Brevet FR3056851A1 — publié le 20180330

Procédé de détermination de consigne de courant pour chargeur de batterie de véhicule automobile La présente invention se rapporte, de manière générale, aux véhicules électriques et hybrides, et se rapporte plus précisément aux dispositifs de charge des batteries de véhicules électriques et de véhicules hybrides rechargeables. L'invention se réfère, plus précisément, à un procédé qui permet de décliner une consigne de puissance active instantanée en des consignes de courant à partir de mesures de tension issues d'un redresseur raccordé, directement, ou par l'intermédiaire d'un adaptateur d'impédance, à un réseau électrique, ainsi qu'à un chargeur de batterie de véhicule électrique ou hybride configuré pour mettre en oeuvre un tel procédé. De manière non-limitative, la solution proposée est générale pour tous les redresseurs. Les réseaux électriques auxquels sont reliés les chargeurs sont généralement triphasés. Ils alimentent des récepteurs triphasés tels que les chargeurs de véhicules, mais aussi beaucoup d'autres récepteurs monophasés. Les courants absorbés sur les trois phases sont donc d'amplitude sensiblement différente et accusent, localement, des variations quasi-instantanées d'amplitude et de phases qui sont à l'origine de déséquilibres de tension. Ces problèmes de déséquilibres sont connus, notamment par le document CN 103187887 B, qui décrit un contrôleur pour redresseur Vienna utilisant une consigne sinusoïdale, mais n'illustre aucune solution à ces problèmes. Le document US 8971068 B2 décrit un moyen de supprimer les différents harmoniques, issus d'un redresseur unidirectionnel triphasé à haute tension, pour respecter ou s'approcher d'un seuil prédéterminé de la valeur absolue de la différence de phase entre la tension d'entrée du courant alternatif et du courant issu du redresseur unidirectionnel. 3056851 2 Toutefois, ce document US 8971068 B2 ne décrit pas de possibilité de fournir une consigne particulière de puissance active instantanée. De manière analogue, d' autres documents, tels que 5 CN 104811061 A, CN 103227575 A, et KR 101250454 B1 décrivent des redresseurs à compensation de puissance réactive, sans néanmoins divulguer des consignes de courant. Le document EP 2 461 469 A3 propose un système capable de générer les consignes de courant continu dans un repère tournant. 10 Toutefois, il présente l'inconvénient de recourir à une grandeur supplémentaire, comme la phase du repère tournant, pour commander un redresseur pour générer les signaux de sortie. Le problème que se propose de résoudre la présente invention consiste à générer des consignes de courants filtrées pour alimenter un 15 chargeur de batterie de véhicule à partir d'une consigne de puissance active et de tensions d'un réseau électrique triphasé et ce, de manière suffisamment fiable pour pallier les déséquilibres du réseau électrique. L'invention porte donc sur un procédé de détermination d'au moins une consigne de courant à partir d'au moins une mesure de 20 tension issue d'un redresseur et d'au moins une consigne de puissance active instantanée. Ce procédé comprend une première étape de calcul de ladite au moins une consigne de courant ; une deuxième étape de filtrage adaptatif de ladite au moins une consigne de courant, et une troisième étape de limitation du taux de variation de ladite au moins 25 une consigne de courant. En particulier, ladite au moins une mesure de tension issue d'un redresseur comprend trois mesures de tension qui sont une combinaison linéaire de trois tensions triphasées simples. Selon un mode de mise en oeuvre du procédé, la première étape 30 de calcul comprend un calcul d'au moins une consigne de courant, en particulier une consigne de courant non filtrée, selon la formule : reg Uab U ca preq 11:q ubc ab = U Ub2 U Ireq c Uca U bc 3056851 3 Où P"q est la consigne de puissance active instantanée fournie par une unité de contrôle de la charge de la batterie de traction ; /areq,/breq,/," sont les consignes de courant non filtrées, 5 Uak,Ukc,U' sont les mesures de tension issues du redresseur. Selon une autre caractéristique du procédé, la seconde étape de filtrage adaptatif comprend le calcul d'au moins une consigne de courant, en particulier une consigne de courant filtrée, à partir de ladite au moins une consigne de courant non filtrée selon la formule : 10 2 27zfp 2 --N'il -1 Ireq 6 s +27zfip fp fp a 2 Ireq fp fp b fp Ireq ,h 2 fp Où 14,14'1: sont les consignes de courant filtrées ; s est l'opérateur de Laplace ; f est la fréquence du réseau électrique ; et 15 fp est la fréquence de coupure d'une filtre passe bas d'ordre 1. Dans un mode de mise en oeuvre, la troisième étape de limitation du taux de variation de ladite au moins une consigne de courant comprend le calcul de ladite au moins une consigne de courant à partir de ladite au moins une consigne de courant filtrée et 20 discrétisée selon la formule : X k +1 max(min(xk +aTs,xk),xk-aTs) Où a est le taux de variation maximum ; Ts est le pas d'échantillonnage ; et 25 {X k {keN est une consigne de courant filtrée discrétisée. L'invention porte également sur un chargeur de batterie de véhicule électrique ou hybride pour la mise en oeuvre d'un procédé de détermination d'au moins une consigne de courant à partir d'au moins 3056851 4 une mesure de tensions composées en sortie d'un redresseur et d'au moins une consigne de puissance active instantanée. Le chargeur comprend un redresseur, un filtre d'entrée relié audit redresseur, et un convertisseur de tension continu-continu relié 5 audit redresseur et à au moins une batterie. Le filtre d'entrée du chargeur est configuré pour mettre en oeuvre une étape de filtrage adaptatif de ladite au moins une consigne de courant. Le redresseur du chargeur est un redresseur à compensation de 10 puissance réactive (Power Factor Correction - PFC), en particulier, un redresseur Vienna comprenant deux capacités en sortie. Le convertisseur de tension continu-continu du chargeur est adapté pour délivrer une tension de 400V à ladite au moins une batterie. 15 D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention, non limitatif, illustré sur les dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente schématiquement la structure d'un 20 chargeur de batterie de véhicule électrique ou hybride ; et - la figure 2 représente les différentes étapes du procédé de détermination d'au moins une consigne de courant selon l' invention. Sur la figure 1, on a représenté un chargeur 1 d'une batterie 2 25 de véhicule électrique ou hybride, relié par l'intermédiaire d'un adaptateur d'impédance 3 à un réseau électrique 4 triphasé. Le chargeur 1 de batterie 2 comprend un filtre 5 d'entrée, relié en entrée aux trois tensions de sortie de l'adaptateur d'impédance 3, et en sortie à un redresseur 6 à compensation de puissance réactive (Power Factor 30 Correction - PFC). Le chargeur 1 de batterie 2 comprend en outre un convertisseur de tension continu-continu 7 relié en entrée au redresseur 6, et en sortie à une batterie 2. De manière non limitative, la batterie 2 est ici adaptée pour délivrer une tension de 400V. Elle est alimentée par la tension de deux 3056851 5 capacités en sortie du redresseur 6, asservies de façon indépendante par le convertisseur de tension continu-continu 7. Bien entendu, on ne sort pas de l'invention lorsqu'il s'agit de charger une batterie ayant une capacité différente. 5 Le chargeur est associé à un calculateur (non représenté) par exemple intégré au chargeur ou distinct du chargeur, adapté pour piloter la commutation des éléments de commutation du redresseur 6 et du convertisseur 7. Le calculateur est en outre dûment programmé pour générer des 10 consignes de courant en entrée du redresseur 6 à partir de mesures de tensions composées pour assurer une consigne de puissance active. Sur la figure 2, on a représenté les différentes étapes du procédé de détermination de trois consignes de courant /,/;'/: en entrée du redresseur 6. Ce procédé comprenant une première étape I de 15 calcul des consignes de courant, une deuxième étape II de filtrage adaptatif, et une troisième étape III de limitation du taux de variation des consignes de courant. La première étape I comporte une première phase 8 de calcul de tensions simples et une seconde phase 9 de calcul de consignes de 20 courant non filtrées. Dans un mode de réalisation de l'invention, on définit les tensions triphasées simples suivantes : U,,U,,U, définies par rapport à un point de tension neutre N. On mesure les tensions composées en sortie du redresseur 6 Uab,Uba,U' au moyen de la relation suivante : Uab Ua 1 -1 0 Où U= Ubc , V = Ub et A = 0 1 -1 Uca Ua -1 0 1 Il n'est pas inversible car le déterminant de A est nul. On pourrait introduire un capteur de tension au point de tension neutre pour s'affranchir des tensions composées. rUab = Ua - Ub Ubc - Ub Ua (1) ca = tic - Ua 25 Ce système linéaire peut être mis sous la forme : U = AV 3056851 6 D'après la théorie des composantes symétriques de Fortescue, il est cependant possible de réécrire ce système « déséquilibré » en un système « équilibré », comprenant respectivement une composante directe Ud, une composante inverse U, et une composante 5 homopolaire U, des tensions composées comme suit : Ud =- 3 1(Uab +aUbc+a2U') 1 I t i = -3 (U ab ab ± a2U bc + aU ca) U0=0 -1+ i,/2 Avec a = 2 La dernière composante homopolaire U, du système d'équation (2) est négligée dans le cas où on ne génère pas de puissance active homopolaire. 10 Cette réécriture permet de déduire mathématiquement les composantes directe Vd et inverse T/I de la tension simple comme suit : 1 1 -111 IV - d 1 - a2Ud = .\lie 6Ud 1 1 IFI (3) V- U =-,-e 6U 1-a2I V3 I On accède ainsi au système triphasé des tensions simples y1/y2 / V3 au moyen des relations : v1 = Vd + VI v2 =a2Vd + aVI (4) v3 = aVd + a2V, On peut utiliser cette théorie pour aboutir au calcul, lors d'une 15 première phase 8 de la première étape I, des tensions triphasées simples Ua,Ub,t/a à partir de Uab,Uaa,Uba correspondant aux tensions différentielles entres phases mesurées en sortie du redresseur 6. Une seconde phase 9 de la première étape I comprend le calcul des consignes de courant /a", ibreq,/creq qui assurent une consigne de 20 puissance active instantanée. On peut calculer ces consignes de (2) 3056851 7 courant dans un repère diphasé pour réduire l'ordre du système de 3 à 2. Deux nouvelles tensions va,vfi peuvent être introduites pour réduire l'ordre du système : 1 1 1 2 2 0 2 2 Va 2 Vfi 3 V1 V2 (5) V3 5 Ainsi qu'une nouvelle équation de la puissance active et réactive instantanée p+ jq = (va - jv )(ta+ ji ) (6) Où j est l'opérateur imaginaire pur tel que j2=-1 ; p est la puissance active instantanée ; 10 q représente les pertes sous forme de puissance réactive ; et ia et i représentent deux grandeurs d'intensité associées à la puissance p, et aux tensions va et vfi. {En séparant les parties imaginaire et réelles, l'équation (6) de la puissance active et réactive instantanée devient : p(t)=vaia+vpip vaip-Vpia = q(t) (7) 15 On résout, en particulier, le système pour p=P"q et q= O. On obtient alors : - - /a _P_ D'une part, les consignes de courant à appliquer I areq , breqj creq se calculent comme suit : 'reg b a req 2 1 3 2 2 1 0 Ireq 1 c 2 2 ') 2 2 3( 2 D'autre part, »a2 + vfi2 =vi- +v2 +v3 =- Uab + Ub2c +U a) 2 preq Va (8) _ fi_ Va 2 2 + Vfi la _P_ (9) 3056851 8 Les consignes de courant obtenues à l'issue de la seconde phase 9 peuvent être calculées à partir de la relation suivante : Ireq preq Uab U ça Ubc - Uab U U (10) a I breq reg c T2 ± " Tb2 ± " ab c Où Preq est la consigne de puissance active instantanée fournie par 5 une unité de contrôle de la charge de la batterie de traction et correspond à une consigne de puissance de charge de la batterie ; et areq breq ireq sont les consignes de courant non filtrées, Uab,Ubc,Uca sont les mesures de tension issues d'un redresseur 6. 10 On met alors en oeuvre la deuxième étape II de filtrage au moyen d'un filtre passe-bas d'ordre 1 selon la formule : 21-1 Flp(s) S +21-ifip Où : fp est la fréquence de coupure du filtre passe-bas d'ordre 1 ; et s est l'opérateur de différentiation de Laplace. 15 On obtient alors les consignes de courant filtrées /4,1:,/c# suivantes : 2,h1-1 fp fp 2 fp fp 'h fp '1-1 2 fip 2 27/4 6 s+2p reg a (12) lbreq Ireq c De manière non limitative, cette étape peut être mise en oeuvre au moyen du filtre 5 d'entrée du chargeur 1. On discrétise chacune des consignes de courant filtrées /#,/:,/c# 20 pour calculer, lors de la troisième étape III, qui peut être répétée de manière itérative, les consignes de courant /a,/,/: au moyen de la formule de limitation de la variation des consignes de courant filtrées /:,/:,/c# suivante : 3056851 9 Xk±i max(min(xk +aTs,xk),xk -aTs) (1 3 ) Où a est le taux de variation maximum ; Ts est le pas d'échantillonnage ; et {Xk}keN est une consigne de courant filtrée discrétisée. 5 Cette étape peut être mise en oeuvre au moyen du convertisseur de tension continu-continu 7 du chargeur 1, ou d'un calculateur externe. REVENDICATIONS1. Procédé de détermination d'au moins une consigne de courant (/a,/b,/) à partir d'au moins une mesure de tension (Uab,Ubc,U') issue d'un redresseur (6) et d'au moins une consigne de puissance active instantanée (/3"q), caractérisé en ce qu'il comprend une première étape de calcul (I) de ladite au moins une consigne de courant (/,,/b,/) ; une deuxième étape (II) de filtrage adaptatif de ladite au moins une consigne de courant, et une troisième étape (III) de limitation du taux de variation de ladite au moins une consigne de courant (1a*,1b*,1:). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la première étape (I) de calcul comprend un calcul d'au moins une consigne de courant, en particulier une consigne de courant non filtrée (Iareq ibreq ',reg ) selon la formule : Ireq a preq Uab U aa Ibeq U ba Uab Uaa U ba /reg ua2b ub2a Où Preq est la consigne de puissance active instantanée fournie par une unité de contrôle de la charge de la batterie de traction ; (iareq,/breq,/creq) sont les consignes de courant non filtrées, ab,U ba,U aa) sont les mesures de tension issues du redresseur (6). 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la deuxième étape (II) de filtrage adaptatif comprend le calcul d'au moins une consigne de courant, en particulier une consigne de courant filtrée (/a4,/b4,/c4), à partir de ladite au moins une consigne de courant non filtrée (/a",/breq,/creq) selon la formule : 3056851 11 2 27/4 6 s+27-ifip 2,h1-1 Ireq fp fp a 2 Ireq fp fp b fp Ireq 2 fip Où 14,14'1: sont les consignes de courant filtrées ; s est l'opérateur de Laplace ; 5 f est la fréquence du réseau électrique (4) ; et fp est la fréquence de coupure d'une filtre passe bas d'ordre 1. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la troisième étape (III) de limitation du taux de variation de ladite au moins une consigne de courant comprend le calcul de ladite au moins une 10 consigne de courant (/,,/b,/) à partir de ladite au moins une consigne de courant filtrée (/:,/b4,/:) et discrétisée selon la formule : Xk +1 max(min(xk +aTs,x1,),)ck-aTs) Où a est le taux de variation maximum ; 15 Ts est le pas d'échantillonnage ; et {X k {keN est une consigne de courant filtrée discrétisée. 5. Chargeur de batterie de véhicule électrique ou hybride pour la mise en oeuvre d'un procédé de détermination d'au moins une consigne de courant (/,,/b,/) à partir d'au moins une mesure de 20 tensions composées (Uab,Ubc,U') en sortie d'un redresseur et d'au moins une consigne de puissance active instantanée (P") selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un redresseur (6), un filtre d'entrée (5) relié audit redresseur (6), et un convertisseur de tension continu-continu (7) relié audit redresseur (6) 25 et à au moins une batterie (2). 6. Chargeur de batterie selon la revendication 5, dans lequel le filtre d'entrée (5) est configuré pour mettre en oeuvre une étape (II) de filtrage adaptatif de ladite au moins une consigne de courant. 3056851 12 7. Chargeur de batterie selon l'une des revendications 5 et 6, dans lequel ledit redresseur (6) est un redresseur à compensation de puissance réactive (Power Factor Correction - PFC), en particulier, un redresseur Vienna comprenant deux capacités en sortie. 5 8. Chargeur de batterie selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel le convertisseur de tension continu-continu (7) est adapté pour délivrer une tension de 400V à ladite au moins une batterie (2).