Brevet FR3034925A1 — publié le 20161014

Système de commande d'un chargeur de batterie pour véhicule automobile. véhicules hybrides ou électriques rechargeables à bas coût, il est nécessaire de disposer d'un chargeur embarqué monophasé de 7,2kW. Pour répondre à la contrainte de volume, le choix de la structure s'est porté sur une solution Buck + Clarke (Current Fed Full-Bridge). Un tel chargeur est illustré par la figure 1. On peut voir un réseau d'alimentation électrique 1 connecté à un condensateur Cl relié par une borne à une borne d'une inductance Li et par une autre borne à une borne d'un deuxième condensateur C2. L'autre borne du deuxième condensateur C2 est reliée à l'autre borne de l'inductance Li. Le premier condensateur Cl, le deuxième condensateur C2 et l'inductance Li forment un filtre d'entrée la. En parallèle du condensateur C2 est relié un pont redresseur lb à diodes (DR1,DR2,DR3,DR4). Le deuxième condensateur C2 et l'inductance Li sont reliées à l'anode d'une première diode DR1 et à la cathode d'une troisième diode DR3. Le premier condensateur Cl et le deuxième condensateur C2 sont reliées à l'anode d'une deuxième diode DR2 et à la cathode d'une quatrième diode DR4. La cathode de la première diode DR1 et la cathode de la deuxième diode DR2 sont reliées ensemble à une première armature d'un troisième condensateur C3 et au collecteur d'un transistor TO. L'anode de la troisième diode DR3 et l'anode de la quatrième diode DR4 sont reliées ensemble à une deuxième armature d'un troisième condensateur C3 et à l'anode d'une diode Dl. L'invention a pour domaine technique la commande de chargeurs de batterie, et plus particulièrement la commande de chargeurs monophasés isolés. Afin de faciliter le développement et la fabrication de 3034925 2 L'émetteur du transistor TO est connecté à la cathode de la diode Dl. Un pont complet est relié en parallèle de la diode Dl, une première entrée du pont complet étant reliée à la cathode de la diode 5 Dl par l'intermédiaire d'une inductance L2. Une deuxième entrée du pont complet est reliée à l'anode de la diode Dl par l'intermédiaire d'une résistance Ri. La première entrée du pont complet est reliée aux collecteurs d'un premier transistor référencé Ti, et d'un deuxième transistor 10 référencé T2. La deuxième entrée du pont complet est reliée aux émetteurs d'un troisième transistor référencé T3, et d'un quatrième transistor référencé T4. L'émetteur du premier transistor Ti est relié au collecteur du 15 troisième transistor T3 et à une extrémité de l'enroulement primaire d'un transformateur d'isolement 3. L'émetteur du deuxième transistor T2 est relié au collecteur du quatrième transistor T4 et à l'autre extrémité de l'enroulement primaire du transformateur d'isolement 3. 20 L'enroulement secondaire du transformateur d'isolement 3 est connecté à un étage de redressement 4 comprenant quatre diodes. Plus précisément, une extrémité de l'enroulement secondaire est reliée à l'anode d'une première diode Dl et à la cathode d'une troisième diode D3. L'autre extrémité de l'enroulement secondaire est 25 reliée à l'anode d'une deuxième diode D2 et à la cathode d'une quatrième diode D4. La cathode de la première diode Dl et la cathode de la deuxième diode D2 sont reliées ensemble à une première armature d'un quatrième condensateur C4 et à une borne de la batterie 5. 30 L'anode de la troisième diode D3 et l'anode de la quatrième diode D4 sont reliées ensemble à une deuxième armature d'un quatrième condensateur C4 et à l'autre borne de la batterie 5. Les transistors TO à T4 sont notamment de type MOSFET. 3034925 3 L'avantage de cette solution est le nombre de composants réduit, la robustesse vis-à-vis de surtensions sur le réseau. Toutefois, la contrepartie de cette structure est un risque de saturation du transformateur d'isolement, cette saturation étant due à une dérive 5 dans le circuit de commande des transistors du pont en H. Le fonctionnement de la partie Clarke (or Current Feed Full bridge) est équivalente à celle d'un convertisseur Boost, avec un transformateur d'isolement. Pour commander d'une façon symétrique le transformateur, le 10 chargeur travaille en deux modes : Au cours d'une première phase illustrée par la figure 2, on commande le pont complet de transistors (Ti, T2, T3, T4) en court-circuit afin de charger l'inductance L2 de correction du facteur de puissance. 15 Au cours d'une deuxième phase illustrée par les figures 3a et 3b, on commande le pont de transistors (Ti, T2, T3, T4) de sorte qu'une diagonale soit conductrice afin de réaliser une décharge de l'inductance L2 de correction du facteur de puissance et un transfert d'énergie. La figure 3a illustre le cas où le deuxième transistor T2 et 20 le troisième transistor T3 sont conducteurs, un courant circulant alors dans la première diode Dl et la quatrième diode D4 du pont de diodes. La figure 3b illustre le cas où le premier transistor Ti et le quatrième transistor T4 sont conducteurs, un courant circulant alors dans la deuxième diode D2 et la troisième diode D3 du pont de diodes. 25 Le procédé de commande comprend une succession d'étapes au cours desquelles on réalise la première phase, puis la deuxième phase selon la figure 3a, puis à nouveau la première phase, puis la deuxième phase selon la figure 3b. Ces étapes sont ensuite répétées. Pour assurer la correction de facteur de puissance (acronyme 30 anglophone PFC pour « power factor correction »), on utilise un système de contrôle simple : A partir de la mesure du courant dans l'inductance L2 de correction du facteur de puissance (I Boost dans la figure 4), on assure la fonction PFC. La grandeur mesurée est un courant continu, ce 3034925 4 qui permet d'employer un capteur de courant simple. Par contre, comme le courant surveillé n'est pas le courant du transformateur, une dissymétrie dans la commande des transistors du pont peut avoir comme conséquence la saturation du transformateur d'isolement 3. 5 Lors d'une saturation, qui apparaît quand une diagonale du pont complet est commandée conductrice plus longtemps que l'autre, le courant dans l'enroulement primaire n'est pas nul, et une partie du courant reste dans l'inductance magnétisante du transformateur 3. En d'autres termes, le bilan de courant au niveau du transformateur 3 10 n'est pas nul. La première conséquence au niveau de l'enroulement secondaire du transformateur 3 est que les valeurs crêtes positives et négatives des courants ne sont plus égales. Il existe un besoin pour un chargeur de batterie qui permette d'éviter le phénomène de saturation avec un circuit de puissance de 15 type Buck + Clarke (Current Fed Full-Bridge). De l'état de la technique antérieure, on connaît le document « Effects of Switching Asymmetry on an Isolated Full-Bridge Boost Converter » publié dans la revue Power Electronics, IEEE Transactions on (Volume:25, Issue 8). Toutefois, ce document ne divulgue aucune 20 solution au problème de saturation. On connaît également le document « Alimentation à découpage convertisseurs à résonance » de J. P. Ferrieux, F. Forest qui divulgue l'ajout d'un condensateur en série avec le transformateur d'isolement. Le condensateur assure la symétrie des commandes en tension du 25 transformateur et évite la saturation. Toutefois, cette solution est coûteuse car le condensateur en série avec le circuit doit résister aux ondulations de courant, ce qui est une contrainte forte. Cette solution nécessite également une modification du circuit de puissance et est difficile à mettre au point. En effet, d'une part, la valeur du 30 condensateur dépend de la dynamique du système et d'autre part, son ajout ne garantit pas que des phénomènes de saturation transitoires n'aient pas lieu. L'invention a pour objet un système de commande d'un chargeur de batterie pour véhicule automobile comprenant un pont de 3034925 5 transistors connecté à un réseau d'alimentation électrique et l'enroulement primaire d'un transformateur et un pont de diodes connecté à l'enroulement secondaire du transformateur et à une batterie. Le système de commande comprend : 5 un système de commande de la charge apte à émettre un signal de commande de la charge en fonction de l'état de la batterie et/ou du réseau d'alimentation électrique, un premier moyen de commande d'une partie des transistors du pont complet en fonction de l'écart entre le courant circulant en amont 10 du pont de transistors et le signal de commande de la charge, un moyen de détermination d'une correction du signal de commande de la charge en fonction des courants circulants en aval du pont de transistors, un premier sommateur apte à déterminer un signal de 15 commande de la charge corrigé en sommant le signal de commande de la charge et la correction du signal de commande de la charge, et un deuxième moyen de commande des autres transistors du pont complet en fonction de l'écart entre le courant circulant en amont du pont de transistors et le signal de commande de la charge corrigé. 20 Le moyen de détermination d'une correction du signal de commande de la charge peut être apte à déterminer une correction en fonction de la valeur crête des courants circulants dans le pont de diodes. Le moyen de détermination d'une correction du signal de 25 commande de la charge peut être apte à déterminer une correction en fonction de la valeur moyenne du courant circulant dans l'enroulement primaire du transformateur. Le moyen de détermination d'une correction du signal de commande de la charge peut être apte à déterminer une correction en 30 fonction de la valeur moyenne du courant circulant dans l'enroulement secondaire du transformateur. Le moyen de détermination d'une correction du signal de commande de la charge peut être de type proportionnel, intégral, dérivée. 3034925 6 Le système de commande présente l'avantage de ne pas nécessiter de modification du circuit de puissance. En effet, seuls des capteurs de courant sont employés pour commander les transistors du pont complet. Cela implique un cout moindre. 5 D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre les principaux éléments d'un chargeur de 10 batteries de type Buck + Clarke, - la figure 2 illustre une première phase de commande du système de charge, - les figures 3a et 3b illustrent deux alternatives d'une deuxième phase de commande du système de charge, 15 - la figure 4 illustre les principaux éléments d'un système de commande d'un chargeur de batterie selon l'invention, - la figure 5 illustre un mode de réalisation alternatif du système de commande d'un chargeur de batterie selon l'invention, et - la figure 6 illustre un autre mode de réalisation alternatif du 20 système de commande d'un chargeur de batterie selon l'invention. La figure 4 illustre le système de commande d'un chargeur de batterie selon l'invention. Le chargeur de batterie comprend une structure Buck + Clarke (Current Fed Full-Bridge) similaire à la structure illustrée par la figure 1 et décrite plus haut. Par soucis de 25 concision, la structure n'est pas décrite à nouveau et les éléments similaires portent les mêmes références. La figure 4 illustre par ailleurs le système de commande 6 du chargeur de batterie comprenant un moyen de commande des transistors du pont complet asservi par une régulation en boucle 30 ouverte fonction des courants circulants dans chacun des deux bras du pont de diodes. Un moyen de calcul 7 détermine l'écart AI peak entre la valeur crête I peak 2 du courant I diode 2 circulant dans la première diode Dl et la quatrième diode D4 et la valeur crête I peak 1 du courant 3034925 7 I diode 1 circulant dans la deuxième diode D2 et la troisième diode D3. Une correction d'un signal de commande de charge est issue d'un moyen de régulation 8 en boucle ouverte de type PID (pour 5 proportionnel, intégral, différentiel) régulant un écart des courants de crête circulant dans les bras du pont de diodes de sorte que la valeur d'écart AI peak tende vers une valeur comprise dans une mémoire 9, notamment 0. Le moyen de calcul 7, le moyen de régulation 8 et la mémoire 9 10 sont compris dans un moyen de détermination d'une correction du signal de commande de la charge. Un signal de commande de charge corrigé est émis par un premier sommateur 10, apte à sommer le signal de commande de charge issu d'un système de commande 11 de la charge à la correction 15 du signal de commande de charge issue du moyen de régulation 8. Le signal de commande de charge est déterminé par un système de commande 11 de la charge, par exemple en fonction de l'état de charge de la batterie. Par ailleurs, on peut voir un deuxième sommateur 12 20 déterminant la somme entre le courant I boost circulant dans l'inductance L2 de correction du facteur de puissance et un signal issu d'un générateur 13 de signaux en dents de scie. Un premier moyen 14 de commande d'une partie des transistors détermine un signal de commande Vgs 1 du premier transistor Ti et 25 du quatrième transistor T4 du pont complet en fonction de la différence entre le signal de commande de charge et le signal issu du deuxième sommateur 12. Un deuxième moyen 15 de commande des autres transistors détermine un signal de commande Vgs 2 du deuxième transistor T2 et 30 du troisième transistor T3 du pont complet en fonction de la différence entre le signal de commande de charge corrigé issu du premier sommateur 10 et le signal issu du deuxième sommateur 12. Le système de commande est basé sur un mécanisme de commande de courant crête. Le système de commande 11 de la charge 3034925 8 génère un signal de commande de charge comparé avec un signal en dent de scie afin de générer les rapports cycliques de commande des transistors. Lorsqu'il n'y a pas de saturation du système, les signaux de commande Avg Vgs 1 et Avg Vgs 2 des grilles des transistors 5 devraient être les mêmes. Pour traiter la saturation, le moyen de régulation 8 ajoute une valeur de décalage entre ces deux commandes par l'intermédiaire du premier sommateur 10. Cette valeur de décalage est proportionnelle à l'écart AI peak 10 entre les valeurs crêtes des courants circulant dans les bras du pont de diodes, qui est aussi l'image de la saturation. Lorsqu'une saturation apparaît, la valeur AI peak devient non nulle. Le moyen de régulation 8 (intégrateur, PI or PID classiques) assure que la valeur AI peak est toujours corrigée afin de tendre vers 0, en ajustant la valeur de 15 décalage à introduire entre les deux rapports cycliques. La figure 5 illustre une variante du système de commande dans laquelle le moyen de régulation 8 et le moyen de calcul 7 de l'écart peak compris dans le moyen de détermination d'une correction du signal de commande de la charge et illustrés sur la figure 4 sont 20 remplacés par un moyen de calcul 8b apte à déterminer la correction du signal de commande de charge en fonction de la valeur moyenne du courant I 1 transfo circulant dans l'enroulement primaire du transformateur. Si la valeur moyenne est nulle, il n'y a pas de correction. Le moyen de calcul 8b est compris dans un moyen de 25 détermination d'une correction du signal de commande de la charge. La figure 6 illustre une variante du système de commande dans laquelle le moyen de régulation 8 et le moyen de calcul 7 de l'écart peak compris dans le moyen de détermination d'une correction du signal de commande de la charge et illustrés sur la figure 4 sont 30 remplacés par un moyen de calcul 8c apte à déterminer la correction du signal de commande de charge en fonction du courant I 2 transfo circulant dans l'enroulement secondaire du transformateur. Ici aussi, si la valeur moyenne est nulle, il n'y a pas de correction. Le moyen de 3034925 9 calcul 8c est compris dans un moyen de détermination d'une correction du signal de commande de la charge. Les variantes illustrées par les figures 5 et 6 ont une dynamique plus lente due à un contrôle de la valeur moyenne du 5 courant et nécessitent un capteur de courant plus cher et/ou un système d'isolation additionnel. REVENDICATIONS1. Système de commande d'un chargeur de batterie pour véhicule automobile comprenant un pont complet de transistors (Ti, T2, T3, T4) connecté à un réseau d'alimentation électrique (1) et à l'enroulement primaire d'un transformateur (3) et un pont de diodes (Dl, D2, D3, D4) connecté à l'enroulement secondaire du transformateur (3) et à une batterie (5), caractérisé par le fait qu'il comprend : un système de commande (11) de la charge apte à émettre un signal de commande de la charge en fonction de l'état de la batterie et/ou du réseau d'alimentation électrique, un premier moyen de commande (14) d'une partie des transistors du pont complet en fonction de l'écart entre le courant circulant en amont du pont de transistors et le signal de commande de la charge, un moyen de détermination d'une correction du signal de commande de la charge en fonction des courants circulants en aval du pont de transistors, un premier sommateur (10) apte à déterminer un signal de commande de la charge corrigé en sommant le signal de commande de la charge et la correction du signal de commande de la charge, et un deuxième moyen de commande (15) des autres transistors du pont complet en fonction de l'écart entre le courant circulant en amont du pont de transistors et le signal de commande de la charge corrigé. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel le moyen de détermination d'une correction du signal de commande de la charge est apte à déterminer une correction en fonction de la valeur crête des courants circulants dans le pont de diodes. 3. Système selon la revendication 1, dans lequel le moyen de détermination d'une correction du signal de commande de la charge est apte à déterminer une correction en fonction de la valeur moyenne du courant circulant dans l'enroulement primaire du transformateur. 3034925 11 4. Système selon la revendication 1, dans lequel le moyen de détermination d'une correction du signal de commande de la charge est apte à déterminer une correction en fonction de la valeur moyenne du courant circulant dans l'enroulement secondaire du transformateur. 5 5. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moyen de détermination d'une correction du signal de commande de la charge est de type proportionnel, intégral, dérivée.