Brevet FR3067887A1 — publié le 20181221

CHARGEUR ISOLE REVERSIBLE POUR RELIER UN DISPOSITIF DE STOCKAGE A UN RESEAU ELECTRIQUE DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention porte sur un chargeur réversible isolé pour relier un dispositif de stockage d'énergie au réseau électrique. Elle trouve son application dans le domaine du stockage d'énergie électrique pour permettre, selon un premier mode de fonctionnement, la recharge de batteries à partir de l'énergie fournie par le réseau et, selon un second mode de fonctionnement, alimenter le réseau à partir de l'énergie stockée dans les batteries. Le réseau peut être le réseau de distribution électrique ou le réseau électrique d'une habitation. Les batteries peuvent être celles d'un véhicule électrique, et dans ce cas on peut tirer profit des périodes étendues de stationnement du véhicule pour injecter l'énergie stockée dans les batteries sur le réseau électrique et effacer au moins partiellement les pics de consommation ou les périodes creuses de production en énergie de ce réseau. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION D'une manière générale, un réseau électrique vise à fournir à ses usagers une énergie de qualité sous la forme de trois tensions sinusoïdales dont la fréquence l'amplitude sont très sévèrement contrôlées. Le stockage l'énergie est quant à lui usuellement réalisé à l'aide et de de batteries qui peuvent être alimentées et/ou fournir une tension ou un courant continu. L'association d'un dispositif de stockage d'énergie à un réseau nécessite donc de mettre en oeuvre des structures de conversion d'énergie adaptées. 5 C'est notamment le cas pour permettre la recharge des batteries d'un véhicule électrique, pour lequel il est généralement souhaitable de disposer d'un chargeur sûr, compact, économique et efficace énergétiquement. 10 L'intégration des véhicules électriques au réseau dans une démarche « vehicle to grid » (du véhicule au réseau) nécessite de disposer de chargeurs réversibles, permettant l'injection dans le réseau de l'énergie stockée 15 dans les batteries du véhicule, et selon un protocole de charge adapté. Cette intégration complète du véhicule dans le réseau impose de munir les chargeurs de filtres du côté du réseau électrique de manière à masquer les perturbations (notamment d'amplitude et de fréquence) pouvant apparaître 20 sur ce réseau et de manière à éviter d'y injecter un signal de mauvaise qualité induit par la conversion opérée par le chargeur (notamment la présence d'éventuelles harmoniques). De la même manière, le chargeur doit être muni de filtres du côté du dispositif de stockage, de manière à limiter les 25 ondulations de courant dont on sait qu'elles contribuent au vieillissement prématuré des batteries. On connaît de l'état de la technique de nombreuses architectures de chargeur réversible. On connaît ainsi des 30 chargeurs comprenant un convertisseur à découpage direct (« forward converter » selon la terminologie anglo-saxonne) ou comprenant un onduleur et un redresseur à pont complet disposés respectivement sur les circuits primaire et secondaire d'un transformateur d'isolation. 35 Ces solutions connues imposent toutefois de placer des filtres de taille importante en entrée et en sortie du chargeur pour les rendre compatibles avec les contraintes de réseau ou du dispositif de stockage qui ont été évoquées 5 précédemment. Il serait avantageux, pour des raisons de compacité et de coût, de disposer d'un chargeur réversible présentant des filtres d'entrée et/ou de sortie de plus faibles 10 dimensions que celles de l'état de la technique. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION 15 En vue de la réalisation de l'un de ces buts, l'objet de l'invention propose un chargeur isolé réversible pour relier un dispositif de stockage à une source d'énergie électrique comprenant : un transformateur d'isolation comprenant un circuit 20 primaire et un circuit secondaire ; un étage redresseur-onduleur connecté au circuit secondaire du transformateur et destiné à être relié au dispositif de stockage par l'intermédiaire de secondes bornes de connexion ; 25 un étage de conversion multiniveau connecté au circuit primaire du transformateur et destiné à être relié la source d'énergie électrique par l'intermédiaire de premières bornes de connexion. 30 Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable : - le chargeur comprend une source de courant entre l'étage de conversion multiniveau et le circuit primaire du transformateur ; 5 - la source de courant est une inductance ; - l'étage redresseur-onduleur comprend une pluralité d'interrupteurs commandés configurés en pont complet ; 10 - l'étage de conversion multiniveau comprend une pluralité d'interrupteurs commandés configurés en pont complet ; - le pont complet de l'étage de conversion multiniveau 15 est composé d'interrupteurs à quatre quadrants ; - l'étage de conversion multiniveau est directement relié aux premières bornes de connexion ; 20 - l'étage de conversion multiniveau comprend un filtre d'entrée du signal délivré par, ou à, la source d'énergie électrique; - l'étage redresseur-onduleur comprend un filtre de 25 sortie du signal délivré par les, ou aux, dispositifs de stockage ; - le pont complet de l'étage de conversion multiniveau est formé de deux structures à capacité flottante. 30 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de 35 l'invention ressortiront de la description détaillée de l'invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquels : - La figure 1 représente schématiquement un chargeur 5 isolé réversible conforme à l'invention ; - la figure 2a représente un exemple de réalisation d'un interrupteur commandé à quatre quadrants ; 10 - la figure 2b représente un exemple de réalisation d'un interrupteur commandé simple ; - Les figures 3a et 3b représentent deux types de structures élémentaires pour constituer un étage de 15 conversion multiniveau ; - La figure 4 représente un exemple particulier de chargeur isolé et réversible conforme à l'invention, pour une application dans le domaine 20 du véhicule électrique ; - La figure 5 représente schématiquement un autre chargeur isolé réversible conforme à l'invention. 25 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Par souci de simplification de la description à 30 venir, les mêmes références sont utilisées pour des éléments identiques ou assurant la même fonction dans les différents modes de mise en oeuvre exposés du procédé. La figure 1 représente schématiquement un chargeur 35 isolé réversible 1 conforme à l'invention. Le chargeur comprend des premières bornes de connexion 2a, 2b destinées à le relier électriquement au réseau électrique de distribution ou d'une habitation. 5 D'une manière plus générale, les bornes de connexion 2a, 2b permettent de relier électriquement le chargeur à une source d'énergie électrique, comme un réseau électrique ou un générateur électrique. Le chargeur 1 comprend également des deuxièmes bornes de connexion 3a, 3b destinées à relier 10 le chargeur à un dispositif de stockage d'énergie telle que des batteries. Le chargeur 1 comprend également un transformateur d'isolation 4 permettant d'isoler électriquement la partie 15 reliée au réseau à celle reliée au dispositif de stockage, et assurant un fonctionnement sécurisé du chargeur. Le transformateur d'isolation 4 est composé d'un circuit primaire 4a et d'un circuit secondaire 4b. 20 Le chargeur isolé et réversible de la figure 1 comprend, connecté au circuit secondaire 4b du transformateur 4 un étage redresseur-onduleur 5. Cet étage est destiné à être relié au dispositif de stockage, par l'intermédiaire des deuxièmes bornes de connexions 3a, 3b 25 auxquelles il est relié. L'étage redresseur-onduleur 5 de la figure 1 comprend un filtre de sortie 5a, tel qu'un filtre passif combinant une inductance avec une capacité. Le chargeur comprend enfin, connecté au circuit 30 primaire 4a du transformateur 4, un étage de conversion multiniveau 6. Cet étage de conversion 6 est destiné à être relié électriquement au réseau électrique par l'intermédiaire des bornes de connexions 2a, 2b auxquelles il est relié. À ce titre, l'étage de conversion multiniveau 35 6 comprend un filtre d'entrée 6a qui peut être directement connecté aux premières bornes de connexion 2a, 2b. Similairement au filtre de sortie, le filtre d'entrée peut correspondre à un filtre passif comprenant une inductance et une capacité. 5 Sur le chargeur 1 de la figure 1 on a également représenté une source de courant 7 disposée entre l'étage de conversion 6 et le circuit primaire 4a du transformateur 4, dont la fonction est le réglage du courant maximal de 10 sortie de l'étage de conversion. Il peut s'agir d'une inductance 7. Comme cela est bien connu en soi, l'étage de conversion 6 a pour fonction de redresser le signal fourni 15 par le réseau électrique ou la source d'énergie électrique (généralement de basse fréquence, inférieure à 100 Hz, comme 50 ou 60 Hz) et de découper ce signal redressé pour former un signal de fréquence plus élevée. Il peut par exemple comprendre une pluralité d'interrupteurs commandés, 20 configurés en pont complet. La fréquence de découpage à laquelle les interrupteurs sont commandés est typiquement de l'ordre de 10 à 100 kHz. Dans un convertisseur multiniveau, les capacités et 25 les interrupteurs qui permettent ces fonctions génèrent un signal haute fréquence en créneau, c'est-à-dire présentant plus de deux niveaux d'amplitudes. Un convertisseur multiniveau permet d'établir ce signal haute fréquence avec peu de distorsion en comparaison au niveau de distorsion 30 émis par un convertisseur traditionnel, à deux niveaux. L'invention tire profit de cette propriété pour réduire la dimension des filtres d'entrée 6a et de sortie 5a du chargeur 1, qui vise notamment à éliminer les harmoniques du signal en question. 35 Le signal haute fréquence généré par l'étage de conversion 5 est transféré par l'intermédiaire du transformateur 4 à l'étage redresseur-onduleur 5. Celui-ci 5 délivre, selon un premier mode de fonctionnement en redresseur, le signal redressé aux deuxièmes bornes 3a, 3b du chargeur 1, et au dispositif de stockage qui leur est couplé. Dans un second mode de fonctionnement en onduleur, il transfère l'énergie électrique de la batterie au circuit 10 secondaire 4b du transformateur. L'étage redresseur-onduleur 5 peut également comprendre une pluralité d'interrupteurs commandés, configurés en pont complet. De manière avantageuse, l'étage de conversion 6 est 15 directement relié aux premières bornes de connexion 2a, 2b, c'est-à-dire que cet unique étage assure les fonctions de redressement et de découpage. Pour assurer cette double fonction et permettre le fonctionnement réversible du chargeur, les interrupteurs commandés de l'étage de 20 conversion 6 sont des interrupteurs à quatre quadrants, dont un exemple de réalisation est représenté sur la figure 2a et mettant en oeuvre deux transistors Kl, K2 connectés entre eux et commandés individuellement et de diodes Dl, D2. Les interrupteurs commandés de l'étage redresseur- 25 onduleur 5 peuvent correspondre à de simples interrupteurs commandés, du type représenté la figure 2b et mettant en oeuvre un simple transistor K connecté en parallèle à une diode D. 30 De manière très avantageuse, les composants formant les interrupteurs de l'étage de conversion 6 ou de l'étage redresseur-onduleur 5 sont formés à partir de matériaux à grand gap, tel que du SiC ou du GaN. Ces composants présentent en effet une tenue en tension plus élevée, des 35 pertes de conduction et de commutation plus faibles que les composants traditionnels formés à partir de silicium. Ils sont également susceptibles de commuter à plus haute fréquence (comme 50kHz vs 10kHz pour un composant de silicium) et présentent une meilleure tenue en température 5 (typiquement à 300°C et jusqu'à 600 °C par exemple pour certains composants à base de SiC). L'usage de composants à grand gap opérant à haute fréquence (supérieur à 10kHz, et préférentiellement à 50kHz) permet de choisir un transformateur de plus petite dimension, donc moins 10 encombrant et moins lourd. Le dimensionnement du filtre d'entrée entre la source d'énergie électrique et l'étage de conversion est choisi pour atténuer les harmoniques basses fréquences 15 (liées par exemple à la fréquence de 50Hz du réseau de distribution) et les harmoniques hautes fréquences (liées à la fréquence de fonctionnement de cet étage, par exemple à 50kHz). Or le filtrage des harmoniques basses fréquences est celui qui impose un volume important de composants, 20 notamment parce qu'il impose des composants inductifs de fortes valeurs. Pour répondre à cette contrainte, les composants inductifs du filtre d'entrée sont choisis pour uniquement atténuer les harmoniques hautes fréquences, ce qui conduit à notablement réduire l'encombrement du filtre 25 d'entrée. Les harmoniques basses fréquences, quant à elles, sont traitées numériquement par un régulateur de commande du chargeur 1. Comme cela est bien connu en soi, l'étage de 30 conversion multiniveau 6 peut-être constitué à partir de différents types de structures élémentaires, comme par exemple une structure du type NPC (« Neutral Point Clamped » ou à neutre clampé) représentée sur la figure 3a, ou du type à capacité flottante représentée soit figure 3b, 35 ou encore du type cascodé. 10 On pourra à ce titre se rapporter à l'ouvrage « électrique de puissance : méthodologie et convertisseurs élémentaires » de P. Parade, presse Polytechnique et 5 Universitaire Romande, 2006, pour des détails additionnels sur ces structures, et plus généralement sur les architectures de conversions présentées dans la présente description. 10 On a ainsi représenté sur la figure 4 un exemple particulier de chargeur isolé et réversible 1 conforme à l'invention, pour une application dans le domaine du véhicule électrique. Le chargeur 1 est dimensionné pour être relié, au niveau des premières bornes de connexion 2a, 15 2b au réseau électrique standard présentant donc une fréquence de l'ordre de 50 Hz et une amplitude de 220 V ; et au niveau des deuxièmes bornes de connexion 3a, 3b aux batteries du véhicule pouvant fonctionner par exemple à 400V et 55 ampères. L'étage redresseur-onduleur 5 permet 20 donc d'établir entre les deuxièmes bornes 3a, 3b une telle tension de 400V. Ceci est permis en configurant l'étage de conversion pour que celui applique une tension alternative de 800V environ au circuit primaire 4a du transformateur. 25 Enfin, on a représenté schématiquement sur la figure 5 un autre chargeur 1 réversible conforme à l'invention, configuré pour son raccordement triphasé au réseau électrique. Ce chargeur 1 comporte une pluralité de premières bornes de connexion 2a, 2a', 2a",2b et des 30 deuxièmes bornes de connexion 3a, 3b. Les premières bornes sont respectivement reliées à trois étages de conversion multiniveau 6, 6', 6" comprenant chacun un filtre d'entrée 6a, 6a', 6a". Ces étages sont associés à une source de courant 7, 7', 7" et à un transformateur d'isolation lui- 35 même relié à un étage redresseur-onduleur 5, 5', 5". Les 11 sorties des étages redresseurs-onduleurs sont reliées à un filtre de sortie 5a électriquement connecté aux deuxièmes bornes 3a, 3b. 5 Le chargeur 1 triphasé de la figure 5, outre la capacité d'offrir une puissance des charges importantes (22 kW ou plus par exemple, dans une application typique pour véhicules électriques) permet de lisser l'ondulation fondamentale du signal (chaque phase étant décalée d'un 10 tiers de période des autres phases.) ce qui contribue à limiter la dimension du filtre de sortie. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux 15 modes de mise en oeuvre décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention REVENDICATIONS1. Chargeur isolé réversible (1) pour relier un dispositif de stockage à une source d'énergie électrique comprenant - un transformateur d'isolation (4) comprenant un circuit primaire (4a) et un circuit secondaire (4b); - un étage redresseur-onduleur (5) connecté au circuit secondaire (4b) du transformateur (4) et destiné à être relié au dispositif de stockage par l'intermédiaire de deuxièmes bornes de connexion (3a, 3b); - un étage de conversion multiniveau (6) connecté au circuit primaire (4a) du transformateur (4) et destiné à être relié à la source d'énergie électrique par l'intermédiaire de premières bornes de connexion (2a, 2b). 2. Chargeur (1) selon la revendication précédente comprenant une source de courant (7) entre l'étage de conversion multiniveau (6) et le circuit primaire (4a) du transformateur. 3. Chargeur (1) selon la revendication précédente dans lequel la source de courant (7) est une inductance. 4. Chargeur (1) selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'étage redresseur-onduleur (5) comprend une pluralité d'interrupteurs commandés configurés en pont complet. 5. Chargeur (1) selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'étage de conversion multiniveau (6) comprend une pluralité d'interrupteurs commandés configurés en pont complet. 30 35 13 6. Chargeur (1) selon la revendication précédente dans lequel le pont complet de l'étage de conversion multiniveau (6) est composé d'interrupteurs à quatre quadrants. 7. Chargeur (1) selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'étage de conversion multiniveau (6) est directement relié aux premières bornes de connexion (2a, 2b). 8. Chargeur (1) selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'étage de conversion multiniveau (6) comprend un filtre d'entrée (6a) du signal délivré par le, ou à, la source d'énergie électrique. 9. Chargeur (1) selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'étage redresseur-onduleur (5) comprend un filtre de sortie (5a) du signal délivré par les, ou aux, dispositifs de stockage. 10. Chargeur (1) selon l'une selon la revendication 5 ou 6 dans lequel le pont complet de l'étage de conversion multiniveau (6) est formé de deux structures à capacité flottante. 5 10 15 20 25