Brevet FR3058593A1 — publié le 20180511

Procédé de commande d'un redresseur triphasé pour un dispositif de charge embarqué sur un véhicule électrique ou hybride La présente invention concerne un procédé de commande d'un redresseur triphasé pour un dispositif de charge à entrée triphasée, comprenant un convertisseur AC-DC (courant alternatif-courant continu) isolé. Un tel dispositif de charge est particulièrement adapté pour une utilisation en tant que dispositif embarqué dans un véhicule automobile électrique ou hybride. Ces véhicules sont équipés de batteries électriques haute tension et comprennent généralement des chargeurs embarqués, c'est-à-dire des dispositifs de charge des batteries électriques qui sont montés directement sur les véhicules. La fonction principale de ces dispositifs de charge est la recharge des batteries à partir de l'électricité disponible sur le réseau de distribution électrique. Ils assurent donc une conversion d'un courant alternatif en courant continu. Les critères recherchés pour les dispositifs de charge, et tout particulièrement pour les chargeurs embarqués, sont un rendement élevé, un faible encombrement, une isolation galvanique, une bonne fiabilité, une sécurité de fonctionnement, une faible émission de perturbations électromagnétiques, et un faible taux d'harmoniques sur le courant d'entrée. On se place ici dans la catégorie des dispositifs de charge à entrée triphasée, qui présentent une puissance de charge supérieure relativement aux dispositifs de charge à entrée monophasée. La figure 1 illustre une topologie connue d'un dispositif de charge 10 isolé, embarqué sur un véhicule électrique ou hybride pour la recharge de la batterie haute tension 20 du véhicule à partir du réseau électrique triphasé 30 auquel le dispositif de charge embarqué 10 est connecté par l'intermédiaire de l'impédance de ligne 40 du réseau. Afin de mettre en oeuvre la fonction de conversion AC-DC avec isolation galvanique, il est connu d'utiliser un dispositif de charge 10 comprenant un premier convertisseur AC-DC, qui comporte un circuit correcteur de facteur de puissance 11 (PFC, pour « Power factor Correction ») afin de limiter les harmoniques de courant d'entrée, et un deuxième convertisseur DC-DC (courant continu-courant continu) 12, pour assurer la régulation de la charge et également pour assurer la fonction d'isolation pour la sécurité d'utilisation. Un filtre d'entrée 13 est classiquement intégré en entrée du dispositif de charge 3058593 2 embarqué 10, en amont du circuit PFC 11 par rapport au réseau électrique triphasé 30. Le circuit PFC 11 est géré par un contrôleur intégré (non représenté), qui analyse et corrige en temps réel l'allure du courant par rapport à la tension. Il en 5 déduit les erreurs de forme par comparaison avec la sinusoïde redressée de la tension et il les corrige en contrôlant la quantité d'énergie grâce à un découpage haute fréquence et un stockage d'énergie dans une inductance. Son rôle est plus précisément d'obtenir un courant non déphasé et le plus sinusoïdal possible en entrée de l'alimentation du chargeur. 10 Pour le circuit PFC, il est possible de mettre en oeuvre un redresseur triphasé trois niveaux à trois interrupteurs, communément connu sous le nom de redresseur triphasé de Vienne. Le choix de cette topologie est en effet particulièrement avantageux du point de vue des performances pour la correction de facteur de puissance. 15 Le document de brevet CN 104811061 décrit à la figure 1 une modélisation d'un tel redresseur PFC triphasé où chaque phase de la tension d'entrée alternative triphasée est reliée par des inductances respectives L1, L2, L3 à un bras de commutation du redresseur pourvu d'une cellule d'interrupteurs de puissance, respectivement 51, S2, S3, les cellules d'interrupteurs de 20 puissance étant disposées chacune entre une inductance respective et un point milieu M entre les deux tensions de sortie du redresseur, correspondant respectivement à la tension sur un premier condensateur de sortie Cl connecté entre le point milieu et une ligne d'alimentation positive et à la tension sur un deuxième condensateur de sortie C2 connecté entre le point milieu et une ligne 25 d'alimentation négative. Généralement pour commander un tel redresseur, on mesure les tensions et les courants en entrée de chaque interrupteur ainsi qu'en sortie du redresseur et on utilise des boucles de régulation permettant de générer des rapports cycliques nécessaires pour régler le temps de conduction moyen des 30 interrupteurs. L'état de l'art sur l'application des rapports cycliques sur chaque bras de commutation d'un redresseur triphasé de Vienne consiste à utiliser l'un ou l'autre des deux interrupteurs en fonction du sens de circulation du courant sur le bras. 3058593 3 Dans un contexte où on cherche à faire passer une forte puissance à travers le chargeur pour la recharge de la batterie, il existe un risque important de fluctuation des courants (« ripples » selon la terminologie anglo-saxonne) au niveau des condensateurs de sortie du redresseur triphasé, ce qui rend plus 5 complexe la régulation des tensions de sortie du redresseur par l'étage DC-DC prévu pour évacuer l'énergie stockée dans les condensateurs vers la batterie. Il existe un besoin pour une stratégie d'application des rapports cycliques sur les bras de commutation du redresseur triphasé de Vienne qui soit adaptée à ce contexte. 10 Conformément à l'invention, ce but est atteint par un procédé de commande d'un circuit correcteur de facteur de puissance pour un dispositif de charge de batterie embarqué dans un véhicule automobile électrique ou hybride, ledit dispositif de charge étant apte à être connecté à un réseau d'alimentation électrique triphasé afin de charger la batterie et comportant un 15 convertisseur AC-DC isolé comprenant ledit circuit correcteur de facteur de puissance et un convertisseur DC-DC, ledit circuit correcteur de facteur de puissance étant un redresseur triphasé de Vienne comprenant un pont à diodes triphasé et trois bras de commutation intégrés au pont à diodes, les bras de commutation étant aptes à être connectés chacun à l'une des phases 20 respectives du réseau d'alimentation triphasé par l'intermédiaire d'une bobine d'inductance en série et comprenant chacun un montage en série d'un interrupteur haut apte à être piloté quand le courant du réseau est positif et d'un interrupteur bas apte à être piloté quand le courant du réseau est négatif, les bras de commutation étant interconnectés en un point milieu auquel sont reliés 25 un premier condensateur de sortie pour supporter une première tension de sortie du pont à diodes triphasé et un deuxième condensateur de sortie pour supporter une deuxième tension de sortie du pont à diodes triphasé, chaque bras étant piloté à l'aide de signaux de commande de modulation par largeur d'impulsion dont le rapport cyclique de commutation est déterminé en fonction 30 d'une régulation des courants en entrée du redresseur générant des tensions cibles entre phases à réaliser en fonction de valeurs de courants de consigne, caractérisé en ce qu'il comprend des étapes dans lesquelles : 3058593 4 - on détermine, sur chaque période des courants de consigne, des combinaisons de fermeture d'interrupteurs, exclusives entre elles, aptes à réaliser les tensions cibles entre phases souhaitées par la régulation, - on calcule les rapports cycliques pour chaque interrupteur piloté à partir 5 des combinaisons de fermeture d'interrupteurs déterminées pour la réalisation des tensions cibles entre phases, de sorte à obtenir des courants égaux dans les deux condensateurs de sortie. De préférence, on détermine les combinaisons de fermeture d'interrupteurs en sélectionnant, pour chaque instant donné de la période des 10 courants de consigne, les combinaisons de fermeture d'interrupteurs permettant de découper les tensions entre phases du réseau selon l'un ou l'autre de deux états de tension délimitant toute valeur de tension pouvant être réalisée pour les tensions cibles entre phase. Avantageusement, on détermine, pour chaque combinaison de fermeture 15 d'interrupteurs, le temps de fermeture où l'on a les interrupteurs pilotés des bras de commutation concernés par ladite combinaison de fermeture à l'état fermé, et on calcule les rapports cycliques pour chaque interrupteur piloté en fonction des temps de fermeture déterminés. Avantageusement, on détermine les temps de fermeture en fonction des 20 tensions cibles entre-phase souhaitées à un instant donnée ainsi que des mesures de courant dans chacun des condensateurs de sortie. De préférence, on divise la période des courants de consigne en des portions de périodes représentant un sixième d'une période complète des courants de consigne et on applique les étapes du procédé sur chaque portion 25 de période. L'invention concerne également un dispositif de commande d'un circuit correcteur de facteur de puissance pour un dispositif de charge de batterie embarqué dans un véhicule automobile électrique ou hybride, ledit dispositif de charge étant apte à être connecté à un réseau d'alimentation électrique triphasé 30 afin de charger la batterie et comportant un convertisseur AC-DC isolé comprenant ledit circuit correcteur de facteur de puissance et un convertisseur DC-DC, ledit circuit correcteur de facteur de puissance étant un redresseur triphasé de Vienne comportant trois bras de commutation aptes à être connectés chacun à l'une des phases respectives du réseau d'alimentation 3058593 5 triphasé par l'intermédiaire d'une bobine d'inductance en série, les bras de commutation étant interconnectés en un point milieu auquel sont reliés un premier condensateur de sortie pour supporter une première tension de sortie du pont à diodes triphasé et un deuxième condensateur de sortie pour 5 supporter une deuxième tension de sortie du pont à diodes triphasé, chaque bras étant piloté à l'aide de signaux de commande de modulation par largeur d'impulsion dont le rapport cyclique de commutation est déterminé en fonction d'une régulation des courants en entrée du redresseur générant des tensions cibles entre phases à réaliser en fonction de valeurs de courants de consigne, 10 ledit dispositif de commande comprenant des moyens de traitement agencés pour exécuter les étapes du procédé tel que décrit ci-dessus. Ces moyens de traitement peuvent par exemple comprendre un processeur, par exemple un microprocesseur, un microcontrôleur, ou autre. L'invention concerne encore un véhicule automobile électrique ou hybride 15 comprenant une batterie haute tension et un dispositif de charge embarqué apte à charger la batterie à partir d'un réseau d'alimentation électrique triphasé, ledit dispositif de charge comportant un convertisseur AC-DC isolé comprenant un circuit correcteur de facteur de puissance et un convertisseur DC-DC, ledit circuit correcteur de facteur de puissance étant un redresseur triphasé de 20 Vienne, ledit véhicule comprenant un dispositif de commande tel que décrit ci-dessus. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux figures 25 suivantes dans lesquelles : - la figure 1 illustre de façon schématique une topologie connue d'un dispositif de charge de batterie destiné à être embarqué sur un véhicule automobile électrique ou hybride, - la figure 2 illustre de façon schématique la structure d'un redresseur 30 triphasé de Vienne intégré au dispositif de charge de la figure 1, sans le filtre d'entrée, - la figure 3 est un schéma illustrant l'évolution des tensions de phase Vt V2 V3 en entrée du redresseur sur une période du courant réseau. 3058593 6 La figure 2 rappelle donc la structure du redresseur triphasé de Vienne utilisé ici pour la correction du facteur de puissance du dispositif de charge. Le redresseur triphasé de Vienne 110 comprend trois connexions entrantes parallèles couplées chacune à une phase A, B, C d'un réseau d'alimentation 5 électrique 4 triphasé par l'intermédiaire d'une bobine d'inductance en série L1, L2, L3, et reliée chacune à une paire d'interrupteurs Si, S2, S3 formant un premier un deuxième et un troisième bras de commutation du redresseur triphasé de Vienne. Chaque paire d'interrupteurs 51, S2, S3 comprend un montage série 10 constitué d'un premier interrupteur correspondant 1H, 2H, 3H, qui est piloté quand un courant d'entrée correspondant la, lb, Ic est positif, et d'un second interrupteur correspondant IL, 2L, 3L qui est piloté quand le courant d'entrée correspondant est négatif. Autrement dit, on utilise un seul interrupteur piloté sur une branche de commutation pour le hachage du courant. Les interrupteurs 15 sont formés par des composants semi-conducteurs commandés à la fermeture et à l'ouverture, tel que par exemple des transistors MOS (acronyme anglais pour « Metal Oxide Semiconductor »), connectés en antiparallèle avec une diode. Les interrupteurs 1H sont également nommés interrupteurs haut et les interrupteurs 1L, interrupteurs bas. 20 Le redresseur triphasé de Vienne comprend aussi trois branches parallèles 1, 2 et 3, comportant chacune deux diodes D1 et D2, D3 et D4 et D5 et D6, qui forment un pont triphasé à six diodes permettant de redresser le courant et la tension prélevés à partir du réseau d'alimentation électrique 4 triphasé. Chaque entrée du redresseur triphasé de Vienne est connectée, par 25 une connexion entrante parallèle respective, à un point de connexion situé entre deux diodes d'une même branche 1, 2 et 3. Les deux extrémités communes des branches 1, 2 et 3 constituent deux bornes de sorties 5 et 6, respectivement positive et négative, du redresseur triphasé de Vienne, qui sont destinées à être couplées au dispositif DC-DC. 30 Les bras de commutation Si, S2, S3 de chaque phase sont par ailleurs connectés chacun respectivement entre le point de connexion situé entre les deux diodes des première, deuxième et troisième branches 1, 2 et 3 et un point milieu M des tensions de sortie VDC_high et VDc_10 du redresseur triphasé de Vienne, correspondant respectivement à la tension sur un condensateur de 3058593 7 sortie Cl entre la borne de sortie positive 5 du redresseur triphasé et le point milieu M et à la tension sur un condensateur de sortie C2 entre le point milieu M et une borne de sortie négative 6 du redresseur triphasé. A noter que la tension sur les condensateurs de sortie C1, C2 est asservie 5 de façon indépendante par le convertisseur DC-DC du dispositif de charge connecté en sortie du redresseur triphasé de Vienne, selon la topologie globale illustré à la figure 1. Autrement dit, les tensions de sortie du redresseur triphasé de Vienne sont commandées par le convertisseur DC-DC. Le redresseur triphasé de Vienne intercalé à l'entrée de l'alimentation du 10 chargeur assume le rôle de correction du facteur de puissance du chargeur. Un tel rôle permet d'empêcher les courants perturbateurs (harmoniques) produits par le chargeur, de circuler à travers l'impédance du réseau, située en amont du redresseur de Vienne. Les bras de commutation S1, S2 et S3 de chaque phase sont contrôlés 15 aux moyens de trois signaux de commande PWM (d'après l'anglais « Pulse Width Modulation ») ayant un rapport cyclique variable individuellement réglé par des moyens de traitement de type microcontrôleur par exemple (non représenté). Ainsi, les moyens de traitement sont adaptés à déterminer les rapports cycliques des signaux de commande de commutation des 20 interrupteurs des bras de commutation du redresseur, nécessaires pour l'asservissement des courants sinusoïdaux en entrée du redresseur. A noter qu'à chaque instant, on a seulement un interrupteur par bras de commutation qui a une influence sur les tensions entre-phases, l'autre interrupteur étant court-circuité par la diode montée en parallèle. 25 Soient V1, V2 et V3 les tensions simples, entre phases et neutre, en entrée du redresseur triphasé de Vienne et L la valeur des inductances L1, L2 et L3 connectées en série respectivement entre les points A, B et C et les bras de commutation du redresseur. Le calcul des rapports cycliques de hachage à appliquer via les bras de 30 commutation est effectué en fonction des valeurs des tensions de phase qui varient au cours d'une période. Pour cela, la période du courant réseau triphasé est divisée en six portions de périodes, comme le montre la figure 3, illustrant l'évolution des courants de consigne représentés par les tensions de phase V1, V2 V3 sur une période du courant réseau. Comme on cherche à avoir un facteur 3058593 8 de puissance le plus proche de 1, les tensions de phase sur chaque bras vont être en phase avec les courants. Les portions de période référencées P1 à P6 sur la figure 3 sont aisément identifiables à partir des courants de consigne. Par exemple, la portion de période P1 correspond à un courant de consigne positif 5 sur le premier bras de commutation 1 et à des courants de consigne négatifs sur les deuxième et troisième bras de commutation S2 et S3. Pour chaque portion de période ainsi identifiée, on va déterminer les tensions entre phases V12 et V13 susceptibles d'être réalisées pour les différentes combinaisons possibles de fermeture d'interrupteurs des bras de 10 commutation Si, S2 et S3 du redresseur. A noter qu'à chaque instant, on utilise un seul interrupteur piloté sur une branche de commutation pour le hachage du courant, de sorte que seul un interrupteur par bras a une influence sur les tensions entre-phases, l'autre étant court-circuité par la diode en parallèle. Pour la première portion de période P1, les tensions entre phases 15 suivantes sont susceptibles d'être réalisées en fonction des interrupteurs qui sont fermés : Interrupteur fermés V12 V13 Tout ouvert 2*Vdc 2*Vdc S1 Vdc Vdc S2 Vdc 2*Vdc S3 2*Vdc Vdc S1S2 0 Vdc S1S3 Vdc 0 S2S3 Vdc Vdc S1 S2S3 0 0 En fonction des combinaisons de fermeture des interrupteurs de chacune des phases, il est donc possible de réaliser, pour les tensions entre phases V12 20 et V13, toute valeur de tension comprise entre 0 et 2*Vdc. Pour limiter les fluctuations de courant, on choisit de découper entre deux états proches, c'est-à-dire que pour réaliser une tension entre OV et Vdc, on choisira des états à OV ou Vdc et pour une tension entre Vdc et 2*Vdc, on choisira des états à Vdc ou 2*Vdc. 25 La stratégie doit permettre de traiter tous les cas possibles pour chaque instant donné. Dans la suite, nous donnerons un exemple d'application étant 3058593 9 entendu que l'approche sera exactement la même pour toute valeur souhaitée de commande V12 et V13. Nous prenons un exemple où nous nous plaçons au début de la première portion de période identifiée P1. Lors de la mise en oeuvre de la régulation de 5 puissance qui va générer des tensions à réaliser via les bras de commutation, l'équation qui régit chaque courant (par exemple le courant différentiel lab entre les phases A et B), en entrée du redresseur triphasé de Vienne est la suivante : Li ab V12 -V12 commande où Vie comma/ide est la tension commandée appliquée par la régulation. 10 Nous pouvons estimer l'ordre de grandeur du terme à gauche de l'équation précédente. Pour un courant commandé à 22kW entre phases : I ab = 32-N-Nsin(cot) = 78.38 sin(wt) Sa dérivée est égale à : ab = 78.38 * cc)* cos(wt) = 78.38 * 2* pi * 50 * cos(wt) = 24625 cos(wt) 15 En multipliant la dérivée par L=60pH, on obtient : Liab = 60 *10-6 * 24625 cos(wt) =1.47 cos(wt) La différence entre la tension entre phases mesurée en entrée du redresseur V12 et celle commandée par la régulation V12_commande est sinusoïdale avec une amplitude de l'ordre de 1.5V. Compte tenu de l'amplitude de la 20 tension composée à 230*-= 563V, la différence entre les tensions est quasi-nulle pour une commande en régime stabilisée. Au début de la première portion de période P1 (Vdc étant de l'ordre de 400V), on a : V12 _ cible > Vdc V13 _cible REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'un circuit correcteur de facteur de puissance (11) pour un dispositif de charge (10) de batterie (20) embarqué dans un véhicule automobile électrique ou hybride, ledit dispositif de charge étant apte à être connecté à un réseau d'alimentation électrique triphasé (4) afin de charger la batterie et comportant un convertisseur AC-DC isolé comprenant ledit circuit correcteur de facteur de puissance (11) et un convertisseur DC-DC (12), ledit circuit correcteur de facteur de puissance (11) étant un redresseur triphasé de Vienne (110) comprenant un pont à diodes triphasé et trois bras de commutation (51, S2, S3) intégrés au pont à diodes, les bras de commutation étant aptes à être connectés chacun à l'une des phases respectives (A, B, C) du réseau d'alimentation triphasé (4) par l'intermédiaire d'une bobine d'inductance en série (L1, L2, L3) et comprenant chacun un montage en série d'un interrupteur haut apte à être piloté quand le courant du réseau est positif et d'un interrupteur bas apte à être piloté quand le courant du réseau est négatif, les bras de commutation (51, S2, S3) étant interconnectés en un point milieu (M) auquel sont reliés un premier condensateur de sortie (C1) pour supporter une première tension de sortie (VDc_high) du pont à diodes triphasé et un deuxième condensateur de sortie (C2) pour supporter une deuxième tension de sortie (VDc_lo) du pont à diodes triphasé, chaque bras étant piloté à l'aide de signaux de commande de modulation par largeur d'impulsion dont le rapport cyclique de commutation est déterminé en fonction d'une régulation des courants en entrée du redresseur générant des tensions cibles entre phases à réaliser en fonction de valeurs de courants de consigne, caractérisé en ce qu'il comprend des étapes dans lesquelles : - on détermine, sur chaque période des courants de consigne, des combinaisons de fermeture d'interrupteurs, exclusives entre elles, aptes à réaliser les tensions cibles entre phases souhaitées par la régulation, - on calcule les rapports cycliques pour chaque interrupteur piloté à partir des combinaisons de fermeture d'interrupteurs déterminées pour la réalisation des tensions cibles entre phases, de sorte à obtenir des courants égaux dans les deux condensateurs de sortie. 305 85 93 15 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on détermine les combinaisons de fermeture d'interrupteurs en sélectionnant, pour chaque instant donné de la période des courants de consigne, les combinaisons de fermeture d'interrupteurs permettant de découper les tensions entre phases du 5 réseau selon l'un ou l'autre de deux états de tension délimitant toute valeur de tension pouvant être réalisée pour les tensions cibles entre phase. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on détermine, pour chaque combinaison de fermeture d'interrupteurs, le temps de fermeture où l'on a les interrupteurs pilotés des bras de commutation concernés 10 par ladite combinaison de fermeture à l'état fermé, et on calcule les rapports cycliques pour chaque interrupteur piloté en fonction des temps de fermeture déterminés. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on détermine les temps de fermeture en fonction des tensions cibles entre-phase souhaitées 15 à un instant donné ainsi que des mesures de courant dans chacun des condensateurs de sortie. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on divise la période des courants de consigne en des portions de périodes représentant un sixième d'une période complète des 20 courants de consigne et en ce qu'on applique les étapes du procédé sur chaque portion de période. 6. Dispositif de commande d'un circuit correcteur de facteur de puissance (11) pour un dispositif de charge (10) de batterie (20) embarqué dans un véhicule automobile électrique ou hybride, ledit dispositif de charge 25 étant apte à être connecté à un réseau d'alimentation électrique triphasé (4) afin de charger la batterie et comportant un convertisseur AC-DC isolé comprenant ledit circuit correcteur de facteur de puissance (11) et un convertisseur DC-DC (12), ledit circuit correcteur de facteur de puissance (11) étant un redresseur triphasé de Vienne (110) comportant trois bras de 30 commutation (S1, S2, S3) aptes à être connectés chacun à l'une des phases respectives (A, B, C) du réseau d'alimentation triphasé (4) par l'intermédiaire d'une bobine d'inductance en série (L1, L2, L3), les bras de commutation (S1, S2, S3) étant interconnectés en un point milieu (M) auquel sont reliés un premier condensateur de sortie (C1) pour supporter une première tension de 3058593 16 sortie (Voc_high) du pont à diodes triphasé et un deuxième condensateur de sortie (C2) pour supporter une deuxième tension de sortie (VDc_low) du pont à diodes triphasé, chaque bras étant piloté à l'aide de signaux de commande de modulation par largeur d'impulsion dont le rapport cyclique de commutation est 5 déterminé en fonction d'une régulation des courants en entrée du redresseur générant des tensions cibles entre phases à réaliser en fonction de valeurs de courants de consigne, ledit dispositif de commande comprenant des moyens de traitement agencés pour exécuter les étapes du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 10 7. Véhicule automobile électrique ou hybride comprenant une batterie haute tension et un dispositif de charge embarqué apte à charger la batterie à partir d'un réseau d'alimentation électrique triphasé, ledit dispositif de charge comportant un convertisseur AC-DC isolé comprenant un circuit correcteur de facteur de puissance (11) et un convertisseur DC-DC (12), ledit circuit 15 correcteur de facteur de puissance (11) étant un redresseur triphasé de Vienne, ledit véhicule comprenant un dispositif de commande selon la revendication 6. 20