Brevet FR3029709A1 — publié le 20160610

DISPOSITIF D'ALIMENTATION ET CONVERTISSEUR DE TENSION CONTINUE AMELIORE La présente invention concerne le domaine des dispositifs d'alimentation de réseaux électriques de véhicule automobile et un procédé de pilotage d'un tel dispositif. Les contraintes sur les batteries des véhicules électriques sont importantes pour 5 pouvoir concurrencer les véhicules à moteur thermique. Ainsi, les batteries doivent à la fois avoir une densité d'énergie massique élevée, c'est-à-dire contenir une grande quantité d'énergie pour une taille réduite afin de procurer une autonomie importante, et être puissantes, c'est-à-dire capables de fournir ou d'emmagasiner une grande quantité d'énergie dans un temps très court, notamment lors des phases d'accélération ou de freinage en cas d'utilisation d'un 10 freinage régénératif. Un moyen d'obtenir ces caractéristiques est de combiner une batterie énergétique avec une batterie de puissance. Cependant, l'utilisation d'une telle combinaison requiert d'une part de pouvoir sélectionner la batterie sur laquelle on prélève l'énergie en fonction de la puissance demandée 15 et d'autre part de pouvoir transférer de l'énergie entre les batteries de manière à recharger l'une à partir de l'autre. Or, du fait des puissances mises en jeu qui sont de plusieurs dizaines de kilowatts, un convertisseur de tension continue de l'état de la technique permet de transférer une telle puissance a un coût très élevé puisqu'il nécessite des éléments magnétiques à forte capacité 20 énergétique et/ou des moyens de commutation qui supportent la tension (d'entrée ou de sortie) ainsi que l'intégralité du courant transmis générant ainsi de fortes pertes par commutation. Il convient donc de trouver une solution permettant de transférer la puissance d'une batterie à l'autre avec un rendement élevé et permettant également de sélectionner la batterie 25 sur laquelle est prélevée la puissance pour un coût limité. La présente invention a donc pour objet un dispositif d'alimentation d'un réseau électrique d'un véhicule automobile comprenant une première et une deuxième batterie et un convertisseur de tension continue comprenant une première borne reliée à la première batterie et une deuxième borne reliée à la deuxième batterie, la deuxième borne étant également 30 destinée à être connectée au réseau électrique, dans lequel le convertisseur de tension continue 3029709 2 est configuré pour réaliser une source de courant disposée en série entre la première et la deuxième batterie de façon à contrôler le courant échangé avec la première batterie. Selon un mode de réalisation, la première batterie a une densité d'énergie massique supérieure à celle de la deuxième batterie et/ou la deuxième batterie a une densité de 5 puissance supérieure à celle de la première batterie. Selon un mode de réalisation, le convertisseur de tension continue comprend une inductance disposée en série avec la première et la deuxième batterie et des interrupteurs configurés pour réguler le courant dans la première inductance. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend : 10 - un redresseur disposé en série avec l'inductance configuré pour redresser une tension alternative de façon à délivrer une tension contrôlant le courant parcourant l'inductance ; - un onduleur configuré pour délivrer une tension alternative audit redresseur à partir d'une source de tension, dite source d'alimentation de l'onduleur ; 15 - un transformateur comprenant un premier enroulement primaire dont les extrémités sont reliées à la sortie de l'onduleur et un enroulement secondaire dont les extrémités sont reliées à l'entrée du redresseur. Selon un mode de réalisation, l'onduleur est alimenté par la première batterie. Selon un mode de réalisation, l'onduleur est alimenté par une source de tension 20 différente des première et deuxième batteries. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend un chargeur électrique configuré pour charger la source d'alimentation de l'onduleur ou la première batterie à partir d'un réseau électrique extérieur au véhicule. Selon un mode de réalisation, l'onduleur est compris dans le chargeur, et le 25 transformateur comprend en outre un deuxième enroulement primaire connecté à un redresseur, au moins un interrupteur étant configuré pour connecter ledit redresseur aux bornes de la source d'alimentation de l'onduleur ou à la première batterie pour charger ladite source d'alimentation de l'onduleur ou la première batterie à partir dudit chargeur. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend au moins un interrupteur 30 configuré pour connecter l'onduleur avec la source d'alimentation de l'onduleur lors d'un échange d'énergie entre la première batterie et le réseau électrique du véhicule ou la deuxième batterie, et déconnecter l'onduleur d'avec la source d'alimentation de l'onduleur lors d'une 3029709 3 charge de ladite source d'alimentation ou de la première batterie par le chargeur. Selon un mode de réalisation, l'onduleur et le chargeur sont deux unités différentes, et le transformateur comprend un deuxième enroulement primaire connecté audit chargeur pour alimenter la source d'alimentation de l'onduleur ou la première batterie lors de la charge de 5 ladite source d'alimentation ou de la première batterie à partir dudit chargeur. L'invention concerne aussi un véhicule automobile comprenant un réseau électrique embarqué et un dispositif d'alimentation du réseau électrique selon l'invention. L'invention concerne également un procédé de pilotage d'un dispositif d'alimentation selon l'invention, dans lequel la différence de tension entre les première et deuxième batteries 10 est maintenue inférieure ou égale à un seuil. Selon un mode de réalisation, des interrupteurs de l'onduleur et du redresseur sont pilotés de manière à maintenir la tension aux bornes de la première batterie sensiblement égale à la tension aux bornes de la deuxième batterie. Selon un mode de réalisation, des interrupteurs de l'onduleur et du redresseur sont 15 pilotés de sorte que la différence de tension 4V entre la première et la deuxième batterie et la tension Ve aux bornes de la première batterie respecte la relation 0 La figure 1 représente un schéma équivalent du dispositif d'alimentation 1 dans lequel la première batterie 3 est représentée comme une première source de tension Ve, le convertisseur de tension continue 5 comme une source de courant Is, et la deuxième batterie 7 comme une source de tension Vp, le convertisseur de tension continue 5 étant disposé en série entre la première 3 et la deuxième 7 batterie. Les batteries 3, 7 sont également reliées à la masse 8. Ainsi, du fait de la mise en série des deux batteries 3, 7 et du convertisseur 5, le convertisseur 5 agit comme un régulateur de puissance des échanges avec la première batterie 3. La puissance vue par le convertisseur 5 est fonction de la différence de tension entre les 3 02 9 709 5 deux batteries 3, 7, ce qui permet de minimiser la puissance vue par le convertisseur 5 comme cela décrit par la suite. La figure 2 représente un schéma détaillé d'un exemple de dispositif d'alimentation 1 comprenant la première batterie 3 représentée par une première source de tension parfaite Ve' 5 et une première impédance Ze ; la deuxième batterie 7 représentée par une deuxième source de tension parfaite Vp' et une deuxième impédance Zp ; et le convertisseur 5 comprenant une première borne 9 et une deuxième borne 11 reliées respectivement à la première batterie 3 et à la deuxième batterie 7. La deuxième borne 11 du convertisseur 5 est également reliée au réseau électrique 13 du véhicule. Le convertisseur de tension 5 comprend une inductance 15 10 et un ensemble d'interrupteurs Ti, T2, T3, T4 en série avec la première 3 et la deuxième 7 batteries. Les interrupteurs Ti, T2, T3, T4 sont configurés pour réguler le courant dans l'inductance 15. Des successions d'ouverture et de fermeture des interrupteurs Ti, T2, T3, T4 permettent d'induire une montée ou une diminution du courant dans l'inductance 15. Ainsi, le courant échangé avec la première batterie 3 peut être régulé à une valeur de référence. 15 En particulier, l'ensemble d'interrupteur Ti, T2, T3, T4 en série avec l'inductance 15 forme un redresseur 17. Le redresseur 17 redresse une tension alternative pour la délivrer à l'inductance 15 et ainsi contrôler le courant circulant dans l'inductance 15. Selon un mode de réalisation, le redresseur 17 comprend deux branches B1 et B2 montées en parallèle, chacune des branches B 1, B2 comprenant deux interrupteurs Ti, T4 ou T2, T3 montés en série et 20 séparés par un point milieu, les points milieux étant notés respectivement ml et m2. Cependant, le redresseur 17 peut avoir une autre configuration, par exemple une configuration push-pull. Le redresseur 17 permet de réguler le courant dans l'impédance 15. Le redresseur 17 est alimenté, notamment via ses points milieux ml et m2, par un onduleur 21. Les interrupteurs Ti, T2, T3, T4 peuvent avoir une diode en parallèle. Cela peut être par exemple 25 le cas si le convertisseur 5 est monodirectionnel. L'onduleur 21 est configure pour délivrer une tension alternative au redresseur 17 à partir d'une source de tension, dite source d'alimentation de l'onduleur. Dans l'exemple illustré en figure 2, la source d'alimentation de l'onduleur est la première batterie 3. L'onduleur 21 est monté en parallèle avec la première batterie 3, c'est-à-dire entre la première 30 borne 9 du convertisseur 5 et la masse 8. Selon un mode de réalisation, l'onduleur 21 comprend deux branches B3 et B4 montées en parallèle, chacune des branches B3, B4 comprenant deux interrupteurs Ql, Q2 ou Q3, Q4 branchés en série et séparés par un point 3029709 6 milieu, les points milieux étant notés respectivement m3 et m4. Cependant, l'onduleur 21 peut avoir une autre configuration, par exemple une configuration push-pull. Des diodes 22 peuvent être montées en parallèle des interrupteurs Ql, Q3, Q2, Q4 de l'onduleur 21. Alternativement, les diodes 22 peuvent être des diodes intrinsèques aux interrupteurs Ql, Q3, 5 Q2, Q4. C'est notamment le cas lorsque les interrupteurs Ql, Q3, Q2, Q4 sont des transistors MOSFET. Ainsi les points milieux m3 et m4 de l'onduleur 21 sont reliés aux points milieux ml et m2 du redresseur 17 pour alimenter le redresseur 17 et ainsi réguler le courant dans l'inductance 15. L'onduleur 21 fonctionne avec une forte tension et un faible courant et le redresseur 10 17 fonctionne avec un fort courant et une faible tension. Afin d'isoler les contraintes électriques entre l'onduleur 21 et le redresseur 17, un transformateur 23 est disposé entre les points milieux m3, m4 de l'onduleur 21 et les points milieux ml, m2 du redresseur 17. Ainsi, les extrémités d'un premier enroulement el du transformateur 23 sont reliées respectivement aux points milieux m3 et m4 de l'onduleur 21 tandis que les extrémités d'un deuxième 15 enroulement e2 du transformateur 23 sont reliées respectivement aux points milieux ml et m2 du redresseur 17. Le convertisseur 5 peut être réversible et permet donc un transfert d'énergie de la première borne 9 vers la deuxième borne 11 et de la deuxième borne 11 vers la première borne 9. Ainsi, le convertisseur 5 permet un transfert de la première batterie 3 vers la 20 deuxième batterie 7 et inversement. Alternativement, le convertisseur 5 peut-être monodirectionnel, c'est-à-dire ne permettre un transfert d'énergie que de la première borne 9 vers la deuxième borne 11, ou que de la deuxième borne 11 vers la première borne 9. La figure 3 illustre un exemple de fonctionnement du dispositif d'alimentation 1. L'onduleur 21 contrôle le niveau de tension appliqué à l'inductance 15. La tension délivrée 25 par l'onduleur 21 est déterminée par les commandes des interrupteurs Ql, Q3, Q2, Q4. L'onduleur 21 est commandé par un décalage de phase cp entre les bras B3, B4 de l'onduleur 21. La tension V23 délivrée par l'onduleur 21 entre les points milieux m3, m4 est déterminée par le décalage de phase cp entre les bras B3, B4 de l'onduleur 21. Cependant, l'onduleur 21 pourrait être commandé par tout type de commande permettant de délivrer une tension 30 alternative en sortie de l'onduleur 21. Dans un bras B3, B4 un temps mort tri,' peut être prévu entre les interrupteurs Ql, Q2 ou Q4, Q3 du bras pour éviter une conduction simultanée dans les deux interrupteurs du bras. 3029709 7 Le redresseur 17 détermine la polarité de la tension appliquée à l'inductance 15. Les interrupteurs Ti, T2, T3, T4 sont fermés en correspondance suivant une diagonale en fonction de la polarité que l'on souhaite appliquer à l'inductance 15. Par exemple par convention, un sens positif peut être pris de la première 3 vers la deuxième 7 batterie et un sens négatif de la 5 deuxième 7 vers la première batterie 3. Chaque bras B1,B2 a un interrupteur T 1, T2 connecté à l'inductance 15 et un interrupteur T4,T3 connecté à la deuxième borne 11 du convertisseur 5, ces interrupteurs étant séparés par un point milieu ml, m2. Suivant le sens dans lequel on souhaite appliquer la tension délivrée par l'onduleur 21, soit l'interrupteur Ti du premier bras B1 situé du côté de l'inductance 15 est fermé avec l'inductance T3 du deuxième bras B2 situé 10 du côté de la deuxième borne 11, les autres interrupteurs T2, T4 étant ouverts ; soit l'interrupteur T2 du deuxième bras B2 situé du côté de l'inductance 15 est fermé avec l'inductance T4 du premier bras B1 situé du côté de la deuxième borne 11, les autres interrupteurs Ti, T3 étant ouverts. Lorsque la tension V23 délivrée par l'onduleur 21 est nulle les interrupteurs Ti, T2, T3, T4 du redresseur 17 sont fermés pour mettre en court-circuit 15 l'enroulement secondaire e2 du transformateur 23. Les interrupteurs Ti, T2, T3, T4 du redresseur 17 peuvent être ouverts en avance de phase Pl lorsque la tension délivrée par l'onduleur 21 passe d'une valeur nulle à une valeur non nulle et peuvent être fermés en retard de phase P2 lorsque la tension délivrée par l'onduleur 21 passe d'une valeur non nulle à une valeur nulle. Ceci permet de sauvegarder une énergie stockée dans les inductances de fuite du 20 transformateur 23 en la réinjectant dans la source d'alimentation de l'onduleur 21, par l'intermédiaire de l'onduleur 21. En particulier, on peut donc réinjecter cette énergie dans la première batterie 3 lorsque la source d'alimentation de l'onduleur 21 est la première batterie 3. Lorsqu'une tension positive est appliquée à l'inductance 15, le courant dans 25 l'inductance 15 augmente, lorsqu'une tension négative est appliquée à l'inductance 15, le courant dans l'inductance 15 diminue. Ainsi, en contrôlant la valeur absolue de la pente du courant grâce à l'onduleur 21 et le signe de cette pente grâce au redresseur 17, on peut contrôler le courant circulant dans l'inductance 15 et donc obtenir une source de courant en série entre la première batterie 3 et la deuxième batterie 7. 30 La source de courant peut par exemple délivrer un courant correspondant à un courant maximum pouvant être échangé avec la première batterie 3. Le courant de sortie de la première batterie 3 est par exemple inférieur à un seuil, notamment 135 A, et le courant 3029709 8 d'entrée est inférieur à un seuil, notamment 45 A pour permettre d'optimiser l'endurance de la batterie. Ces seuils dépendent de la technologie des cellules de stockage de la première batterie 3. La deuxième batterie peut recevoir ou émettre un courant est plus élevé que le courant de la première batterie. 5 En fonctionnement, le convertisseur 5 permet d'échanger de l'énergie avec la première batterie 3 avec un fort courant alors que la puissance du convertisseur 5 reste très faible. Ceci est en particulier le cas, lorsque la différence de tension entre la première 3 et la deuxième batterie 7 est sensible ou maintenue inférieure ou égale à un seuil. 10 La puissance du convertisseur 5 est donnée par la relation : Psource 1*(Ve-Vp)=Pbi*(1-Ve/Vp) (1) avec Psource la puissance de la source de courant formée par le convertisseur 5, i le courant entre la première borne 9 et la deuxième borne 11, Ve la tension entre la première borne 9 et la masse 8 c'est-à-dire aux bornes de la première batterie 3, Vp la tension entre la deuxième 15 borne 11 et la masse 8 c'est-à-dire aux bornes de la deuxième batterie 7 et, Pbi la puissance de la première batterie 3. Ainsi, à partir de l'équation (1), on observe qu'en maintenant les tensions Ve et Vp proches l'une de l'autre, la puissance vue par le convertisseur 5 est proche de zéro watt. Par ailleurs, le rendement du convertisseur 5 peut être défini par : 20 riconv- i( 1±( -Ilsource)* I 1 Ve/VP I ) (2) avec risource le rendement de la source de courant formée par le convertisseur 5 et défini par : rlsource-Psourceesource+Ppertes) (3) avec P - pertes la puissance liée aux pertes dans le convertisseur. Ainsi, à partir de l'équation (2), on observe qu'en maintenant les tensions Ve et Vp proches 25 l'une de l'autre, le rendement du convertisseur est proche de 1. La différence de tension entre la première batterie 3 et la deuxième batterie 7 peut respecter la relation : IVe -Vp1 REVENDICATIONS1. Dispositif d'alimentation (1, 1', 100, 100') d'un réseau électrique (13) d'un véhicule automobile comprenant une première (3) et une deuxième (7) batterie et un convertisseur de tension continue (5) comprenant une première borne (9) reliée à la première batterie (3) et une deuxième borne (11) reliée à la deuxième batterie (7), la deuxième borne (11) étant également destinée à être connectée au réseau électrique (13), dans lequel le convertisseur de tension continue (5) est configuré pour réaliser une source de courant disposée en série entre la première (3) et la deuxième (7) batterie de façon à contrôler le courant échangé avec la première batterie (3). 2. Dispositif (1, 1', 100, 100') selon la revendication 1, dans lequel la première batterie (3) a utie densité d'énergie massique supérieure à celle de la deuxième batterie (7) et/ou la deuxième batterie (7) a une densité de puissance supérieure à celle de la première batterie (3). 3. Dispositif (1, 1', 100, 100') selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le convertisseur de tension continue (5) comprend une inductance (15) disposée en série avec la première (3) et la deuxième (7) batterie et des interrupteurs (T1, T2, T3, T4) configurés pour réguler le courant dans la première inductance (15). 4. Dispositif (1, l', 100, 100') selon la revendication 3, comprenant : - un redresseur (17) disposé en série avec l'inductance (15) configure pour redresser une tension alternative de façon à délivrer une tension contrôlant le courant parcourant l'inductance (15) ; - un onduleur (21) configuré pour délivrer une tension alternative audit redresseur (17) à partir d'une source de tension, dite source d'alimentation de l'onduleur ; - un transformateur (23) comprenant un premier enroulement primaire (e 1) dont les extrémités sont reliées à la sortie de l'onduleur (21) et un enroulement secondaire (e2) dont les extrémités sont reliées à l'entrée du redresseur (17). 5. Dispositif (1, 100, 100') selon la revendication 4, dans lequel l'onduleur (21) est alimenté par la première batterie (3). 3029709 15 6. Dispositif (1') selon la revendication 4, dans lequel l'onduleur (21) est alimenté par une source de tension (Va) différente des première (3) et deuxième (7) batteries. 5 7. Dispositif (100, 100') selon l'une des revendications 4 à 6, comprenant un chargeur électrique (24) configuré pour charger la source d'alimentation de l'onduleur (21) ou la première batterie (3) à partir d'un réseau électrique extérieur au véhicule. 8. Dispositif (100') selon la revendication précédente, dans lequel l'onduleur (21) 10 est compris dans le chargeur (24), et le transformateur (23) comprend en outre un deuxième enroulement primaire (el') connecté à un redresseur (25), au moins un interrupteur (C1A, C1B) étant configuré pour connecter ledit redresseur (25) aux bornes de la source d'alimentation de l'onduleur (21) ou à la première batterie (3) pour charger ladite source d'alimentation de l'onduleur (21) ou la première batterie (3) à partir dudit 15 chargeur (24). 9. Dispositif (100') selon la revendication précédente comprenant au moins un interrupteur (C2A, C2B) configuré pour connecter l'onduleur (21) avec la source d'alimentation de l'onduleur (21) lors d'un échange d'énergie entre la première batterie 20 (3) et le réseau électrique du véhicule ou la deuxième batterie (7), et déconnecter l'onduleur (21) d'avec la source d'alimentation de l'onduleur (21) lors d'une charge de ladite source d'alimentation ou de la première batterie (3) par le chargeur (24). 10. Dispositif (100) selon la revendication 7, dans lequel l'onduleur (21) et le 25 chargeur (24) sont deux unités différentes, et dans lequel le transformateur (23) comprend un deuxième enroulement primaire (el') connecté audit chargeur (24) pour alimenter la source d'alimentation de l'onduleur (21) ou la première batterie (3) lors de la charge de ladite source d'alimentation ou de la première batterie (3) à partir dudit chargeur (24). 30 11. Véhicule automobile comprenant un réseau électrique embarqué (13) et un dispositif d'alimentation (1, 1', 100, 100') du réseau électrique selon l'une des revendications 1 à 10. 12. Procédé de pilotage d'un dispositif d'alimentation (1, l', 100, 100') selon l'une des 3029709 16 revendications 1 à 10, dans lequel la différence de tension entre les première (3) et deuxième (7) batteries est maintenue inférieure ou égale à un seuil. 13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel : 5 - le dispositif d'alimentation (1, 1', 100, 100') est selon l'une des revendications 4 à 10 ; et - des interrupteurs de l'onduleur (21) et du redresseur (17) sont pilotés de manière à maintenir la tension (Ve) aux bornes de la première batterie (3) sensiblement égale à la tension (Vp) aux bornes de la deuxième batterie (7). 10 14. Procédé selon la revendication 12, dans lequel : - le dispositif d'alimentation (1, 1', 100, 100') est selon l'une des revendications 4 à 10 ; et - des interrupteurs de l'onduleur (21) et du redresseur (17) sont pilotés de sorte 15 que la différence de tension 4V entre la première (3) et la deuxième batterie (7) et la tension Ve aux bornes de la première batterie (3) respecte la relation 0 15. Procédé selon l'une des revendications 12 à 14, dans lequel : - le dispositif d'alimentation (1, 1', 100, 100') est selon l'une des revendications 4 20 à 10 ; et - des interrupteurs (T1, T2, T3, T4) du redresseur (17) sont ouverts en avance de phase (P1) lorsque la tension délivrée par l'onduleur (21) passe d'une valeur nulle à une valeur non nulle et sont fermés en retard de phase (P2) lorsque la tension délivrée par l'onduleur (21) passe d'une valeur non nulle à une valeur nulle. 25