Brevet FR2934217A1 — publié le 20100129

CHAINE DE TRACTION ELECTRIQUE POUR VEHICULE AUTOMOBILE. DOMAINE DE L'INVENTION L'invention se rattache au domaine de l'automobile, et plus particulièrement des véhicules incluant une chaîne de traction électrique. Elle vise plus spécifiquement des agencements particuliers permettant d'améliorer le temps de recharge de la batterie d'accumulateurs électriques délivrant la puissance de traction. TECHNIQUES ANTERIEURES De façon générale, les véhicules incluant une chaîne de traction électrique comportent une batterie d'accumulateurs dimensionnés pour délivrer la puissance nécessaire à la fonction de traction. Cette batterie alimente un moteur électrique par l'intermédiaire d'un convertisseur statique. Le rôle de ces convertisseurs est de générer un système de tensions alternatives, avantageusement triphasé, qui sont directement appliquées au moteur. Ce type de convertisseur fonctionne donc en tant qu'onduleur, et délivre donc un système de tensions, dont l'amplitude et la fréquence sont commandées pour délivrer le couple requis. Un problème d'ores et déjà identifié en ce qui concerne les véhicules à chaîne de traction électrique, concerne la phase de recharge des batteries d'accumulateurs. Par comparaison avec les véhicules à moteur thermique, la phase de recharge en énergie est beaucoup plus longue. En effet, avec les techniques connues à ce jour, il est nécessaire d'immobiliser le véhicule pendant des temps de l'ordre de l'heure ou plus, afin d'alimenter la batterie embarquée via une source de tension réseau. De manière générale, la recharge des batteries se fait par la connexion de ces dernières sur un chargeur qui peut être interne ou externe. Avec le type de convertisseurs embarqués disponibles à ce jour, ces opérations de recharge peuvent prendre plusieurs heures, elles sont donc généralement effectuées la nuit, lorsque le véhicule est à l'arrêt. 2934217 -2- Il existe par ailleurs des chargeurs externes permettant des opérations de recharge plus rapides, mais qui sont d'un coût trop important pour permettre leur déploiement à grande échelle. De plus, ces types de chargeurs spécifiques ne sont pas 5 toujours compatibles avec la très grande variété de borniers de connexion que l'on retrouve sur le parc de véhicules électriques. Une solution a déjà été proposée par le document EP-0 603 778 pour assurer la recharge des batteries d'accumulateurs. Le principe consiste à connecter une source 10 d'alimentation électrique extérieure aux bornes des enroulements statoriques du moteur. De la sorte, les enroulements du moteur jouent le rôle de composants inductifs, et l'onduleur auquel ils sont connectés assure la fonction de de convertisseur à découpage pour la recharge de la batterie. 15 Un problème rédhibitoire que présente cette solution réside dans la génération d'un couple moteur lors du passage du courant de recharge dans les enroulements statoriques, pendant les phases de recharge de la batterie. En effet, les moteurs synchrones à aimants ou les moteurs asynchrone utilisés dans cette solution présentent l'avantage de ne pas nécessiter d'alimentation en courant des pièces tournantes, mais ils 20 présentent en revanche l'inconvénient de générer un couple dès lors que leurs enroulements statoriques sont traversés par un courant alternatif triphasé. L'existence de ce couple, même faible lorsque le rotor est immobilisé, constitue d'autant plus un inconvénient qu'en cas de choc, même léger, lors de la charge, ce couple moyen ramené aux roues par le moteur augmente de façon très significative et sera d'autant 25 plus important que le courant de charge circulant dans les enroulements machines est élevé. En effet le moindre mouvement du rotor dans le sens du champ tournant statorique lié au passage du courant de charge aura pour conséquence d'engendrer un couple dans le même sens, du fait d'un emballement par accrochage des champs rotoriques et statoriques, avec la conséquence désastreuse du démarrage intempestif du 30 véhicule. 2934217 -3- On conçoit donc que le risque existe de voir le véhicule se déplacer inopinément. Ce risque est d'autant plus dangereux que pour un véhicule électrique le ralenti n'existe pas, le véhicule étant parfaitement silencieux à vitesse nulle. En effet, il n'est pas possible de distinguer un véhicule arrêté au sens stoppé et un véhicule à 5 vitesse nulle mais prêt à accélérer si on sollicite la pédale d'accélérateur. Aussi est-il absolument nécessaire de s'assurer par un moyen radical, qu'un véhicule en stationnement ne présente aucun risque de remise en route. Pour cela la réglementation prévoit que le système électrique soit muni d'un dispositif de coupure assurant qu'aucune traction ne soit possible dans cet état. Tel n'est pas le cas dans le système 10 décrit dans le document EP-0 603 778, qui préconise l'immobilisation du véhicule en bloquant les roues du véhicule par le système de freinage. Cette solution n'est pas du tout satisfaisante, car elle ne satisfait pas la réglementation en vigueur consistant à assurer une coupure électrique du système de traction à l'arrêt du véhicule. Egalement, elle spécule uniquement sur la fonction frein de parking comme rempart au démarrage 15 du véhicule, ce qui n'est pas suffisant pour immobiliser un véhicule lorsque le moteur de traction est activé. En outre, lorsque les roues sont bloquées, l'intégralité de la transmission entre la sortie du moteur et les essieux sont le siège de contraintes mécaniques et de vibrations, notamment à la fréquence d'alimentation de la source d'alimentation extérieure et à ses harmoniques. 20 Le problème que se propose donc de résoudre l'invention est de permettre la recharge de la batterie d'accumulateurs de façon améliorée et notamment en évitant de soumettre les organes mécaniques de transmission à des contraintes mécaniques importantes et en supprimant tout risque de couple moyen non nul sur l'arbre de 25 transmission lors de la charge. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention concerne donc une chaîne de traction pour véhicules automobiles, comprenant de façon connue : 30 - une source d'énergie embarquée rechargeable ; 2934217 -4- - un convertisseur statique, apte à délivrer un système de tensions triphasées, connecté en entrée à ladite source d'énergie rechargeable ; - un moteur électrique triphasé alimenté par le système de tensions triphasées délivré par le convertisseur statique ; 5 et dans lequel une source d'énergie électrique externe peut être connectée au bobinage statorique du moteur, pour permettre la recharge de la source d'énergie embarquée au travers du convertisseur statique. Conformément à l'invention, la chaîne de traction se caractérise en ce que le 10 moteur est du type synchrone à excitation séparée, pour lequel l'alimentation du rotor est interrompue lors des phases de recharge. Autrement dit, les moteurs employés présentent un rotor qui inclut un enroulement par lequel est généré le champ rotorique avec lequel réagit le champ 15 tournant généré par les enroulements statoriques. Cette excitation peut être annulée sur commande lors d'une phase de recharge, afin d'annuler, ou à tout le moins de réduire de manière très importante, le couple généré par le courant traversant les enroulements statoriques, pendant cette même phase de recharge. Ainsi, la contrainte de disposer d' un rotor devant être alimenté par des contacts tournants se trouve largement compensée 20 par le fait que la recharge de la batterie peut se faire directement par la connexion à un réseau d'alimentation extérieur, triphasé en particulier, mais monophasé également, sans engendrer de contraintes mécaniques importantes ni présenter de risque d'appliquer un couple moyen non nul sur la transmission en sortie du moteur En pratique, chaque enroulement statorique peut comporter une paire de bornes 25 indépendantes, chaque enroulement ayant une borne reliée au convertisseur statique, l'autre borne étant alternativement connectée soit à un point commun formant le neutre, pendant les phases de roulage, soit à un bornier de connexion à la source d'énergie extérieure, pendant les phases de charge. Autrement dit, on choisit un bobinage du stator du moteur consistant à ne pas relier directement le neutre des trois phases dans le 30 moteur, mais à ressortir les retours de phase à l'extérieur pour pouvoir les connecter à la source d'alimentation extérieure. 2934217 -5- Avantageusement, en pratique, la chaîne de traction peut comporter un ensemble d'organes de relayage, électromécaniques ou électroniques par exemple, aptes à assurer la connexion des bornes des enroulements statoriques au point commun, 5 en dehors des phases de recharge. Autrement dit, la connexion de neutres peut être réalisée à l'intérieur ou à l'extérieur de la machine par la fermeture d'un ensemble de relais assurant le court circuit entre les retours de phase. Dans une variante de réalisation, la chaîne de traction peut comporter un 10 connecteur bouchon formant lui-même le point commun, et apte à assurer la connexion des bornes de retour de phase de tous les enroulements statoriques, en dehors des phases de recharge. A l'inverse, pendant les phases de recharge, le bornier de connexion auquel sont 15 reliées les bornes de retour de phase, peut être relié à une source d'alimentation extérieure, soit triphasée, soit monophasée. Dans ce dernier cas, deux des enroulements statoriques sont alors connectés ensemble à la même borne de la source de tension d'alimentation extérieure. 20 Selon les cas de figures, le bornier de connexion peut être relié à la source d'alimentation extérieure par l'intermédiaire d'un transformateur, en particulier abaisseur lorsqu'il s'agit d'utiliser un réseau d'alimentation en tension secteur. DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES 25 La manière de réaliser l'invention, ainsi que les avantages qui en découlent, ressortiront bien de la description des modes de réalisation qui suivent, à l'appui des figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 est un schéma illustrant les différents éléments constituant la chaîne de traction, montré en mode de roulage ; 30 - la figure 2 est un schéma analogue à la figure 1, montrant une variante de réalisation du neutre du moteur ; 2934217 -6- les figures 3 à 6 sont des schémas analogues à la figure 1, montrant la chaîne de traction dans des modes de recharge de la batterie, selon différentes variantes de cette source extérieure d'alimentation. 5 DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION Comme illustré à la figure 1, la chaîne de traction 1 se compose principalement d'une batterie 2 dont les bornes de sortie 3,4 sont reliées à un convertisseur statique 5 assurant la fonction d'onduleur. Cet onduleur 5 comporte une capacité d'entrée 6 et différents bras 7 comportant chacun deux interrupteurs statiques, entre lesquels sont 10 connectées les bornes de sortie 8. Lorsque l'onduleur est commandé de façon appropriée, les tensions présentes entre les bornes de sortie 8 forment un système de tensions triphasées. Cet onduleur 5 alimente un moteur 10 comportant trois enroulements statoriques 11,12,13. Les bornes de sortie 8 de l'onduleur sont reliées à une des bornes 14,15,16 de chaque enroulement statorique 11,12,13. Les bornes de 15 retour de phase 17,18,19 des enroulements statoriques 11,12,13 sont quant à elles reliées à un bornier de connexion 25, auquel sera reliée la source d'alimentation extérieure. Dans la forme illustrée à la figure 1, les trois bornes 17, 18,19 de retour de 20 phase de chaque enroulement statorique sont connectées entre elles par l'intermédiaire d'un connecteur bouchon 27. Le fonctionnement du moteur est assuré par l'alimentation appropriée de l'enroulement rotorique 23 et la commande en adéquation de l'onduleur 5. 25 Dans la variante illustrée à la figure 2, les différentes bornes de retour de phase 17, 18,19 sont connectées entre elles par la présence de deux relais 30 et 31. Les contacts de ces relais 30,31 sont fermés en mode de roulage, pour assurer à leur niveau le court circuit des retours de phase. Les contacts de ces relais sont ouverts au contraire 30 en mode de recharge. Ces relais peuvent être réalisés selon différentes technologies, sans incidence sur le principe de l'invention. 2934217 -7- Lorsque la batterie du véhicule doit être rechargée, la chaîne de traction est configurée comme illustré à la figure 3. Dans ce cas, une source d'alimentation extérieure 35, triphasée de préférence, est alors reliée au bornier de connexion 25. De la 5 sorte, l'alimentation du rotor étant coupée, le système de tensions secteur 35 est appliqué via les bobinages statoriques jouant le rôle d'éléments inductifs aux bornes de sortie 8 de l'onduleur. L' onduleur 5 fonctionne alors en convertisseur du type élévateur de tension, avec la commande appropriée des interrupteurs statiques qui le composent. 10 Le cas échéant, et comme illustré à la figure 4, un transformateur abaisseur 37 peut être nécessaire pour amener le système de tension appliqué au stator du moteur à un niveau autorisant le fonctionnement de l'onduleur en élévateur de tension. L'architecture de la chaîne de traction selon l'invention permet également, 15 comme illustré à la figure 5, la recharge à partir d'une source de tension secteur monophasé. Ce mode de recharge, bien que moins rapide, peut néanmoins être utile lorsque le secteur triphasé n'est pas disponible. Dans ce cas, le bornier 25 est connecté à la source de tension 40 de telle sorte 20 que deux de ces bornes 41,42 sont reliées ensemble, la troisième borne 43 étant connectée à l'autre borne de la source d'alimentation 40. Dans ce cas, deux des enroulements statoriques 11,13 sont parcourus par le même courant. Comme évoqué précédemment, l'utilisation d'un transformateur abaisseur 48 tel 25 qu'illustré à la figure 6, peut être nécessaire pour permettre le fonctionnement du convertisseur statique 5 en mode élévateur de tension. Il ressort de ce qui précède que la chaîne de traction conforme à l'invention présente l'avantage de pouvoir être connectée à une source d'alimentation triphasée, 30 sans engendrer de couple au sein du moteur pendant la phase de recharge. On combine ainsi une rapidité de charge lors de la liaison à un réseau triphasé avec une sécurité 2934217 -8- d'emploi par rapport aux solutions de l'art antérieur. Cette architecture permet également la recharge par l'intermédiaire d'un réseau monophasé REVENDICATIONS1. Chaîne de traction (1) électrique pour véhicule automobile, comprenant : - une source d'énergie embarquée rechargeable (2) ; - un convertisseur statique (5), apte à délivrer un système de tensions triphasées connecté en entrée à ladite source d'énergie rechargeable (2) ; - un moteur électrique triphasé (10) alimenté par le système de tensions triphasées délivré par le convertisseur statique (5) ; et dans lequel une source d'énergie électrique (35) externe peut être connectée aux bobinages statoriques du moteur, pour permettre la recharge de la source d'énergie embarquée au travers du convertisseur statique (5), caractérisée en ce que le moteur (10) est du type synchrone à excitation séparée, pour lequel l'alimentation du rotor (23) est interrompue lors des phases de recharge. 2. Chaîne de traction électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque enroulement statorique (12, 13,14) comporte une paire de bornes indépendantes, chaque enroulement ayant une borne (14,15,16) reliée au convertisseur statique, l'autre borne (17,18,19) étant alternativement connectée à un point commun formant neutre (27), ou à un bornier de connexion (25) à la source d'énergie électrique extérieure (35). 3. Chaîne de traction électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'elle comporte un ensemble d'organes de relayage (30,31) aptes à assurer la connexion des bornes des enroulements statoriques au point commun formant neutre, en dehors des phases de recharge. 4. Chaine de traction électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'elle comporte un connecteur bouchon (27) formant le point commun, apte à assurer la connexion des bornes (17,18,19) de tous les enroulements statoriques (12,13,14), en dehors des phases de recharge. 2934217 -10- 5. Chaîne de traction électrique selon la revendication 4, caractérisée en ce que le bornier de connexion (25) est relié à une source d'alimentation extérieure triphasée (35). 5 6. Chaîne de traction électrique selon la revendication 4, caractérisée en ce que le bornier de connexion (25) est relié à une source d'alimentation extérieure monophasée, deux des enroulements statoriques (41,42) étant connectés ensemble à la même borne de la source d'alimentation extérieure (40). 10 7. Chaîne de traction électrique selon la revendication 4, caractérisée en ce que le bornier de connexion (25) est relié à la source d'alimentation extérieure par l'intermédiaire d'un transformateur abaisseur (37).