Brevet FR3019395A1 — publié le 20151002

SYSTEME D'ALIMENTATION D'UNE MACHINE ELECTRIQUE DE TRACTION D'UN VEHICULE HYBRIDE, POUR LA RECHARGE DE SA BATTERIE PAR UN RESEAU EXTERIEUR La présente invention concerne un système d'alimentation d'une machine électrique de traction d'un véhicule hybride, ainsi qu'un véhicule hybride équipé d'un tel système d'alimentation. Un type de véhicule hybride électrique connu comporte un moteur thermique de traction entraînant des roues motrices par une transmission, et au moins une machine électrique auxiliaire de puissance modérée reliée par un onduleur à un dispositif de stockage de l'énergie, appelé par la suite batterie basse tension, pouvant fonctionner en moteur en délivrant un couple complémentaire aux roues, ou en génératrice pour recharger cette batterie en récupérant une énergie cinétique du véhicule. En particulier la machine électrique peut être un alterno-démarreur relié en permanence au moteur thermique. En variante cette machine peut être reliée directement aux roues du véhicule, en particulier les roues arrière. Le véhicule peut comporter d'autres machines électriques de traction entraînant directement des roues de ce véhicule. La batterie basse tension peut présenter notamment une tension nominale de 48, 200 ou 300V. D'une manière générale, la batterie basse tension peut comporter tous types de cellules électrochimiques, comme des cellules utilisant les technologies Li-Ion ou NiMh, ou des condensateurs électriques. Cette batterie peut comporter un seul ensemble, ou plusieurs ensembles distincts, disposés en parallèle ou en série. Le circuit basse tension vient en complément du circuit très basse tension installé sur les véhicules, formant le réseau de bord présentant généralement une tension nominale de 12V. Ce réseau de bord peut être équipé d'une batterie très basse tension, ou fonctionner sans batterie propre, en recevant le courant d'un convertisseur DC/DC prélevant l'énergie sur le circuit de puissance en abaissant la tension. On peut ainsi réaliser différents modes de fonctionnement, comportant notamment un mode sans émission de gaz polluants avec la motorisation électrique seule, appelé mode électrique ou mode « ZEV », un mode hybride et un mode sport associant les deux motorisations pour favoriser respectivement la consommation et les performances du véhicule. Par ailleurs certains véhicules hybrides électriques appelés « Plug-in », comportent une batterie basse tension qui peut être rechargée avec un câble d'alimentation branché sur une prise d'un réseau extérieur de distribution d'électricité, quand le véhicule est garé à une place de parking. La prise du réseau de distribution peut délivrer directement une basse tension de recharge de la batterie basse tension, ou délivrer une très basse tension au réseau de bord du véhicule, qui est ensuite remontée par un convertisseur DC/DC pour recharger la batterie basse tension. Le véhicule stocke ainsi une énergie électrique permettant pour les roulages suivants de réduire la part d'énergie délivrée par le moteur thermique en consommant du carburant, ce qui diminue les émissions polluantes, notamment de gaz carbonique. De plus l'énergie délivrée par le réseau électrique extérieur est généralement moins chère que celle produite à partir du carburant. Dans ce cas pour répondre à la réglementation en matière de sécurité, il est nécessaire d'isoler la machine électrique de traction pendant la phase de recharge de sa batterie, afin que suite à des défaillances, cette machine ne puisse pas délivrer un couple mettant en mouvement le véhicule. Pour réaliser cette coupure on peut utiliser le contacteur principal de puissance installé dans la batterie, permettant d'isoler les cellules de stockage d'énergie des connexions extérieures reliées à l'onduleur de la machine électrique. La batterie doit alors disposer d'un autre jeu de connexions extérieures équipé d'un deuxième contacteur disposé en parallèle du premier, permettant de connecter les cellules au circuit de charge alimenté par le réseau électrique extérieur, sans mettre sous tension l'onduleur afin d'éviter tout risque dans le cas d'une défaillance. Cependant cette architecture comportant deux contacteurs est relativement complexe. Elle nécessite de plus un certain espace pour loger ces contacteurs dans la batterie, et entraîne des coûts importants. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure. Elle propose à cet effet un système d'alimentation d'une machine électrique de traction d'un véhicule hybride, comportant un onduleur de commande de cette machine alimenté par une batterie basse tension équipée de cellules de stockage d'énergie, et un circuit de charge qui peut être relié à un réseau extérieur de distribution d'électricité pour recharger cette batterie, caractérisé en ce qu'il comporte un unique contacteur principal permettant de déconnecter les cellules de stockage à la fois de l'onduleur et du circuit de charge, et un moyen de commande directe de l'onduleur venant d'un superviseur du circuit électrique, prévu pour réveiller cet onduleur. Un avantage de ce système d'alimentation est que l'on peut simplifier la batterie et réduire son coût en disposant à l'intérieur un unique contacteur principal, tout en sécurisant le fonctionnement dans le cas de la recharge de cette batterie par le réseau extérieur pour éviter un déplacement intempestif du véhicule, en contrôlant le signal sur le moyen de commande directe de l'onduleur prévu pour le réveiller. Le système d'alimentation selon l'invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Selon un mode de réalisation, le contacteur principal comporte un contacteur auxiliaire de pré-charge disposé en parallèle. Selon un autre mode de réalisation, le contacteur principal ne comporte pas de contacteur auxiliaire de pré-charge disposé en parallèle. Dans ce cas, avantageusement pour une recharge passant par un convertisseur DC/DC disposé dans le véhicule, on met en oeuvre un procédé de fonctionnement du système d'alimentation qui, le convertisseur recevant l'information tension des cellules par des moyens de contrôle intégrés dans la batterie, met alors la basse tension de ce convertisseur à la tension de consigne de ces cellules avant de fermer le contacteur principal. Avantageusement, le contacteur principal est intégré dans la batterie. Avantageusement, on met en oeuvre un procédé de fonctionnement du système d'alimentation qui pendant la charge par le réseau extérieur, laisse le superviseur inactif. L'invention a aussi pour objet un véhicule hybride électrique disposant d'un système d'alimentation d'une machine électrique de traction, comprenant l'une quelconque des caractéristiques précédentes. En particulier, le véhicule peut comporter un moteur thermique entraînant par une transmission les roues avant, la machine électrique de traction entraînant les roues arrière. En variante, le véhicule peut comporter un moteur thermique entraînant par une transmission les roues avant, la machine électrique de traction étant 15 accouplée mécaniquement au moteur thermique. La batterie basse tension peut présenter une tension nominale de l'ordre de 48V. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après 20 donnée à titre d'exemple et de manière non limitative, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma global de l'architecture électrique d'un véhicule hybride selon l'art antérieur, disposant d'un circuit de charge de la batterie basse tension passant par le réseau de bord ; 25 - la figure 2 est un schéma global de l'architecture électrique d'un véhicule hybride selon l'art antérieur, disposant d'un circuit de charge rechargeant directement la batterie basse tension ; et - les figures 3 et 4 sont des schémas partiels des architectures suivant respectivement les figures 1 et 2, comportant le système d'alimentation selon 30 l'invention présenté avec deux variantes. La figure 1 présente l'architecture électrique d'un véhicule hybride comportant un moteur thermique qui peut être du type essence ou Diesel, entraînant les roues motrices par une transmission. Dans la zone arrière sous le coffre du véhicule 2, une machine électrique de traction disposant d'un onduleur 4 pour entraîner les roues arrière, est alimentée par une batterie basse tension 6 présentant une tension nominale de 48V, en passant par un premier connecteur d'onduleur 8. En variante, la machine électrique 4 peut être accouplée 10 mécaniquement au moteur thermique, pour former notamment un alternodémarreur. Un convertisseur de courant DC/DC 10 comporte un côté basse tension relié à la batterie basse tension 6 par un deuxième connecteur de convertisseur 14, et un côté très basse tension relié au réseau de bord RdB 15 alimenté par une batterie très basse tension 12 présentant une tension nominale de 12V. La batterie basse tension 6 comporte des cellules de stockage d'énergie 16 reliées par un premier contacteur principal d'onduleur 18 et un premier fusible 20 au premier connecteur d'onduleur 8, et en parallèle par un 20 deuxième contacteur principal de convertisseur 22 et un deuxième fusible 24 au deuxième connecteur de convertisseur 14. Dans la zone avant sous le capot du véhicule 30, un boîtier de servitude intelligent « BSI » 32 alimenté par la batterie très basse tension 12, est relié à un superviseur de la chaîne de traction 34, qui communique par un réseau 25 de communication du type « CAN » avec l'onduleur de la machine électrique 4, le convertisseur de courant DC/DC 10, et des moyens de contrôle 36 de la batterie basse tension 6 intégrés dans cette batterie. Dans une zone hors du véhicule 40, un cordon d'alimentation comportant une prise électrique 42 branchée sur un réseau extérieur de 30 distribution d'électricité, alimente un chargeur très basse tension 44 convertissant le courant du réseau extérieur, qui peut être du 110 ou du 220V alternatif, en un courant de charge 12V continu transmis à un connecteur de charge 46 pouvant se trouver dans la zone arrière 2 ou dans la zone sous capot 30. Le connecteur de charge 46 est relié d'une part à la batterie très basse tension 12, et d'autre part par un contacteur de recharge 48 au réseau de bord RdB alimentant le convertisseur DC/DC 10. On obtient ainsi avec le convertisseur DC/DC 10 baissant la tension, la possibilité de recharger la batterie très basse tension 12 à partir d'une énergie délivrée par la batterie basse tension 6, et à l'inverse avec ce convertisseur remontant la tension, la possibilité de recharger cette batterie basse tension à partir d'une énergie délivrée par la batterie très basse tension. On a aussi la possibilité de recharger la batterie basse tension 6 avec le convertisseur DC/DC 10 remontant la tension délivrée par le réseau extérieur d'électricité, en fermant le contacteur de recharge 48. Pour cette recharge il est alors nécessaire de fermer dans la batterie 6 le contacteur principal de convertisseur 22, et d'ouvrir le contacteur principal d'onduleur 18 afin de garantir une impossibilité de déplacement du véhicule conformément à la réglementation. Dans la batterie basse tension 6 chaque contacteur principal 18, 22 comporte en parallèle un contacteur auxiliaire de pré-charge 50, 52 présentant une résistance en série, qui permet d'éviter un arc électrique sur le contacteur principal lors de sa fermeture s'il présente une différence de tension trop élevée entre ses deux bornes. On évite ainsi un risque de détérioration des contacteurs principaux 18, 22, ou des cellules de stockage d'énergie 16. En pratique on réalise une pré-charge des cellules de stockage d'énergie 16 ou une alimentation préalable de la machine électrique 4, avec une faible intensité en fermant uniquement le contacteur auxiliaire de pré- charge concerné 50, 52, par exemple si la différence de tension est supérieure à environ 5V, puis quand cette différence de tension est inférieure au seuil prédéterminé on ferme le contacteur principal 18, 22. La figure 2 présente une architecture électrique similaire, comportant les modifications suivantes. Le chargeur basse tension 44 relié au réseau extérieur de distribution d'électricité, alimente directement avec une tension de 48V, par le connecteur de charge 46 puis par le contacteur de recharge 48, le deuxième connecteur de convertisseur 14 de la batterie basse tension 6. Ainsi le courant de recharge ne passe pas par le convertisseur DC/DC 10. On notera que certains types de machine électrique utilisés pour la 10 traction des véhicules hybrides, contrairement aux machines à aimants permanents ou à réluctance variable, interdisent la génération d'un couple intempestif si les courants de phase de ces machines ne sont pas pilotés de façon synchronisée, ou si un courant d'excitation n'est pas présent dans le rotor de la machine. On peut alors garantir l'absence de couple moteur 15 même si la machine est mise accidentellement sous une tension de 48V pendant la charge de sa batterie 6. On peut aussi envisager une alimentation permanente du calculateur de l'onduleur de la machine électrique 4 par une très basse tension permanente pour ses besoins de consommation propre. Tant que cet onduleur n'est pas 20 activé par la basse tension, la machine électrique ne pourra produire un couple moteur. La figure 3 présente une architecture électrique similaire à celle présentée figure 1, comportant les modifications suivantes. La batterie 6 comporte un unique contacteur principal 18 reliant les 25 cellules de stockage d'énergie 16 au connecteur d'onduleur 8 en passant par le premier fusible 20, et en parallèle au connecteur de convertisseur 14 en passant par le deuxième fusible 24. Le contacteur principal 18 comporte son contacteur auxiliaire de pré-charge 50 disposé en parallèle. Le superviseur de la chaîne de traction 34 est relié directement par une 30 liaison filaire 70 à l'onduleur de la machine électrique 4, délivrant un signal d'activation afin de réveiller cet onduleur lorsque le groupe motopropulseur est actif. En l'absence de ce signal d'activation la mise en route de l'onduleur n'est pas possible. L'alimentation de manière coordonnée des phases de la machine électrique 4 ne peut se faire, ce qui empêche toute délivrance de couple de cette machine même si l'onduleur est mis sous tension avec le contacteur principal 18 qui est fermé. Dans le mode de rechargement de la batterie 6 par le réseau extérieur Plug-ln, le convertisseur DC/DC 10 reçoit la tension 12V venant du chargeur très basse tension 44. On ferme alors le contacteur principal 18 pour permettre la recharge venant du convertisseur DC/DC 10, en utilisant le contacteur auxiliaire 50 pour réduire l'écart de tension aux bornes de ce contacteur principal. On notera que pendant la recharge de la batterie 6, le superviseur 34 est volontairement laissé inactif. L'absence de réveil de l'onduleur de la machine électrique 4 par la liaison filaire 70 venant de ce superviseur 34, empêche avec le type de machine choisi la génération d'un couple moteur. On assure la conformité aux normes de sécurité. La figure 4 présente une architecture similaire, avec un contacteur principal 18 ne comportant pas de contacteur auxiliaire. On obtient ainsi notamment une réduction des coûts de la batterie 6. Dans le mode de mise en route normale du groupe motopropulseur, le convertisseur DC/DC 10 reçoit une consigne basse tension 48V de la part du superviseur 34. Cette tension est alors cohérente avec l'information tension des cellules 16 de la batterie 6 avant le contacteur 22, mesurée par les moyens de contrôle intégrés 36, ce qui permet la fermeture de ce contacteur. Dans le mode de rechargement par le réseau extérieur Plug-ln, le convertisseur DC/DC 10 reçoit la tension 12V venant du chargeur très basse tension 44. L'information tension des cellules 16 est communiquée directement par les moyens de contrôle intégrés 36 au convertisseur DC/DC 10, le superviseur 34 n'ayant alors pas besoin d'être réveillé. La tension haute du convertisseur DC/DC 10 se met alors au préalable à la tension de consigne 48V correspondant à celle des cellules 16, le contacteur 22 peut ensuite se fermer avec un écart de tension faible à ses bornes évitant des endommagements. La contrainte principale sur cette architecture est le seuil d'acceptation d'écart de tension sur le contacteur principal 18, imposé par le fournisseur de la batterie 6. Plus ce seuil de tension est faible, plus la valeur de la basse tension délivrée par le convertisseur DC/DC 10 doit être précise. On peut d'une manière similaire dans le cas d'une basse tension délivrée directement à la batterie 6 par le chargeur basse tension extérieur 60, comme présenté figure 2, disposer dans cette batterie un unique contacteur principal 18, équipé ou non de son contacteur auxiliaire de pré- charge 50, et assurer la sécurité par la liaison filaire 70 réalisant le réveil de l'onduleur de la machine électrique 4. On réalise avec le système d'alimentation selon l'invention une simplification importante de la batterie basse tension 6, qui permet une meilleure compacité ainsi qu'une réduction des coûts. REVENDICATIONS1 - Système d'alimentation d'une machine électrique de traction (4) d'un véhicule hybride, comportant un onduleur de commande de cette machine alimenté par une batterie basse tension (6) équipée de cellules de stockage d'énergie (16), et un circuit de charge qui peut être relié à un réseau extérieur de distribution d'électricité pour recharger cette batterie, caractérisé en ce qu'il comporte un unique contacteur principal (18) permettant de déconnecter les cellules de stockage (16) à la fois de l'onduleur et du circuit de charge, et un moyen de commande directe de l'onduleur (70) venant d'un superviseur du circuit électrique (34) prévu pour réveiller cet onduleur. 2 - Système d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le contacteur principal (18) comporte un contacteur auxiliaire de pré-charge (50) disposé en parallèle. 3 - Système d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le contacteur principal (18) ne comporte pas de contacteur auxiliaire de pré-charge disposé en parallèle. 4 - Procédé de fonctionnement d'un système d'alimentation selon la revendication 3, caractérisé en ce que pour une recharge passant par un convertisseur DC/DC disposé dans le véhicule (10), recevant l'information tension des cellules (16) par des moyens de contrôle (36) intégrés dans la batterie (6), il met alors la basse tension de ce convertisseur à la tension de consigne de ces cellules avant de fermer le contacteur principal (18). 5 - Système d'alimentation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le contacteur principal (18) est intégré dans la batterie (6). 6 - Procédé de fonctionnement d'un système d'alimentation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, ou 5, caractérisé en ce que pendant la charge par le réseau extérieur, il laisse le superviseur (34) inactif. 7 - Véhicule hybride électrique disposant d'un système d'alimentation d'une machine électrique de traction (4), caractérisé en ce que ce système est réalisé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, ou 5. 8 - Véhicule hybride électrique selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un moteur thermique entraînant par une transmission les roues avant de ce véhicule, la machine électrique de traction entraînant les roues arrière. 9 -Véhicule hybride électrique selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un moteur thermique entraînant par une transmission les roues avant de ce véhicule, la machine électrique de traction étant accouplée mécaniquement au moteur thermique. 10 - Véhicule hybride électrique selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que la batterie basse tension (6) présente une tension nominale de l'ordre de 48V.