Brevet FR2797723A1 — publié le 20010223

i La présente invention concerne d'une manière générale des systèmes de charge de véhicules électriques et plus particulièrement un système perfectionné pour comman- der la puissance de charge dans des systèmes de charge de véhicules électriques. L'auteur de la présente invention réalise la conception et le développement de systèmes de charge de véhicules électriques. Un moyen simple et bon marché de charger une batterie d'un véhicule électrique avec une puissance élevée est de brancher en parallèle plusieurs chargeurs résonnants. Malheureusement étant donné qu'un nombre de plus en plus grand de chargeurs sont branchés en parallèle, la puissance de sortie pour chaque étage diminue considérablement. Il a été établi que cet effet peut être neutralisé par l'addition de condensateurs formant des qua- trièmes éléments distribués à chaque étage de chargeur et en utilisant les principes de la présente invention. Par le passé, on utilisait des chargeurs réson- nants formés de trois éléments. De tels chargeurs réson- nants formés de trois éléments présentent les limitations indiquées ciaprès. Les chargeurs résonnants formés de trois éléments ne peuvent pas réduire à zéro la puissance comme cela est requis dans un mode de charge de maintien. Les chargeurs résonnants à trois éléments ne fournissent pas un effet d'amplification de tension. Les chargeurs résonnants à trois éléments perdent beaucoup de puissance lorsque les étages sont branchés en parallèle. Dans le passé on a utilisé des chargeurs à quatre éléments. De tels chargeurs à quatre éléments peuvent réduire à zéro la puissance, mais ils perdent de la puis- sance lorsque des étages sont branchés en parallèle. C'est pourquoi il serait souhaitable de disposer d'un système perfectionné pour commander la puissance de charge dans des systèmes de charge de véhicules élec- triques. La présente invention apporte une solution à ce problème. La présente invention fournit un système de charge perfectionné dans lequel une pluralité de chargeurs résonnants parallèles sont utilisés pour charger la batte- rie d'un véhicule électrique. En utilisant des chargeurs résonnants parallèles classiques, lorsqu'un nombre de plus en plus grand de chargeurs sont branchés en parallèle, la puissance de sortie par étage diminue considérablement. Cet effet est neutralisé conformément à l'invention par l'addition d'un condensateur formant un quatrième élément distribué pour chaque étage de chargeur. Par conséquent une quantité importante de puissance de charge de la batterie est commandée d'une manière efficace par addition d'une capacité relativement faible à chaque étage de charge. Plus particulièrement, la présente invention fournit un système de charge de batterie pour charger une batterie d'un véhicule électrique, qui est couplé à une sonde de charge par l'intermédiaire d'un pont de diodes et d'un condensateur formant un quatrième élément, caractérisé en ce que le système comprend: une source de tension; une pluralité de chargeurs de batterie branchés en parallèle aux bornes de la source de tension et qui com- prennent chacun un circuit bouchon série et un transforma- teur d'isolation; une sonde de charge couplée aux transformateurs d'isolation de la pluralité de chargeurs de batterie bran- chés en parallèle; et un condensateur formant un quatrième élément distribué, couplé aux bornes des transformateurs respectifs d'isolation de chacun de la pluralité de chargeurs de bat- terie branchés en parallèle. Selon un autre aspect de l'invention il est prévu un système de charge de batterie pour charger une batterie d'un véhicule électrique, qui est couplé à une sonde de charge par l'intermédiaire d'un pont de diodes et d'un condensateur formant un quatrième élément, lequel système comprend une source de tension, une pluralité de chargeurs de batterie branchés en parallèle aux bornes de la source de tension et qui comprennent chacun un circuit bouchon série et un transformateur d'isolation, une sonde de charge couplée aux transformateurs d'isolation de la pluralité de chargeurs de batterie branchés en parallèle, caractérisé en ce qu'il est prévu un condensateur formant un quatrième élément distribué, couplé aux bornes des transformateurs respectifs d'isolation de chacun de la pluralité de chargeurs de batterie branchés en parallèle. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description donnée ci- après prise en référence aux dessins annexés, sur les- quels: - la figure 1 représente un système classique de charge de batterie utilisé pour charger une batterie à l'intérieur d'un véhicule électrique; - la figure 2 représente un modèle simplifié du système classique de charge de batterie de la figure 1; - la figure 3 représente un système classique de charge de batterie comportant deux chargeurs branchés en parallèle et délivrant une énergie à une seule borne de charge; - la figure 4 représente un modèle simplifié du système classique de charge de batterie représenté sur la figure 3; - la figure 5 est un graphique illustrant de quelle manière la puissance par étage varie dans un système classique à montage parallèle; et - la figure 6 représente un exemple de systèmes de charge de batteries conformément au principe de la pré- sente invention. En se référant aux figures du dessin, la figure 1 représente un système classique 10 de charge de batterie utilisé pour charger une batterie 18 à l'intérieur d'un véhicule électrique 19. Le système 10 de charge de batterie comprend un chargeur de batterie 20 comprenant une source de tension 11 (VIN), un circuit bouchon série 12 (ZS) com- prenant une inductance série 13a (Ls) et un condensateur série 13b (Cs), un transformateur d'isolation 14 (Li) et une sonde de charge 15a qui est un coupleur d'entrée inséré dans une borne de charge 15b. La sonde de charge 15a et la borne de charge 15b forment un transformateur de couplage qui couple la puis- sance provenant de la source de tension 11 (VIN) à la bat- terie 18. La source de tension 11 (VIN) est une onde carrée à haute fréquence, qui est produite à partir d'une sortie d'un réseau à 60 Hz. La borne de charge 15b est couplée par l'intermé- diaire d'un condensateur formant un quatrième élément 16 (C4) et par l'intermédiaire d'un pont de diodes 17 à la batterie 18. Le condensateur formant un quatrième élément 16, le pont de diodes 17 et la batterie 18 sont situés à l'intérieur du véhicule électrique 19. La borne de charge 15b est un coupleur inductif utilisé pour transférer l'énergie. Le rôle du transforma- teur d'isolation 14 est de permettre l'utilisation d'étages branchés en parallèle, même lorsque la source de tension 11 (VIN) est formée à partir de différentes phases dans un système triphasé à courant alternatif. La figure 2 représente un modèle simplifié du système 10 de charge de batterie représenté sur la figure 1. Si on met à part le transformateur d'isolation 14 (Li), alors le système 10 de charge de batterie forme un conver- tisseur résonnant série/parallèle comprenant quatre éléments. Ce convertisseur contient deux circuits bouchons. Le circuit bouchon série (ZS) contient l'inductance série 13a (Ls) et le condensateur série 13b (Cs). Le circuit bou- chon parallèle (Zp) comprend la sonde de charge 15a (Lm) et le condensateur formant un quatrième élément 16 (C4). Le rapport ZS/Zp est la clé permettant de comprendre pourquoi le condensateur formant un quatrième élément 16 (C4) augmente la puissance aux basses fréquences, réduit la puissance aux hautes fréquences et entraîne une réduction de puissance lorsque les étages sont branchés en parallèle. La figure 3 représente un système classique 10 de charge de batterie comportant deux chargeurs de batterie 20 branchés en parallèle et alimentant en énergie une seule borne de charge 15b. La figure 4 représente un modèle sim- plifié du système 10 de charge de batterie représenté sur la figure 3. Sur la figure 4, la capacité du condensateur série 13b (Cs) est doublée, tandis que la valeur de l'inductance série 13a (Ls) est diminuée de moitié. L'impédance du circuit bouchon série (ZS) diminue de moitié, mais l'impédance du circuit bouchon parallèle (Zp) ne diminue pas de moitié. La taille du transformateur d'isolation 14 (Li) est habituellement 10 fois supérieure à la taille de la sonde de charge 15a (Lm). L'inductance totale passe de LmilLi à LmIlLiilLi. La capacité du condensateur formant un quatrième élément 16 (C4) ne varie absolument pas. Il en résulte que la taille du circuit bouchon parallèle (Zp) est réduite uniquement d'une faible valeur. Ceci entraîne une réduction du rapport ZS/Zp. Ceci entraîne une perte de puissance pour chaque étage. On peut expliquer ceci de deux façons. La tension de résonance (VREs) indiquée sur la figure 4 se décharge fréquemment étant donné que les diodes du pont de diodes 17 sont polarisées en inverse. Il en résulte que le courant résonnant (IRES) circulant dans le circuit bouchon série (ZS) doit s'établir en traversant le circuit bouchon parallèle (Zp). Pour doubler la puissance de sortie, le courant résonnant (IRES) doit être doublé. Cependant, lorsque la batterie 18 n'est pas verrouillée, le courant résonnant (IRES) peut doubler uniquement si l'impé- dance du circuit bouchon série (ZS) et l'impédance du circuit bouchon parallèle (Zp) diminuent de moitié. Mais, comme cela a été indiqué précédemment, seule l'impédance du circuit bouchon série (ZS) diminue de moitié. Une autre façon de considérer cette perte d'éner- gie est un peu plus complexe. La topologie du système 10 de charge de batterie représenté sur la figure 4 présente cer- taines des caractéristiques d'un convertisseur élévateur. Il peut fournir un gain de tension même si on utilise un transformateur 1 à 1. Dans cette topologie, la tension aux bornes de chaque condensateur série 13b est faible par rapport à la tension aux bornes de chaque inductance série 13a. C'est pourquoi l'inductance série 13a (Ls) agit en tant qu'inductance élévatrice. Le pont de diodes 17 agit en tant que diode à effet de volant. La tension variable aux bornes du circuit bouchon parallèle (Zp) agit en tant que commutateur d'élévation ou d'amplification. Lorsque les diodes sont polarisées en inverse, le courant de charge de LS traverse ZS et le circuit bouchon parallèle (Zp). Lorsque les diodes sont polarisées dans le sens direct, le circuit bouchon série (ZS) se décharge dans la batterie. Le courant de décharge de LS ne peut être intense que si le courant de charge du circuit bouchon série (ZS) est intense. Ceci peut se produire uniquement si à la fois les courants dans le circuit bouchon série (ZS) et dans le circuit bouchon parallèle (Zp) sont faibles. Si le circuit bouchon parallèle (Zp) ne peut pas se tenir au niveau de ZS, de la puissance est alors perdue. Etant donné que la tension VLS peut devenir aussi élevée que 2*Vin, des gains de tension aussi élevés que deux peuvent être obtenus avec cette topologie, mais uniquement si le circuit bouchon parallèle (Zp) est maintenu à un niveau bas grâce à l'utilisation intensive du condensateur formant un quatrième élément 16 (C4). La figure 5 illustre de quelle manière la puissance par étage varie dans un système parallèle 10 sous l'effet du rapport ZS/(ZS+Zp). On suppose qu'il est prévu un seul étage ayant un rapport d'environ 0,3. La puissance présente alors un maximum comme représenté sur la figure 5, au niveau du point B. Si la fréquence de la tension d'entrée VIN augmente, le condensateur formant quatrième élément 16 (C4) apparaît comme étant un court-circuit. Ceci a pour effet que la valeur du circuit bouchon parallèle (Zp) diminue plus rapidement que la valeur du circuit bouchon série (ZS), ce qui provoque une baisse de la tension VRES sur la figure 2. Une fois que la tension VRES est tombée au-dessous de la tension VBAT, alors aucune énergie n'est envoyée à la batterie 18. Ceci se produit au niveau du point C sur la figure 5. Dans ce cas, le condensateur formant un quatrième élément 16 (C4) contribue à réduire à zéro la puissance transmise. Pour obtenir un transfert de puissance maximum, il faut que la tension VRES soit élevée de manière à aug- menter le courant IRES, mais ce courant ne peut pas être trop intense. Si le courant IRES devient trop intense, alors la tension VRES se rapproche trop de la tension VBAT, ce qui interrompt l'envoi d'énergie à la batterie 18. Il en résulte qu'il n'existe qu'un seul point optimum de puis- sance, qui est représenté en tant que point B sur la figure 5. Si le fonctionnement se situe au niveau du point B et si un nombre de plus en plus grand d'étages sont bran- chés en parallèle, alors la valeur du circuit bouchon série (ZS) diminue de plus en plus par rapport à la valeur du circuit bouchon parallèle (Zp). Comme cela a été décrit précédemment, ceci conduit à une perte de puissance. Ceci est représenté sous la forme d'un abaissement du point B au point A sur la figure 5. Pour compenser ceci et obtenir un déplacement du point A avec retour au point B, il faut réduire la valeur du circuit bouchon parallèle (Zp). Ceci peut être exécuté moyennant un accroissement de la valeur du condensateur formant quatrième élément 16 (C4). Malheu- reusement, le condensateur formant quatrième élément 16 (C4) est situé à l'intérieur du véhicule électrique 19 et ne peut pas être modifié. Conformément aux principes de la présente inven- tion (voir figure 6), un moyen d'éliminer ce problème consiste à ajouter des condensateurs formant des quatrièmes éléments distribués 16a et 16b (C4D1 et C4D2) à chaque étage de chargeur 20. Les condensateurs formant des quatrièmes éléments distribués 16a et 16b (C4D) sont représentés sous la forme de condensateurs 16a et 16b (C4D1, C4D2, etc.). Les condensateurs distribués 16a et 16b (C4D1, C4D2) jouent un rôle équivalent au condensateur formant un quatrième élément 16 (C4), ce qui réduit la valeur du circuit bouchon parallèle (Zp) et augmente la puissance. Dans une forme de réalisation de la présente invention, qui a été utilisée dans la pratique, la valeur de la capacité du condensateur formant un quatrième élément 16 (C4) est égale à 39 nF et les valeurs des capacités des condensateurs formant des quatrièmes éléments distribués 16a et 16b (C4D1 et C4D2) sont égales à 5,6 nF. Par conséquent, en utilisant la présente inven- tion, une quantité importante de la puissance de charge de la batterie est commandée d'une manière efficace par addi- tion d'une capacité relativement faible à chaque étage de charge 20. La présente invention a été mise en oeuvre dans la pratique et s'est avérée bien fonctionner. L'adjonction des condensateurs formant des quatrièmes éléments distribués 16a et 16b (C4D1 et C4D2) conduit à une faible ondulation à haute fréquence dans le système de charge 10. On peut utiliser des filtres électriques (non représentés) pour amortir cette ondulation. D'après la description qui précède, il est évi- dent que des aspects clés de la présente invention résident dans l'utilisation de condensateurs formant des quatrièmes éléments non distribués et distribués 16, 16a et 16b pour réduire la puissance de charge à zéro aux hautes fréquences, la capacité d'accroître la puissance de charge aux basses fréquences et la possibilité de compenser la perte de puissance lors du branchement en parallèle de plusieurs chargeurs 20. Ainsi on a décrit un système perfectionné pour commander la puissance de charge dans des systèmes de charge de véhicules électriques. On comprendra que la forme de réalisation décrite précédemment est donnée uniquement à titre d'illustration de l'une des nombreuses formes de réa- lisation spécifiques qui représentent des applications des principes de la présente invention. Il est évident que de nombreuses formes de réalisation et d'autres formes de réa- lisation peuvent être aisément envisagées par les spécia- listes de la technique sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système (10) de charge de batterie pour charger une batterie (18) d'un véhicule électrique, qui est couplé à une sonde de charge (15) par l'intermédiaire d'un pont de diodes (17) et d'un condensateur formant quatrième élément (16), caractérisé en ce que le système comprend: une source de tension (11); une pluralité de chargeurs de batterie (12, 13, 16a; 12, 13, 16b) branchés en parallèle aux bornes de la source de tension et qui comprennent chacun un circuit bouchon série et un transformateur d'isolation; une sonde de charge (15) couplée aux transformateurs d'isolation (14) de la pluralité de chargeurs de batterie branchés en parallèle; et un condensateur formant un quatrième élément distribué (16a; 16b), couplé aux bornes des transformateurs respectifs (14) d'isolation de chacun de la pluralité de chargeurs de batterie branchés en parallèle. 2. Système (10) de charge de batterie pour charger une batterie (18) d'un véhicule électrique, qui est couplé à une sonde de charge (15) par l'intermédiaire d'un pont de diodes (17) et d'un condensateur formant un quatrième élé- ment (16), lequel système comprend une source de tension (11), une pluralité de chargeurs de batterie branchés en parallèle aux bornes de la source de tension et qui comprennent chacun un circuit bouchon série (12, 13) et un transformateur d'isolation (14), et une sonde de charge (15) couplée aux transformateurs d'isolation de la pluralité de chargeurs de batterie branchés en parallèle, caractérisé en ce qu'il est prévu un condensateur formant un quatrième élément distribué (16a, 16b), couplé aux bornes des transformateurs d'isolation respectifs (14) de chacun de la pluralité de chargeurs de batterie branchés en parallèle.