir une charge de base invariable pendant un intervalle de temps assez long. Grâce à un agencement correspondant des électrodes de la batterie, il est possible d'obtenir des puissances élevées pendant un bref intervalle de temps au moyen d'une batterie réglée de cette manière à cet effet, par exemple une batterie de démarreur au plomb. Un tel agencement conduit cependant à une capacité réduite d'accumulation d'énergie de la batterie. De même des batteries à base alcaline, comme par exemple des batteries nickel-hydrure métallique, permettent la délivrance de puissances élevées pendant un bref intervalle de temps. Cependant elles possèdent à cet effet également seulement une capacité limitée de stockage d'énergie. Des condensateurs sont également "des accumulateurs de puissance" typiques avec une capacité d'accumulation limitée. D'autre part, on connaît comme systèmes ayant une capacité élevée de stockage d'énergie, par exemple des batteries métal-air, avec lesquelles on peut obtenir des densités d'énergie gravimétriques atteignant jusqu'à 100 Wh/kg, c'est-à-dire plus du double des densités d'énergie que l'on peut obtenir dans les meilleurs accumulateurs d'énergie électrochimiques usuels. De telles batteries ne peuvent cependant être utilisées qu'avec une décharge dans une large mesure constante dans le temps. Une énergie de freinage convertie en une énergie électrique ne peut être bien stockée, dans le cas de freinages d'un véhicule, que dans des accumulateurs électriques d'énergie qui conviennent également pour absorber des pointes de puissance élevées. Une batterie présentant une résistance interne élevée et qui, en raison de sa caractéristique, n'est pas à même de délivrer des pointes de puissance élevées pour des accélérations, à la manière par exemple de batteries nickel/hydrure métallique, ne peut également pas absorber toute l'énergie qui apparaît dans de tels freinages d'utilisation. Inversement, dans le cas d'une capacité de stockage limitée, des batteries de démarreurs au plomb ainsi que des blocs de condensateurs et des volants d'inertie sont à même d'absorber des puissances élevées, pendant un bref intervalle de temps, qui apparaissent lors de la conversion d'une énergie de freinage en une énergie électrique. Contrairement aux batteries, des piles à combustibles représentent des sources d'énergie électrique, dans lesquelles aucune charge électrique n'est stockée. Si l'énergie d'entraînement électrique est produite au moyen d'une pile à combustible, aucune accumulation en retour d'une énergie de freinage n'est possible sans un accumulateur supplémentaire d'énergie électrique. Dans ce cas, l'énergie de freinage transformée en énergie électrique peut être dissipée uniquement sans possibilité de réutilisation pour le dispositif d'entraînement de véhicule, dans une résistance de freinage électrique. Un dispositif d'entraînement électrique de véhicule du type indiqué plus haut est connu d'après DE 41 18 594 Cl. Deux accumulateurs d'énergie électrique comportant des profils de charge respectifs sont associés au dispositif d'entraînement de véhicule indiqué dans ce document. L'envoi d'une énergie électrique est réglé au choix depuis un accumulateur d'énergie, depuis l'autre accumulateur d'énergie ou depuis les deux accumulateurs d'énergie au dispositif d'entraînement électrique du véhicule, au moyen d'un dispositif de commande et de régulation de fonctionnement de décharge. Le premier accumulateur d'énergie est une batterie de grande puissance, qui peut délivrer une alimentation de charge de base dans une large mesure constante, et le second accumulateur d'énergie est formé par une batterie plus petite qui, dans le cas de l'apparition de pointes de charge, est branchée en supplément du premier accumulateur d'énergie. Les deux accumulateurs d'énergie sont chargés soit par une liaison à un réseau d'alimentation électrique soit dans le cas d'un fonctionnement en freinage ou en poussée du véhicule automobile associé au dispositif d'entraînement électrique du véhicule. D'après DE 195 22 563 A1 on connaît un véhicule électrique comportant une batterie de traction et un accumulateur à condensateur et dans lequel un freinage est prévu par l'intermédiaire du moteur d'entraînement électrique. L'énergie électrique récupérée est envoyée à l'accumulateur à condensateur et y est stockée temporairement. Un dépassement, qui réduit la durée de vie, du courant de charge maximum de la batterie de traction est de ce fait évité. DE 196 28 877 Ai décrit un véhicule automobile comportant une machine électrique et une batterie agencée sous la forme d'un gros accumulateur d'énergie et qui sert à délivrer une puissance d'entraînement constante. En outre, il est prévu un autre accumulateur d'énergie de grande puissance, qui est agencé sous la forme d'un condensateur de puissance, d'un accumulateur rotatif, d'un accumulateur à ressort ou d'un accumulateur de pression. Lors d'un déplacement à vitesse constante sur une chaussée plane, de l'énergie est prélevée uniquement du gros accumulateur d'énergie. Si une énergie supplémentaire est requise pour des processus d'accélération et des déplacements en montée, le prélèvement de cette énergie à partir de l'accumulateur d'énergie de grande puissance est possible. Il est prévu de freiner le véhicule automobile à l'aide de la machine électrique et de renvoyer au moins en partie l'énergie libérée aux accumulateurs d'énergie. D'après la demande de brevet publiée GB 2 271 228 A on connaît un système d'alimentation en courant sans interruption, dans lequel une charge devant être alimentée est alimentée dans des conditions normales par un système d'alimentation en courant principal, tandis qu'une batterie est découplée de la charge et d'une unité de charge. Lors d'une interruption de l'alimentation principale en courant, une énergie est délivrée à la charge alimentée, à partir de la batterie, par l'intermédiaire d'un mutateur commandable et d'un transformateur, dont un enroulement est connecté à la branche du pont du mutateur. Dans le cas de la présence de conditions prédéterminées, la batterie peut être chargée à partir de l'alimentation en courant principale par l'intermédiaire de l'unité de charge. La demande de brevet publiée JP 09-009417 A décrit un convertisseur continu-continu bidirectionnel, qui est constitué de deux mutateurs et d'un transformateur intercalé et est alimenté par l'intermédiaire aussi bien d'une borne d'une batterie principale, qui est reliée à une borne à tension continue d'une machine électrique, qu'à une autre batterie, qui est prévue pour l'alimentation d'une machine auxiliaire. Le brevet DE 198 10 467 Cl publié ultérieurement décrit un système d'entrainement hybride pour des véhicules à pile à combustible, qui inclut un convertisseur continu- continu, qui est disposé entre un accumulateur d'énergie et une machine électrique pouvant être entraînée au choix en tant que moteur ou générateur. D'autre part, à la machine électrique est raccordée une pile à combustible, qui, en dehors de l'alimentation de la machine électrique, peut réaliser également la charge de l'accumulateur d'énergie par l'intermédiaire du convertisseur continu-continu. L'invention a pour but d'indiquer un dispositif d'entrainement électrique de véhicule du type mentionné plus haut, dans lequel une source d'énergie est conçue pour l'alimentation de la charge de base et l'autre source d'énergie agencée en tant qu'accumulateur d'énergie est conçue pour des pointes de charge de brève durée, et une énergie de freinage peut être récupérée et utilisée avec un bon rendement. Ce problème est résolu à l'aide d'un dispositif d'entraînement électrique de véhicule, dans lequel la seconde source d'énergie, qui représente un accumulateur d'énergie, est couplée par l'intermédiaire d'un convertisseur continu-continu bidirectionnel à une borne d'alimentation de la première source d'énergie, qui est reliée à la borne de tension de continue de la machine électrique. De cette manière, lors d'opérations de freinage une énergie de freinage peut être envoyée à la seconde source d'énergie agencée en tant qu'accumulateur d'énergie, et inversement il est possible, dans le cas de la présence de pointes de charge, de faire fonctionner la machine électrique avec une énergie provenant de la seconde source d'énergie. En outre il existe la possibilité de charger la seconde source d'énergie avec l'énergie de la première source d'énergie par l'intermédiaire du convertisseur continu- continu. Selon une variante de réalisation de l'invention, un élément de blocage du courant est associé à la première source d'énergie pour éviter des courants de retour. De cette manière la première source d'énergie peut être protégée vis-à-vis de surcharges, qui peuvent apparaître lors de la récupération d'une énergie de freinage ou même dans le cas de la présence de pointes de charge, lors de l'apparition desquelles la machine électrique fonctionne avec une énergie délivrée par la seconde source d'énergie. Selon une variante de réalisation de l'invention, le convertisseur continu-continu bidirectionnel est constitué par deux mutateurs identiques, commandables de façon cadencée monté selon un circuit en pont monophasé avec respectivement un enroulement de transformateur dans la branche du pont. De cette manière au moyen d'un cadencement approprié des mutateurs, il est possible d'envoyer l'énergie de freinage récupérée de la seconde source d'énergie électrique réalisée en tant qu'accumulateur d'énergie, ou de faire fonctionner la machine électrique aussi bien avec une énergie provenant de la première source d'énergie électrique que de la seconde source d'énergie électrique. Une forme de réalisation avantageuse de l'invention est représentée sur la figure unique et va être décrite ci- après. La figure unique représente un schéma-bloc d'un dispositif d'entraînement électrique de véhicule. Le dispositif d'entrainement électrique représenté 1 dans le véhicule comporte un onduleur triphasé 3, auquel est raccordée une machine 53 à excitation permanente. Cependant le dispositif d'entraînement peut être également agencé sous la forme d'un dispositif d'entraînement d'un autre type quelconque, convenant pour une alimentation en courant continu. Le dispositif d'entraînement 1 de véhicule comporte une borne de tension continue 4a, 4b, à laquelle est raccordée, par l'intermédiaire d'une diode 5 intercalée, une première source d'énergie agencée sous la forme d'une batterie de traction 6. Cette source d'énergie est protégée par la diode 5 vis-à-vis de courants de retour éventuellement nuisibles. Sinon la première source d'énergie peut être également agencée sous la forme d'une pile à combustible. Un premier mutateur 7 est branché entre la première source d'énergie 6 pourvue de la diode 5 et le dispositif d'entraînement 1 du véhicule. Ce mutateur 7 est couplé inductivement à un mutateur 8 par l'intermédiaire d'un transformateur pourvu d'enroulements 11, 12. Le second mutateur 8 est associé à une source d'énergie de puissance 9, qui fonctionne en tant que seconde source d'énergie pour le dispositif d'entraînement 1 de véhicule. L'accumulateur d'énergie de puissance 9 est formé par exemple par un condensateur qui convient pour la délivrance et l'absorption de pointes de puissance de courte durée, qui apparaissent lors d'une accélération et d'un freinage du véhicule automobile, qui est entraîné par le dispositif d'entraînement électrique. Les mutateurs 7 et 8 couplés inductivement forment conjointement un convertisseur continu-continu et sont agencés respectivement sous la forme d'un circuit en pont monophasé. Ils contiennent des éléments de commutation 10 agencés en tant que transistors de manière à pouvoir délivrer le cas échéant un courant alternatif, qui circule dans la branche ascendante du pont, pour l'enroulement primaire ou secondaire 11, 12 du transformateur. A la place des transistors bipolaires 10 représentés, on peut également utiliser d'autres composants semiconducteurs appropriés, comme par exemple des transistors IGBT ou MOS- FET. La transmission de puissance et le sens de transmission du convertisseur continu-continu formé par les mutateurs 7 et 8 est déterminée par une commande appropriée des transistors 10 sur une fréquence de commande qui est autant que possible supérieure au seuil audible. En modifiant le taux d'impulsions, on peut régler la puissance transmise et notamment grâce à un cadencement approprié des éléments de commutation 10, le rapport de transmission de tension entre la batterie de traction 6 et l'accumulateur d'énergie de puissance 9 peut être fixé. Le rapport des nombres de spires entre les enroulements primaire et secondaire 11, 12 du transformateur est choisi de telle sorte qu'il correspond à une multiplication de tension, qui permet d'avoir un taux d'impulsions approprié en rapport avec des puissances de perte de commutation des transistors 10. Pour l'obtention rapide d'une puissance accrue au moyen de l'accumulateur de puissance 9 pour l'accélération du véhicule entraîné par le dispositif d'entraînement électrique, les transistors 10 situés dans le mutateur 8 sont commandés de façon cadencée de telle sorte qu'un signal de tension alternative est transmis depuis l'enroulement secondaire 12 situé dans le mutateur 8 à l'enroulement primaire 11 situé dans le mutateur 7, signal qui est redressé dans ce mutateur par des diodes 13. Si le processus d'accélération est terminé, la puissance normale moyenne de déplacement est à nouveau fourni par l'intermédiaire de la batterie de traction 6, auquel cas dans la mesure o cela est nécessaire, le convertisseur continu-continu formé par les mutateurs 7 et 8 exécute une recharge complémentaire de l'accumulateur d'énergie de puissance 9. La recharge est exécutée autant que possible uniquement jusqu'à une valeur qui est inférieure, et ce de la valeur d'énergie d'un freinage utile typique, au-dessous de l'état de charge complète, de manière à permettre ainsi dans tous les cas une récupération de l'énergie de freinage lors d'un processus de freinage. Le montage pour les éléments de commutation à semiconducteurs dans les mutateurs 7 et 8 est réalisé avantageusement sous la forme d'un composant enrobé ou encapsulé. L'accumulateur d'énergie de puissance 9 agencé en tant que condensateur peut sinon être également réalisé en tant que batterie électrochimique ou en tant qu'accu- mulateur à volant auquel est raccordé un transducteur mécano-électrique. Les caractéristiques physiques d'un tel accumulateur à volant sont comparables dans une large mesure aux caractéristiques d'un accumulateur d'énergie de puissance basé sur un condensateur. Mais alors que dans le cas d'accumulateurs d'énergie basés sur un condensateur, la capacité de l'accumulation d'énergie est proportionnelle au carré de la tension, dans le cas d'accumulateurs d'énergie à volant, l'énergie stockée dépend du carré de la vitesse de rotation. Dans le cas o un convertisseur à excitation constante est associé au volant, la vitesse de rotation du volant est approximativement proportionnelle à la tension aux bornes de sorte que l'énergie électrique stockée par le volant est proportionnelle au carré de la tension aux bornes de l'accumulateur à volant. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'entraînement électrique de véhicule comportant - une machine électrique (3) pouvant fonctionner au choix en tant que moteur ou générateur et comportant une borne de tension continue (4a, 4b), à laquelle peut être appliquée la tension d'alimentation d'une première source d'énergie (6) et d'une seconde source d'énergie (9), et dans lequel - la première source d'énergie (6) est conçue pour une alimentation de charge de base de la machine électrique, et - la seconde source d'énergie (9) représente un accumulateur d'énergie, qui est conçu pour une alimentation de charge maximale de brève durée de la machine électrique (3) et dans lequel une énergie de freinage du véhicule peut être stockée par l'intermédiaire de la machine électrique (3) dans le mode de fonctionnement de cette dernière en générateur, caractérisé en ce que - la seconde source d'énergie (9), qui représente un accumulateur d'énergie, est couplée par l'intermédiaire d'un convertisseur continu-continu bidirectionnel à une borne d'alimentation de la première source d'énergie (6), qui est reliée à la borne de tension de continue (4a, 4b) de la machine électrique. 2. Dispositif d'entraînement électrique de véhicule selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un élément (5) de blocage du courant est associé à la première source d'énergie (6), pour éviter des courants de retour. 3. Dispositif d'entraînement électrique pour véhicule selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le convertisseur continu-continu bidirectionnel est constitué par deux mutateurs (7, 8), qui sont agencés de la même façon et peuvent être commandés de façon cadencée, dans un circuit en pont monophasé comportant respectivement un enroulement de transformateur (11, 12) situé dans la branche du pont.