Brevet FR2961964A1 — publié le 20111230

Procédé de charge de Moyens d'accumulation et dispositif de charge correspondant La présente invention concerne un procédé de charge ainsi qu'un dispositif associé et se situe &ms le domaine des moteurs ou alternateurs alimentés par des batteries rechargeables. L'invention trouvera avantageusement application dans le domaine des automobiles électriques dans lesquelles les batteries peuvent alimenter le moteur via un onduleur et être rechargées lorsque l'automobile est à l'arrêt. Toutefois, bien que particulièrement prévus pour une telle application le dispositif et le procédé associé pourront être utilisés dans d'autres domaines et notamment dans des dispositifs de génération d'énergie de type éolien ou hydraulique. Classiquement un véhicule électrique est équipé de batteries haute tension délivrant un courant continu à un onduleur qui transforme ce courant continu en un courant alternatif permettant d'alimenter un moteur électrique, ce dernier assurant la mise en mouvement du véhicule. De manière à assurer la recharge de ces batteries haute tension il est connu d'équiper le véhicule d'un dispositif de charge intégré au véhicule électrique comprenant un convertisseur contrôleur de puissance sans pont de diode également connu sous le nom de « Bridgeless a, Des courants de mode commun générés par le découpage du convertisseur circulent dans les capacités parasites que présente l'électronique par rapport au châssis, ou le moteur par rapport au châssis ou bien encore la batterie par rapport aux châssis. Ces courants se rebouclent par le châssis. le fil de terre relié au neutre du réseau électrique. Le chargeur émet donc des perturbations sur le réseau électrique, Des normes limitent l'émission de perturbations haute fréquence sur le réseau électrique. Des solutions de filtrage passif peuvent aider à, résoudre le problème. Il s'agît par exemple de mettre un filtre de mode commun sur l'entrée du chargeur. Ainsi, les courants de mode commun se rebouelent par le filtre au lieu d'aller sur le réseau. Néanmoins, l'inconvénient des filtres hormis le coût et le volume est qu'il vont générer des courants de fuite basse fréquences (de l'ordre de 501-1z/60hz) entre le secteur et la terre. 2961964 -2- L'invention a donc pour objectif de limiter la génération de courants de mode commun en évitant. que les capacités parasites soient excitées par des variations de tensions. À cet. effet, l'invention a pour objet un procédé de charge de moyens 5. d'accumulation par l'intermédiaire. .d'e dispositif :.éleettrique de charge comprenant des bras de commutation comportant respectivement un premier et un second commutateurs, caractérisé. en ce qu'il comprend les étapes suivantes on. commande la fermeture d'un nombre prédéterminé de premiers commutateurs respectivement pendant un temps-de fermeture associé, et 10 à chaque ouverture d'un .premier commutateur précédemment fi rme, on commande la fermeture d'un autre premier commutateur pendant .un temps de fermeture associé., de sorte qu'un nombre constant de premiers commutateurs sont fermés en même temps.. Le tait qu'il y ait un nombre constant de commutateurs d'un même Mveau sur les 15 bras de commutation qui soient termes en même temps lors de la charge des movens d'accumulation d'imposer une tension de neutre qui soit constante. On réduit ainsi les variations de tensions susceptibles. d'exciter les capacités parasites,. et donc les courants de mode commun. procédé de charge peut comporter en outre une ou plusieurs des 20 earaetéristiquessuivantes, seules ou en combinaison on. commande la'. fermetures desdits premiers commutateurs par transmission de signaux de commande de modulation. par largeur einpulSion les signaux de commande sont en phase, les signaux de commande sont déphasés, 2.5 - ledit dispositif de charge est triphasé et la modulation moyenne des phases. dudit dispositif de. charge est égale à 1/3, le rapport entre le nombre de premiers commutateurs ferMés en. même temps .et. le nombre total de premiers et seconds commutateurs fermés en même -temps est égal it 1/3. 30 L'invention concerne également un dispositif de charge correspondant. pour 1.a mise eri. oeuvre du procédé de charge tel quo défini ci-dessus. Ce dispositif ..électrique de charge de moyens d'accumulation, ledit dispositif électrique comporte des bras de commutation comprenant respectivement un premier. et un second commutateurs,. et un dispositif de commande desdits commutateurs,. eonfiiuré pour commander la fermeture d.h.ui nombre prédéterminé de premiers commutateurs respectivement pendant un temps de fermeture associé, et pour commander à chaque ouverture d'un premier commutateur précédemment fermé la fermeture d'uni mitre premier commutateur pendant un temps de fermeture .associé, de sorte qu'Un nombre 1.0 constant de premiers commutateurs soient fermés en même temps, lors de 1..4 eharge des moyens. d'accumulation. Ledit dispositif de charge peut comporter en outre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison ledit dispositif comporte trois bras de commutation,: 15.. ledit dispositif comporte. trois structures de pont en Il respectivement réalisées per .deux. bras de commutation, les commutateurs comportent respectivement un transistor et une diode en inverse, ledit. dispositif comporte un onduleur comportant lesdits bras de commutation, 20 ledit dispositif comporte cpnvertisseur DC /DC entre l'onduleur et ;les moyens d'accumulation, ledit dispositif coMporte un .moteur à courant. alternatif triphasé, le dispositif de. commande estconfiguré pour commander les commutateurs de manière à passer d'un mode d'alimentation dudit moteur à un mode de charge 25 des moyens d'accumulation et inversement. D'antres caractéristiques et avantages. de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exenple, Sans. caractère limitatif, en regard. des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 représente de manière schématique un dispositif .de eharge triphasé 30 rra ec uni réseau élec Tique triphasé pour un véhicule automobile, 2961964 _4r la figure 2 représente de façon simplifiée une partie du dispositif de charge selon un premier mode de réalisation, - la figure 3 illustre un chronogramme représentant les signaux de commande du dispositif de la ligure 2 lors du procédé de charge selon l'invention, 5 la figure 4 représente de manière schématique et simplifiée un deuxième mode de réalisation du dispositif de charge, la figure 5 illustre un chronogramme représentent les signaux de commande du dispositif de la. figure 4 lors du procédé de charge. Sur ces figures et dans la suite de la description. les éléments sensiblement IO identiques sont identifiés par les mémes numéros de référence. Premier mode de réalisation : Onduleurs.. trois bras de commutation. iii 15 En se reportant aux figures 1 et 2, on voit représenté de façon schématique un dispositif 1 de charge pour tinvéhieule automobile. Viipar exemple ou électrique, avec des moyens de commutation 4 comportant trois bras de commutation _A,.B,C et des inductances 7. Ce dispositif .permet de recharger des moyens d'accumulation 5 formant une batterie B du véhicule V.. 20 Chaque bras. de commutation A,B.0 comporte deux commutateurs 12a,1 2b répartis. sur :s bras A à C ; un premier commutateur 12a sur le .haut du bras de commutation par rapport à la .figure 2 et un deuxième commutateur 12b sut le bas du bras de commutation. On peut prévoir que ces moyens de commutation soient intégrés dans. un. 25 onduleur 2. du. dispositif 1.. Qu peut également préoir que les induettmees 7 soient fermées par les enroulements d'un moteur triphasé 6 à courtmt alternatif représenté partiellement Dans ce cas, les bras de commutation sont reliés pat leurs points milieu aux phases dia moteur 6. 30 Le dispositif comporte également une connectique 8 permettant le raccordement à la prise d'un réseau Il électrique triphasé. Cette connu:tique peut 2961964 5- comporter des moyens de verrouillage, non représentés dans les figures annexées, permettant d'empêcher l'accès à la prise électrique en cas de mise sous tension du dispositif 1. La connectique $ peut être de plus associée à des seconds moyens de verrouillage (non représentés» empêchant à l'utilisateur l'accès aux conducteurs (qui 5 sont alors sous tension) lors du mode d'alimentation. Le dispositif de charge 1 assure alors la charge de la batterie à partir du réseau électrique 11 relié à la terre, en employant les inductances 7. Le dispositif de charge I comporte encore un circuit de commande 9 permettant de piloter les commutateurs 12a,12b. Sur les figures, la liaison entre le circuit de commande 9 et les commutateurs 12a,12b n'a pas été représentée pour faciliter la compréhension des figures. Le dispositif 1 peut comporter également un convertisseur DC/DC 10 disposé entre l'onduleur 2 et les moyens d'accumulation 5, L'utilisation d'un convertisseur DC/DC 10 permet d'adapter les tensions et par conséquent d'optimiser le dimensionnement de l'onduleur sans dégrader le rendement. En effet la tension des moyens d'accumulation 5 varie avec leurs charges, les variations allant du simple au double, l'utilisation d'un convertisseur DC /DC 10 permet de dimensiomier l'onduleur 2 pour une tension plus basse, ce dernier devant laisser passer deux fois moins de courant. À titre d'exemple, ce convertisseur 1 0 comporte une inductance 101 connectée aux moyens d'accumulation 5, deux commutateurs 102 dont le point milieu est relié à l'inductance 101, et un condensateur 103 connecté aux bornes des deux commutateurs 102. Fonctionnement E n mode de charge dans lequel le dispositif 1 assure la charge de la batterie B à partir du réseau électrique Il relié à la terre, en employant les inductances 7, le circuit de commande 9 pilote les bras ,A à C de façon à ce qu'il y ait à tout instant un nombre constant n de commutateurs sur un même niveau fermés en même temps, par exemple les premiers commutateurs 12a sur le haut. Bien entendu on aurait pu choisir les seconds commutateurs 12b sur le bas. En se réfirant également à la figure 3., lors du procédé de charge de la batterie 13., on commande par exemple sur une période T donnée la fermeture du premier interrupteur 12a du. premier bras. A pendant un temps. de fermeture Ef:\., lorsque ltemps de fermeture tf . du premier commutateur 12a du premier bras. A s'achève et que ce premier commutateur 12a s'ouvre,. on commande. la fermeture clu premier commutateur 12a dtt. deuxième bras B pendant un temps de fermeture tfB, et lorsque le temps de fermeture tfB du. premier commutateur 12à du deuxième bras s'achève et que ce premier commutateur 12a. s'ouvre, on commande. la fermeture du. premier commutateur. _12a du. troisième bras C pendant un temps de fermeture Ife. Ainsi, les intervalles de. temps sur lesquels les commutateurs 12g sont fermés sont. distincts, Cette synchronisation permet &avoir un eonmuuateur fermé àla faz5 .15 .sur période T. 1:1. la'.y a .-pas de. chevauchement des signaux de commande. On assure ainsi une tension constante au neutre N du réseau :Pans cet exemple le .nombre constant n premiers commutateurs 12a devant être fermés en même temps. est égal 1. Ce nombre se calcule à partir de la modulation moyenne comme on.. le détaille ei-dessous. 20 'Chaque bras A à est modulé avec une technique de modulation de largeur &impulsion, en anglais PWM pour « Pulse ''À.qdth Modulation ». Comme précisé précédemment, ces bras A. gC sont modulés de manière :à. générer un courant sinusoïdal dans chaque. phase. Dans le eus &un dispositif. de charge triphasé, chaque phase est déphaSée de 210 et les profondeurs de modulation. m sont égales.. Les .modulations cïe 25 chaque phase sont donc calculées selon les équations suivantes (1) nl,,(t) k -1- co s(wt) 27r mi, V 1--,-- + *cos et in . .3 ) (`) k + in * cos iff (1) 3 '.P -7- (avec k- étant la modulation moyenne, et me , mb(l) et m,,(f) la modulation de chaque phase a, b, c.) La somme des modulations est donc égale à 3k et pour ne pas avoir de chevauchement il faut que la somme des modulations soit égale à I en conséquence, la modulation moyenne l i_ être égale à 1'3 (von relation (2)) = 3k: k ---- Par conséquent, le ratio entre le nombre de premiers commutateurs 12a et le total de commutateurs 12a,l 2b fermés en même temps est de Selon ce premier mode de réalisation, y a trois bras de commutation A,B,C et I O six commutateurs 1 2a,l 2b répartis sur ces trois bras A à C. En conséquence, lorsque trois commutateurs 12a,12b sont fermés, trois autres commutateurs 12a, 1 2b sont ouverts. Sur les trois commutateurs fermés 113 doit être un premier commutateur 12a sur le haut des bras de commutation, les deux autres commutateurs fermés sont des seconds commutateurs 121 sur le bas des bras de commutation. 15 On obtient donc un nombre constant n d'un premier commutateur 12a fermé (relation (3)); (3) n 1 lien entendu' le dispositif de charge 1 triphasé décrit ci-dessus est généralisable à un système polyphase. 20 De plus, dans le cas particulier où les moyens de commutation 4 sont intégrés clans l'onduleur 2, le dispositif I est prévu pour fonctionner en plus du mode de charge dans lequel assure la charge de la batterie B à partir du réseau. électrique 11 relié à la terre, en employant les enroulements 7 du meneur 6 comme inductance, selon un mode d'alimentation dans lequel il assure l'alimentation en courant alternatif du moteur 6, à 25 partir de la batterie B. Le passage du mode d'alimentation au mode de charge est alors géré par le circuit de commande 9. En mode d'alimentation, le circuit de commande 9 pilote les bras A à C de façon à permettre la circulation d'un courant alternatif dans la phase correspondante du moteur 6, Les courants alternatifs circulant dans les trois phases du moteur sont coordonnés de manière classique pour que le moteur tourne. Les commutateurs 12a,12b, qui sont dans le présent exemple des transistors de puissance avec une diode montée en inverse, peuvent être pilotés selon une commande P'VM (Pulse Width Modulation, en français : modulation à largeur d'impulsions sinusoïdale classique. En mode de charge, le circuit de commande 9 pilote les bras A à C tel que décrit précédemment. Deuxième mode, de réalisation : Onduleur à six bras. de commutation Dispositif En se référant maintenant aux ligures 1 et 4 on décrit un deuxième mode de réalisation selon lequel le dispositif 1 présente six bras de commutation formant trois ponts en H, 3,3',3par exemple intégrés dans l'onduleur 2. 15 Les moyens de commutation 4 comportent donc six bras de commutation AS3,C,1),E.F. Chaque bras de commutation A,B,C,D,E,F comporte deux commutateurs 12a,12b répartis sur les six bras A à F ; comme précédemment un premier commutateur 12a sur le haut du bras de commutation par rapport à la figure 4 et un deuxième 20 commutateur 12b sur le bas du bras de commutation. Un avantage du pont en H par rapport au pont triphasé classique est que son utilisation double la tension appliquée aux phases du moteur 6 pour une même tension, de la sorte, bien que comportant un doublement du nombre de commutateurs 12a,12b, la surface de silicium utilisée sera identique pour le pont en H à celle du pont triphasé 25 classique ; puisqu'en elle' les courants de phase sont divisés par deux. L'utilisation des ponts en H permet en outre de réduire les pertes dues aux commutations.. Selon ce second mode de réalisation, il y a -six bras de commutation A,B,C donc douze commutateurs 12a.l 2b. Lorsque six commutateurs 12a,12b sont fermés, six 30 autres commutateurs 12 al2b sont ouverts. Sur les six commutateurs fermés 1/3 doit être des premiers commutateurs 12a sur le haut des bras de commutation. On obtient donc un nombre constant n de deux premiers commutateurs 12a fermés sur six commutateurs fermés en tout, les quatre autres eomniutateurs fermés sont donc des seconds commutateurs 12b sur le bas des bras de commutation (relation (4)): (4) n = 2. Fonctionnement En se référant également a la figure 5, lors. du procédé de charge 4 la batterie B, on commande par exemple 1...0 - d'une part la fermeture du premier interrupteur 12a du premier bras A pendant un temps de fermeture tfA, et d'autre part fermeture du premier interrupteur 12a du quatrième bras D pendant un temps de fermeture tf. Les signaux de commande des bras de commutation A et. D peuvent. être 15 déphasés comme 1"exemple illustré, 00.. selon une. alternative ces signaux de commandes peuvent être en phase. Lorsque le temps de fermeture tfdu premier commutateur 12a du premier bras A s'achève. et que. ce premier commutateur S'ouvre, on commande la fermeture. du premier commutateur 12a du troisième bras C pendant un terrrps de fermeture tfc.. Puis, 20 lOrsque le temps de férmeture tt;:;. du premier commutateur 12a du troisième bras C s'achève et que ce premier commutateur 12a s'ouvre, on commande la fermeture du premier commutateur 12a du cinquième bras Ependant un temps de fermeture tfr_:. De même, lorsque le temps de fermeture. tfD du. premier commutateur 1.2a. du quatrième bras D s'achève et. que ce premier commutateur 12a. s'ouvre, on commande la 25 fermeture do. premier commutateur 12a du sixième bras F pendant un temps de fermeture tfF. Puis, lorsque teMpS. de fermeture tfF du premier cor mutateur I2a du sixième bras. C s'achève et que ce premier commutateur 12a .s'ouvre, on commande la fermeture dm premier commutateur 12a du deuxième. bras B pendant un temps de fermeture tf 3.0 Comme précédemment., cette synchronisation permet d'avoir deux commutateurs 2961964 -10- 12 fermés en mêMe temps.. On assure ainsi une tension constante au neutre..N. du réseau 11.. En conclusion, avec un dispositif de charge 1 tel que décrit précédemment, on maintient une tension constante au niveau du neutre N da réseau 1 1» de façon à _réduire les courants de mode commun qui peuvent être induits., même en cas de synchronisation non parfaite des fronts des impulsions REVENDICATIONS1. Procédé de charge de moyens d'accumulation. (5) par l'intermédiaire d'Un dispositif .électrique de charge comprenant des bras. de commutation (AM,C.D'E,F) comportant respectivement un premier (12a) et un second (12h) commutateurs, caractérisé, en ce qu'il comprend les étapes suivantes. : on commande la fermeture d'un nombre prédéterminé de premiers commutateurs (12a) respectivement pendant un temps de fermeture (tfA,tfEaftfo,t :Ï.t-fr) associé, et 10 à chaque ouverture d'un premier commutateur (1 ,a) précédemment fermé, on commande la fermeture d'un autre premier commutateur (12a) pendant un temps de fermeture (tl:.\,tfBtfctfD,tfE,tfF) associé, de sorte qu'un nombre constant de premiers commutateurs (1 2a) sont fermés en même temps. 2. Procédé de charge selon '1, caractérisé en ce .commande 1a 1 fermeture desdits premiers commutateurs (12a) par transmission de signaux de commande de modulation par largeur d'impulsion PWM. 3. Procédé de charge selon la revendication 2. caractérisé en ce que les signaux de commande sont en phase. 4. Procédé de charge selon la revendication. 2, caractérisé en ce que les signaux de 20 commande sont déphasés. 5. Procédé de charge selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de charge est triphasé et en ce que la modulation moyenne des phases du dispositif de charge est égale à 113. 6. Procédé de charge selon la revendication 5, caractérisé en ce que le rapport entre le nombre de premiers commutateurs (12a) fermés en même temps et le nombre total de premiers (12a) et seconds commutateurs (12b) frrmés en même tempsest égal à 113. Dispositif électrique charge de moyens d'aççttrnülation ), ledit dispositif électrique comportant. - des bras de commutation ( A.B.,C,D,E.F) comprenant respectivement un premier (12a) et un second (12h) commutateurs, et - un dispositif de commande (9) (lesdits. commutateurs . (12a,12b)' caractérisé en ce que lors de la charge des moyens eecumulation (5) le dispositif de eommaride (9) est configuré. : pour commander la fermeture d'un nombre prédéterminé de premiers IO commutateurs (12a) respectivement pendant un temps de fermeture associé, et pour Commander à chaque ouverture d'un premier commutateur (12a) précédemment fermé la fermeture d'un autre premier commutateur (12a) pendant un temps. de fermet-ur associé, de. sorte qu'un nombre constant de premiers commutateurs (12a) soient fermés en même temps. S. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte trois bras de commute ion (A.B.0 9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte trois structures de pont en il (3.3%3") respectivement réalisées par deux bras de 20 commutation (,B,C,D,E,F). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que les commutateurs 12a. 12b) comportent respectivement un transistor et une diode en inverse. 11 . Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à Io, caractérisé en ce 25 qu'il comporte un onduleur (2) comportant lesdits bras de commutation -12- -s;. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte un convertisseur DC/DC (10) entre l'onduleur (2) et les moyens d'accwnulation (5). 11 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 12. caractérisé en ce qu'il comporte un moteur à courant alternatif triphasé. 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le. dispositif de commande (9) est configuré pour commander les commutateurs (12a.12b) de manière à passer d'un mode d'alimentation dudit moteur (6) à un mode de charge des moyens eaccwnulation (5) et inversement. 3-