Brevet FR2985617A1 — publié le 20130712

DISPOSITIF D'ALIMENTATION ELECTRIQUE D'UN VEHICULE AUTOMOBILE HYDRIDE ET VEHICULE AUTOMOBILE HYBRIDE CORRESPONDANT DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION. La présente invention concerne un dispositif d'alimentation électrique d'un véhicule automobile hybride, ainsi qu'un véhicule automobile hybride comprenant un tel dispositif. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION. Les véhicules automobiles à moteur thermique comportent classiquement un réseau électrique de bord comprenant une batterie, généralement de 12 V, destiné à alimenter en énergie électrique les divers équipements, notamment un démarreur, indispensable pour assurer le démarrage du moteur thermique. Après le démarrage, un alternateur accouplé au moteur thermique assure la charge de la batterie. De nos jours, le développement de l'électronique de puissance permet d'alimenter et de piloter une seule machine électrique tournante polyphasée réversible qui remplace avantageusement le démarreur et l'alternateur. Dans un premier temps, cette machine, connue sous le nom d'alterno- démarreur, avait essentiellement pour but de remplir les fonctions autrefois dédiées à l'alternateur et au démarreur, et, accessoirement, de récupérer l'énergie au freinage, ou d'apporter un supplément de puissance et de couple au moteur thermique. Dans le but d'accroître la puissance et d'améliorer le rendement de l'alterno- démarreur en augmentant sa tension de fonctionnement tout en conservant la possibilité d'utiliser d'autres équipements standards, prévus pour une alimentation de 12 V, notamment les batteries au plomb, a été développée une architecture dite "14 + X", ou "micro-hybride". Cette architecture consiste donc en un premier réseau électrique de puissance reliant l'alterno-démarreur à un élément de stockage d'énergie électrique fonctionnant à une tension supérieure à 12 V, pouvant atteindre 42 V, et en un second réseau électrique de service reliant tous les autres équipements. L'adaptation des niveaux de tensions entre les deux réseaux, l'un à basse - 2 - tension et l'autre à haute tension, est assurée par un convertisseur continu/ continu réversible. Dans un second temps, des considérations écologiques, ont conduit à concevoir des alterno-démarreurs ayant une puissance, de l'ordre de 8 à 10 KW, 5 suffisante pour entraîner le véhicule à faible vitesse, par exemple en environnement urbain. De telles puissances n'ont pu être obtenues tout en conservant des machines électriques compactes qu'en portant la tension du réseau électrique de puissance à une haute tension, de l'ordre de 60 V, bien supérieure à la tension nominale des 10 batteries au plomb classiques. Dans une architecture dite "full-hybrid" en terminologie anglaise, c'est-à-dire une architecture dans laquelle le véhicule peut être entraîné à pleine vitesse par le moteur électrique, la tension du réseau électrique de puissance est encore supérieure à celle utilisée dans l'architecture électrique précédente (dite "mild- 15 hybrid" en terminologie anglaise, par comparaison), et peut atteindre 120 V. Pour de multiples raisons, et en particulier pour des raisons de sécurité, il est nécessaire de prévoir un système de déconnexion pour protéger à la fois l'élément de stockage d'énergie électrique et des éléments associés connectés au réseau à haute tension, tels que le convertisseur continu/ continu ou un onduleur. 20 Généralement ce système de déconnexion est réalisé au moyen de relais de puissance électromagnétiques, comme le décrit notamment la demande de brevet japonaise J P2001023700. Les principaux inconvénients présentés par ces relais de puissance électromagnétiques sont: 25 - une durée de vie limitée à au maximum 100.000 cycles d'ouverture/ fermeture sans charge, beaucoup moins en forts courants; - une masse importante variant de 400 g à 800 g, selon les applications; - un volume important, même si ce volume a tendance à se réduire avec l'évolution technique (typiquement 75 mm X 75 mm X 40 mm pour un relais de 30 puissance électromagnétique d'une capacité de coupure de 120A@400V); - un vieillissement des contacts conduisant à une très forte augmentation de la résistance des contacts avec le temps, passant par exemple de 0,5 à 10 mCI; - le bruit mécanique généré par la fermeture des contacts; - le coût assez élevé à cause des solutions à apporter au problème de la 35 formation d'un arc électrique. - 3 - En plus de la fonction de déconnexion de l'élément de stockage d'énergie électrique du réseau électrique à haute tension, le système de déconnexion doit limiter l'appel de courant au moment de la connexion en préchargeant les charges capacitives connectées à ce réseau. Comme le montre également la demande japonaise précitée, une solution connue pour tenir compte de cette contrainte consiste à ajouter un relais de puissance électromagnétique supplémentaire en série avec une résistance de puissance pour constituer un circuit de précharge. Cette solution connue présente évidemment l'inconvénient supplémentaire du 10 surcoût d'un autre relais de puissance électromagnétique, et aussi celui des difficultés d'intégration de deux composants additionnels, un relais et une résistance. DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION. 15 La présente invention vise donc à pallier les inconvénients des systèmes de déconnexion d'un élément de stockage d'énergie électrique connus de l'état de la technique. Elle concerne précisément un dispositif d'alimentation électrique d'un véhicule automobile hybride. 20 Ce dispositif est du type de ceux connus en soi comprenant: - un élément de stockage d'énergie électrique; - un circuit d'alimentation apte à relier cet élément de stockage d'énergie électrique à un réseau électrique du véhicule et comportant un premier relais de puissance; - un circuit de précharge apte relier l'élément de stockage d'énergie électrique à ce 25 réseau électrique et comportant un second relais de puissance en série avec une résistance de puissance. Le dispositif d'alimentation électrique d'un véhicule automobile hybride selon l'invention est remarquable en ce que le premier relais de puissance est un premier relais de puissance à semi-conducteur et le second relais de puissance est un 30 second relais de puissance à semi-conducteur. Les avantages apportés par le remplacement des premier et second relais de puissance électromécaniques par des relais de puissance à semi-conducteur sont nombreux, à savoir, notamment: - un temps de commutation très sensiblement amélioré, à savoir, de 35 quelques microsecondes au lieu de 10 à 20 millisecondes ; -4- - une durée de vie beaucoup plus grande; - un encombrement plus réduit; - une masse sans commune mesure avec les relais de puissance électromécaniques; - une résistance de commutation ne variant pas au cours du temps; - une suppression des rebonds de commutation inhérents aux relais électromécaniques ; - aucun bruit. Selon une caractéristique particulière de l'invention, le premier relais de 10 puissance à semi-conducteur comporte une première paire de premiers transistors MOSFET de puissance montés tête-bêche en série dans le circuit d'alimentation. Selon encore une autre caractéristique particulière de l'invention, le premier relais de puissance à semi-conducteur est constitué de plusieurs premiers exemplaires de la première paire de premiers transistors MOSFET de puissance 15 montés en parallèle. Selon encore une autre caractéristique particulière de l'invention, le second relais de puissance à semi-conducteur comporte une seconde paire de seconds transistors MOSFET de puissance montés tête-bêche en série dans le circuit de précharge et le circuit de précharge est avantageusement connecté en parallèle sur 20 le premier relais de puissance à semi-conducteur. Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, le second relais de puissance à semi-conducteur est constitué de plusieurs seconds exemplaires de ladite seconde paire de seconds transistors MOSFET de puissance montés en parallèle. 25 Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le second relais de puissance à semi-conducteur comporte un troisième transistor MOSFET de puissance et le circuit de précharge est connecté en parallèle aux bornes de puissance de l'un des premiers transistors MOSFET de puissance. Selon une caractéristique particulière du mode de réalisation ci-dessus, le 30 second relais de puissance à semi-conducteur est constitué de plusieurs troisièmes exemplaires du troisième transistor MOSFET de puissance montés en parallèle. L'invention concerne aussi un véhicule automobile hybride qui tire bénéfice du dispositif d'alimentation électrique décrit ci-dessus qu'il comprend. - 5 - Ces quelques spécifications essentielles auront rendu évidents pour l'homme de métier les avantages apportés par l'invention par rapport à l'état de la technique antérieur. Les spécifications détaillées de l'invention sont données dans la description 5 qui suit en liaison avec les dessins ci-annexés. Il est à noter que ces dessins n'ont d'autre but que d'illustrer le texte de la description et ne constituent en aucune sorte une limitation de la portée de l'invention. io BREVE DESCRIPTION DES DESSINS. La Figure 1 montre schématiquement un dispositif d'alimentation électrique d'un véhicule automobile hybride connu de l'état de la technique. La Figure 2 montre schématiquement un dispositif d'alimentation électrique d'un véhicule automobile hybride selon un second mode de réalisation de 15 l'invention. Les Figures 3 et 4 montrent schématiquement un dispositif d'alimentation électrique d'un véhicule automobile hybride selon une variante du second mode de réalisation de l'invention, mettant en oeuvre un semi-conducteur soit de type N (Figure 3), soit de type P (Figure 4) dans le circuit de précharge. 20 DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES DE L'INVENTION. Un rappel, en liaison avec la Figure 1, des caractéristiques d'un dispositif d'alimentation électrique d'un véhicule automobile hybride connu de l'état de la technique permettra de bien comprendre l'apport de l'invention. 25 Un tel dispositif d'alimentation électrique se présente généralement sous la forme d'un ensemble compact 1 comprenant essentiellement un élément de stockage d'énergie électrique 2 qui est fréquemment constitué dune batterie lithium-ion de forte capacité et de tension nominale élevée, de 60 V ou plus. Un connecteur d'alimentation 3 présentant au moins deux bornes de 30 connexion HV+, HV- permet de relier la batterie interne 2 à un réseau électrique à haute tension du véhicule via un circuit d'alimentation 4 muni d'un premier relais de puissance électromagnétique 5. Un circuit de précharge 6 comportant un second relais de puissance électromagnétique 7 et une résistance de puissance 8 en série permet de relier la - 6 - batterie 2 au réseau électrique à haute tension en limitant l'appel de courant au moment de la connexion dû aux charges capacitives. Il y a, classiquement, trois modes de fonctionnement du dispositif d'alimentation électrique montré sur la Figure 1: - DECONNECTE: les premier et second relais de puissance électromagnétiques 5, 7 sont ouverts; - PRECHARGE: le premier relais de puissance électromagnétique 5 est ouvert, le second relais de puissance électromagnétique 7 est fermé; - CONNECTE: le premier relais de puissance électromagnétique 5 est fermé. Les premier et second relais de puissance électromagnétiques 5, 7 sont commandés de manière connue par une unité de contrôle électronique du véhicule. L'invention consiste à supprimer les premier et second relais de puissance électromagnétiques 5, 7 qui présentent les nombreux inconvénients exposés en préambule. Le schéma de principe d'un premier mode de réalisation de l'invention est montré sur la Figure 2. L'élément de stockage d'énergie électrique 2 est relié au connecteur d'alimentation 3 par un circuit d'alimentation 4 comprenant un premier relais de puissance à semi-conducteur 9 à la place du premier relais de puissance électromagnétique 5 et un second relais de puissance à semi-conducteur 12 en série avec la résistance de puissance 8 en remplacement du second relais de puissance électromécanique 7. Les premier et second relais de puissance à semi-conducteur 9 et 12 travaillent en régime de commutation. Ce premier relais de puissance à semi-conducteur 9 comporte une première paire de premiers transistors MOSFET de puissance (MOSFET est l'acronyme en anglais de "Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor", qui se traduit par "Transistor à Effet de Champ à structure Métal-Oxide-Semiconducteur"). Ces deux premiers transistors MOSFET de puissance 10, 11 sont montés 30 tête-bêche en série pour isoler complètement l'élément de stockage d'énergie électrique 2 du réseau grâce aux diodes internes intrinsèques que présentent ce type de semiconducteurs. En effet, dans le cas où le premier relais de puissance à semi-conducteur 9 est inséré dans une ligne d'alimentation positive HV+, tel que représenté sur la 35 Figure 2, l'ouverture de celui des premiers transistors MOSFET de puissance 10 - 7 - dont un premier drain Dl est connecté à la borne de connexion positive HV+ du connecteur d'alimentation 3 a pour effet de déconnecter l'élément de stockage d'énergie électrique 2 mais ne protège pas contre les surtensions générées par les éléments à haute tension du réseau. L'ouverture de celui des premiers transistors MOSFET de puissance 11 dont un second drain D2 est connecté à une borne positive de l'élément de stockage d'énergie électrique 2 assure une déconnexion complète grâce au montage tête-bêche. Dans le but d'augmenter l'intensité de courant admissible dans le circuit 10 d'alimentation 4 dans la limite des caractéristiques de chacun des premiers transistors MOSFET de puissance 10, 11, plusieurs premiers exemplaires sont connectés en parallèle autant que de besoin. Ce type de transistors à effet de champ a connu depuis quelques années une évolution spectaculaire en terme d'intensité admissible et de résistance de 15 commutation qui les rend apte à une utilisation dans le domaine des courants forts. Des intensités admissibles de plusieurs dizaines, voire centaines, d'ampères, sont courantes tandis qu'une résistance drain-source en l'état commuté n'est que de quelques millièmes d'ohm. Mais pour un modèle donné, une mise en parallèle permet avantageusement 20 de diminuer la résistance drain-source apparente de l'ensemble en l'état commuté et de réduire la chute de tension et les pertes. Le second relais de puissance à semi-conducteur 12 est inséré dans le circuit de précharge 6 qui permet de relier l'élément de stockage d'énergie 2 au réseau électrique haute tension en limitant l'appel de courant dans les charges capacitives. 25 Le second relais de puissance à semi-conducteur 12 comporte une seconde paire de seconds transistors MOSFET de puissance, montés tête-bêche en série. Cette seconde paire est également dupliquée en parallèle autant que de besoin. Dans une variante, montrée sur les Figures 3 et 4, du mode de réalisation de 30 la Figure 2, le second relais de puissance à semi-conducteur 12 ne comporte qu'un troisième transistor MOSFET de puissance 13, 14 (dupliqué autant que de besoin en parallèle pour tenir les caractéristiques d'intensité requises) au lieu de la seconde paire dans le but de réduire l'encombrement et le coût. Ce troisième transistor MOSFET de puissance 13, 14 et la résistance de 35 puissance 8 en série sont connectés en parallèle aux bornes de puissance S, D2 de - 8 - celui des premiers transistors MOSFET de puissance 11 dont le second drain D2 est connecté à la borne positive de l'élément de stockage d'énergie électrique 2. Selon le type de troisième transistor MOSFET de puissance 13, 14 mis en oeuvre, un troisième drain D3 est connecté par l'intermédiaire de la résistance de puissance 8 soit à la borne positive de l'élément de stockage d'énergie électrique 2 (type N représenté 13 sur la Figure 3), soit à une source commune S des premiers transistors MOSFET de puissance 10, 11 (type P représenté 14 sur la Figure 4). Dans les modes de réalisation décrits ici, les premiers, seconds et troisième transistors MOSFET de puissance sont de préférence de type N. Ceux-ci sont en 10 effet plus avantageux d'un point de vue économique que le type P, bien que leurs commandes (non représentées) doivent être isolées. Le gain en volume, en masse, en coût et en fiabilité des premier et second relais de puissance à semi-conducteur 9, 12 par rapport aux premier et second relais de puissance électromécaniques 5, 7 permet de réaliser un dispositif 15 d'alimentation électrique 1 de véhicule automobile hybride, un "pack batterie" selon l'expression employée par l'homme de métier, particulièrement compact et compétitif notamment pour les applications "mild-hybrid". Comme il va de soi l'invention ne se limite pas aux seuls modes de réalisation préférentiels décrits ci-dessus. 20 Notamment, il ressort de la description ci-dessus que les premier et second relais de puissance à semi-conducteur sont insérés dans la ligne d'alimentation positive HV+ du dispositif d'alimentation électrique 1. Alternativement, dans d'autres modes de réalisation de l'invention, ces premier et second relais de puissance à semi-conducteur sont insérés 25 avantageusement dans la ligne d'alimentation négative HV- du dispositif d'alimentation électrique 1. Une description générale analogue pourrait également porter sur des types différents de relais de puissance à semi-conducteur 9, 12. L'invention embrasse donc toutes les variantes possibles de réalisation dans la 30 mesure où ces variantes restent dans le cadre défini par les revendications ci-après. REVENDICATIONS1) Dispositif d'alimentation électrique (1) d'un véhicule automobile hybride du type 5 de ceux comprenant un élément de stockage d'énergie électrique (2), un circuit d'alimentation (4) apte à relier ledit élément de stockage d'énergie électrique (2) à un réseau électrique dudit véhicule et comportant un premier relais de puissance (5,9), et un circuit de précharge (4) apte à relier ledit élément de stockage d'énergie électrique (2) audit réseau électrique et comportant un second relais de puissance 10 (7,12) en série avec une résistance de puissance (8), caractérisé en ce que ledit premier relais de puissance (5,9) est un premier relais de puissance à semiconducteur (9) et ledit second relais de puissance (7, 12) est un second relais de puissance à semi-conducteur (12). 15 2) Dispositif d'alimentation électrique (1) d'un véhicule automobile hybride selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier relais de puissance à semiconducteur (9) comporte une première paire de premiers transistors MOSFET de puissance (10, 11) montés tête-bêche en série dans ledit circuit d'alimentation (4). 20 3) Dispositif d'alimentation électrique (1) d'un véhicule automobile hybride selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit premier relais de puissance à semi-conducteur (9) est constitué de plusieurs premiers exemplaires de ladite première paire (10, 11) montés en parallèle. 25 4) Dispositif d'alimentation électrique (1) d'un véhicule automobile hybride selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit second relais de puissance à semiconducteur (12) comporte une seconde paire de seconds transistors MOSFET de puissance montés tête-bêche en série dans ledit circuit de précharge (6) et en ce que ledit circuit de précharge (6) est connecté en parallèle sur ledit premier relais à 30 semi-conducteur (9). 5) Dispositif d'alimentation électrique (1) d'un véhicule automobile hybride selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit second relais de puissance à semi-conducteur (12) est constitué de plusieurs seconds exemplaires de ladite 35 seconde paire montés en parallèle.- 10 - 6) Dispositif d'alimentation électrique (1) d'un véhicule automobile hybride selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit second relais de puissance à semiconducteur (12) comporte un troisième transistor MOSFET de puissance (13, 14) et en ce que ledit circuit de précharge (6) est connecté en parallèle aux bornes de puissance (S, D2) de l'un desdits premiers transistors MOSFET de puissance (10, 11). 7) Dispositif d'alimentation électrique (1) d'un véhicule automobile hybride selon la 10 revendication précédente, caractérisé en ce que ledit second relais de puissance à semi-conducteur (12) est constitué de plusieurs troisièmes exemplaires dudit troisième transistor MOSFET de puissance (13, 14) montés en parallèle. 8) Véhicule automobile hybride caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif 15 d'alimentation électrique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 précédentes.