Brevet FR3089721A1 — publié le 20200612

Description Titre de l'invention : Dispositif de charge réversible pour véhicule automobile [0001] La présente invention concerne, de manière générale, un dispositif de charge d'une batterie et, plus particulièrement, un dispositif de charge destiné à être embarqué dans un véhicule automobile électrique ou hybride rechargeable et proposant un fonctionnement réversible. [0002] Ainsi, l'invention se rapporte en particulier à un dispositif de charge d'une batterie capable d'alimenter une charge électrique ou de restituer de l'énergie électrique à un réseau de distribution d'énergie électrique. [0003] Dans la mesure où les batteries de traction des véhicules électriques stockent de plus en plus d'énergie du fait de la croissance de leur capacité de stockage, le parc de véhicules électriques constitue une importante source d'énergie potentielle. Dans ce contexte, si un nombre suffisant de véhicules est doté d'un dispositif de charge embarqué réversible, il peut être envisagé de renvoyer de l'énergie stockée dans la batterie au réseau de distribution d'énergie électrique, offrant ainsi à l'exploitant la possibilité d'optimiser la gestion du réseau. On parle alors de mode d'utilisation « Vchicule-to-Grid» (V2G) en anglais. On peut également envisager d'utiliser la batterie dc traction du véhicule comme source d'énergie de substitution pour alimenter des équipements d'une installation électrique domestique en cas dc défaillance du réseau électrique domestique, cc mode d'utilisation étant dit « Vehicule-to-Home » (V2H), ou encore pour alimenter des équipements électriques, par exemple dans un endroit sans réseau de distribution d'électricité, cc mode d'utilisation étant dit « Vehicule-to-Load » (V2L). De façon générale, on parle alors de fonctionnement en restitution d'énergie. [0004] Dans les deux modes d'utilisation V2I-1 et V2L, les charges électriques susceptibles d'être alimentées par le système composé de la batterie de traction et du dispositif de charge réversible du véhicule, peuvent être monophasées et/ou triphasées. [0005] Lc document FR 3 061 819 décrit à cet égard un dispositif de charge réversible d'une batterie de traction d'un véhicule électrique présentant une topologie électronique de charge configurable en triphasé ou en monophasé. [0006] Cependant, l'agencement décrit dans ce document ne permet pas en mode V2H ou V2L d'alimenter simultanément des charges triphasées et monophasées. Autrement dit, soit le dispositif de charge réversible est configuré pour alimenter des charges triphasées (pas de neutre disponible), soit il est configuré pour alimenter des charges monophasées (une phase du chargeur est alors configurée en neutre). 2 [0007] Le but de l'invention est donc de pallier cet inconvénient et de proposer un dispositif de charge d'une batterie, notamment une batterie de traction d'un véhicule automobile, capable de proposer un fonctionnement réversible et d'alimenter en mode V2H et V2L à la fois des charges triphasées et des charges monophasées et ce, de façon simple et peu coûteuse. [0008] L'invention concerne donc un dispositif de charge d'une batterie et de restitution d'énergie électrique à partir de ladite batterie, notamment pour un système de traction d'un véhicule automobile électrique ou hybride, comprenant un premier étage redresseur adapté à être raccordé à un réseau de distribution électrique ou à au moins une charge à alimenter monophasée etiou triphasée et un second étage convertisseur destiné à être raccordé à la batterie, ledit étage redresseur comprenant un redresseur de Vienne comportant au moins trois bras de pont s'étendant entre deux bornes de sorties de l'étage redresseur, chaque bras de pont étant relié en un point milieu, par l'intermédiaire d'un filtre d'entrée, à trois bornes de connexion de phase respectives du dispositif de charge, ledit redresseur de Vienne comprenant pour chaque bras de pont, un bras de commutation connecté entre le point milieu dudit bras de pont correspondant et un point milieu de sortie de l'étage redresseur, ledit second étage convertisseur comprenant deux circuits convertisseur continu-continu raccordés chacun en entrée entre ledit point milieu de sortie et unc borne de sortie respective de l'étage redresseur avec interposition d'un condensateur de sortie, de façon à autoriser une restitution d'énergie électrique depuis la batterie vers lesdites bornes de connexion de phase dudit dispositif de charge aptes à fournir chacune une phase pour l'alimentation de ladite au moins une charge à alimenter, caractérisé en ce qu'il comporte une branche de dérivation adaptée à s'étendre entre ledit point milieu de sortie et une borne de connexion de neutre dudit dispositif de charge en passant par le filtre d'entrée, de manière à fournir un neutre commun à toutes les phases permettant d'alimenter à la fois des charges monophasées et triphasées connectées sur les différentes bornes de connexions de phase. [0009] Avantageusement, ledit filtre d'entrée est relié à ladite borne de connexion de neutre par l'intermédiaire d'un commutateur adapté à être commuté dans une position dans laquelle ladite borne de connexion de neutre est couplée à une entrée dédiée dudit filtre d'entrée qui est couplée à ladite branche reliée audit point milieu de sortie des condensateurs de sortie pour la réalisation du neutre. [0010] Avantageusement, ledit commutateur est adapté à être commuté dans une position, dans laquelle ladite borne de connexion de neutre est découplée de ladite entrée dédiée dudit filtre d'entrée. [0011] Avantageusement, ledit commutateur est adapté à être commuté dans une position, dans laquelle ladite borne de connexion de neutre est reliée à une borne de connexion 3 de phase dudit dispositif dc charge, de façon à configurer la phase correspondante dudit dispositif de charge en neutre. [0012] Avantageusement, le dispositif comprend un module de contrôle d'une régulation en tension de l'étage redresseur en mode dc restitution d'énergie pour l'alimentation desdites charges à alimenter. [0013] Avantageusement, ledit module de contrôle est adapté à ajuster des signaux de commande des transistors entrant dans la constitution des bras de pont et des bras de commutation de l'étage redresseur en fonction d'un signal d'erreur obtenu par la différence entre une consigne de tension et une mesure des tensions de phase sur chaque borne dc connexion de phase. [0014] L'invention concerne également un véhicule automobile électrique ou hybride re- chargeable, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de charge embarqué tel que décrit ci-dessus. [0015] D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la des- cription faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : [0016] [fig.1] est un schéma illustrant un dispositif de charge conforme à l'invention; [0017] [fig.2] est un schéma illustrant le principe de commande en mode V2H et V2L du dispositif de charge décrit à la figure 1;. [0018] On se réfèrera en premier lieu à la figure 1 pour décrire la structure d'un dispositif de charge 1 d'une batterie d'accumulateurs électriques 2, en particulier destiné à être embarqué dans un véhicule automobile électrique ou hybride. Conformément à l'invention, le dispositif de charge 1 représenté sur cette figure est un dispositif de charge réversible, adapté pour réaliser la charge de la batterie et adapté en outre pour proposer un mode de restitution d'énergie à partir de l'énergie électrique stockée dans la batterie pour la délivrer à une charge électrique à alimenter ou la restituer à un réseau de distribution électrique. [0019] Le dispositif de charge réversible 1 de la figure 1 comprend un premier étage re- dresseur 3, destiné à être raccordé, par l'intermédiaire d'un filtre d'entrée 4 du dispositif de charge 1, à des charges 5 à alimenter en mode de restitution d'énergie et un deuxième étage convertisseur 6, connecté en sortie de l'étage redresseur 3, destiné à être raccordé à la batterie 2. Le dispositif de charge 1 représenté sur la figure 1 comprend trois homes de connexion de phase représentant trois phases disponibles Ll, L2, L3 sur lesquelles peuvent être réparties les charges électriques 5 à alimenter en mode V2H ou V2L. Ces charges peuvent être monophasées et/ou triphasées. [0020] En mode de recharge de la batterie à partir de l'énergie fournie par un réseau de dis- tribution électrique (mode d'utilisation connu sous la terminologie anglaise « Grid-to-Vehicle » ou mode G2V) ou en mode de restitution d'énergie à partir de l'énergie stockée dans la batterie pour la restituer au réseau de distribution électrique (mode V2G), les trois phases disponibles du dispositif de charge de la figure 1 peuvent être couplées à un réseau d'alimentation triphasé ou à un réseau d'alimentation monophasé. [0021] L'étage redresseur 3 comporte un circuit correcteur de facteur de puissance, connu sous l'acronyme anglais PFC, pour « Power Factor Correction ». Le circuit correcteur de facteur de puissance 3 correspond ici à un redresseur triphasé trois niveaux à trois interrupteurs, communément connu sous le nom de redresseur triphasé de Vienne, qui est un dispositif redresseur de tension fonctionnant en modulation de largeur d'impulsions. Il comporte trois bras de pont 31, 32, 33 en parallèle, montés entre deux bornes de sorties, respectivement une borne positive 30a et une borne négative 30h de l'étage redresseur. [0022] Chaque bras de pont 31, 32, 33 présente un point milieu 310, 320, 330 auquel est connectée une paire d'interrupteurs commandés 34, 35, 36, chaque paire d'interrupteurs 34, 35, 36 formant un bras de commutation du redresseur de Vienne. Chaque paire d'interrupteurs 34, 35, 36 comprend par exemple deux transistors de type MOSFET de puissance, montés en polarisation inverse l'un par rapport à l'autre. Autrement dit, le corps de diode (body diode en anglais) de chaque MOSFET de puissance est polarisé de manière inverse par rapport à l'autre MOSFET de puissance de la même paire d'interrupteurs. [0023] Chaque paire d'interrupteurs 34, 35, 36 est reliée d'une part, au point milieu 310, 320, 330 du bras de pont correspondant 31, 32, 33 et, d'autre part, en un point milieu de sortie M de l'étage redresseur 3. Un condensateur de sortie 37, 38, ou condensateur de bus DC, est connecté entre le point milieu de sortie M et chacune des bornes de sortie 30a, 30b, respectivement positive et négative, de l'étage redresseur 3. [0024] Les trois bras de pont 31, 32, 33 comprennent chacun deux transistors de type MOSFET bidirectionnels de puissance, respectivement 311, 312 ; 321, 322 et 331, 332 montés de part et d'autre du point milieu du bras de pont correspondant et chacune des trois bornes de connexion de phase LI, L2, L3 en entrée du dispositif de charge 1 vient se brancher, par l'intermédiaire du filtre d'entrée 4 du dispositif de charge, au point milieu correspondant entre deux MOSFET bidirectionnels de puissance d'un bras de pont 31, 32, 33. [0025] L'étage convertisseur 6 comprend deux circuits convertisseurs continu-continu (DC-DC) 61, 62. Chaque circuit DC-DC 61, 62 est monté aux bornes d'un condensateur de bus DC 37, 38 de l'étage redresseur 3. Un premier circuit convertisseur DC-DC 61 est ainsi connecté entre la borne de sortie positive 30a et le point milieu de sortie M de l'étage redresseur 3, tandis qu'un deuxième circuit convertisseur DC-DC 62 est connecté entre la borne de sortie négative 30h et le point milieu de sortie M de l'étage redresseur 3. [0026] Chaque circuit DC-DC 61, 62 est un convertisseur LLC résonant comprenant un premier ensemble d'interrupteurs, tels que des transistors MOS, monté en pont complet, respectivement 610, 620, connecté en entrée à l'un des deux condensateurs de sortie 37, 38 de l'étage redresseur 3 et en sortie, en série, à un circuit résonnant L, C et au primaire d'un transformateur T, le secondaire du transformateur étant relié à un deuxième ensemble d'interrupteurs en pont complet, respectivement 611, 621, cc dernier étant relié à la batterie 2, éventuellement par l'intermédiaire d'un filtre de sortie 7. Chaque circuit DC-DC est adapté pour autoriser un retour de courant vers le premier étage redresseur 3. [0027] Cette configuration permet d'obtenir un dispositif de charge 1 bidirectionnel adapté pour transmettre l'énergie accumulée par la batterie 2 vers les trois bornes de connexion de phase L1, L2 et L3 en entrée du dispositif de charge, via les deux circuits DC-DC, les MOSFET bidirectionnels des bras de pont de l'étage redresseur et les paires d'interrupteurs commandés des bras de commutation associés aux bras de pont. Les MOSFET bidirectionnels des bras de pont et les interrupteurs commandés des bras de commutation de l'étage redresseur 2 forment un onduleur (convertisseur DC/AC) triphasé en pont commandé en modulation de largeur d'impulsion (MLI) connu par l'homme du métier. L'onduleur triphasé fournit ainsi en sortie les trois phases sur chacune des bornes de connexion de phase LI, L2 et L3. [0028] Dans cette configuration, en mode V2H ou V2L, le dispositif de charge 1 fonctionne en source de tension et permet d'alimenter, à partir de la batterie 2, une charge électrique triphasée 51 en reliant les bornes de cette charge à alimenter sur chacune des trois phases correspondant aux trois bornes de connexion de phase LI, L2, L3 en entrée du dispositif de charge 1. [0029] Dans le but de pouvoir alimenter simultanément des charges triphasées et des charges monophasées, le montage de la figure 1 est complété par une branche de dérivation 8 s'étendant entre le point milieu de sortie M des condensateurs de bus DC 37, 38 et une borne de connexion de neutre N du dispositif de charge 1 en passant par le filtre d'entrée 4. Cette branche de dérivation 8 forme ainsi un quatrième bras pour la réalisation du neutre du système triphasé constitué par l'onduleur de tension triphasé du dispositif de charge 1. [0030] Ainsi, le point milieu de sortie M des condensateurs de bus DC est utilisé pour réaliser un neutre commun N à toutes les phases LI, L2, L3. Ce neutre est distribué en dehors du dispositif de charge 1 en passant par le filtre d'entrée 4, tout comme les trois phases de l'onduleur distribuées sur les trois bornes de connexion de phase LI, L2 et 6 L3. Cela permet de contenir les signaux « indésirables » à l'intérieur du dispositif de charge 1. [0031] Le filtre d'entrée 4 est relié à la borne de connexion de neutre N distribué à l'extérieur du dispositif de charge 1 par l'intermédiaire d'un commutateur 9. Dans la position C du commutateur 9, telle qu' illustrée sur la figurcl, le commutateur 9 est apte à coupler la borne de connexion de neutre N à l'entrée dédiée du filtre d'entrée 4 du dispositif de charge 1 qui est couplée à la branche 8 reliée au point milieu de sortie M des condensateurs de bus DC pour la réalisation du neutre. Dans cette position du commutateur, en mode V2H et V2L, le neutre N ainsi sorti du dispositif de charge 1 permettra au dispositif de charge d'alimenter simultanément des charges triphasées, avec neutre 50 et sans neutre 51, et des charges monophasées 52 à 54, selon l'exemple de réalisation de la figure 1. [0032] A noter que les trois charges monophasées 52, 53, 54 doivent être réparties respec- tivement sur les trois phases L1, L2 et L3 afin de réduire le déséquilibre de courant sur le système triphasé. [0033] Le dispositif de charge 1 peut également être amené à fonctionner en mode de recharge de la batterie à partir de l'énergie fournie par un réseau de distribution électrique (mode G2V) ou en mode de restitution d'énergie à partir de l'énergie stockée dans la batterie pour la restituer au réseau de distribution électrique (mode V2G). En mode d'utilisation G2V ou V2G du dispositif de charge 1, le commutateur 9 peut être commuté par l'intermédiaire d'un relai 91 dans une position B. dans laquelle le commutateur est adapté à découpler la borne de connexion de neutre N de l'entrée dédiée du filtre d'entrée 4 couplée à la branche 8 pour la réalisation du neutre. Dans cette position du commutateur, les trois bornes de connexion de phase LI, L2 et L3 du dispositif de charge 1 sont reliées respectivement aux trois fils de phase du réseau pour permettre le fonctionnement triphasé lorsque le dispositif de charge fonctionne en mode G2V ou V2G. [0034] Toujours en mode d'utilisation G2V ou V2G du dispositif de charge 1, le com- mutateur 9 peut être commuté par l'intermédiaire du relai 91 dans une position A, dans laquelle le commutateur est adapté à relier une borne de connexion de phase du dispositif de charge, par exemple la connexion de phase L3 et la borne de connexion de neutre N. Autrement dit, la phase L3 du dispositif de charge est configurée en neutre, ce qui permet le fonctionnement en monophasé du dispositif de charge en mode G2V et V2G. [0035] Comme expliqué précédemment, en mode V2H et V2L, le dispositif de charge 1 fonctionne en source de tension. Le dispositif de charge 1 subit alors les courants consommés par les charges connectées. En effet, ce sont les charges qui imposent le courant, le dispositif de charge 1 imposant quant à lui les tensions en sortie du filtre 7 d'entrée placé devant le convertisseur DC/AC de l'étage redresseur en mode V2H et V2L. Dans cc contexte, le déséquilibre de courant peut affecter l'équilibre de l'onde de tension fournie par le dispositif de charge. Aussi, la commande du dispositif de charge en mode V2H et V2L doit permettre de compenser cet aspect de déséquilibre de courant, de sorte que le dispositif de charge puisse générer des ondes de tension équilibrées, indépendamment des courants consommés par les charges. On va maintenant décrire en référence à la figure 2, le principe de commande en mode V2H et V2L du dispositif de charge 1 qui vient d'être décrit. [0036] La régulation du dispositif de charge consiste à réguler en amplitude et en fréquence la tension fournie en sortie du convertisseur DC/AC à travers le filtre d'entrée du dispositif de charge. Un module 10 de contrôle de la régulation du convertisseur DC/ AC est programmé pour assurer un asservissement de cette tension. Cet asservissement comprend l'application d'une boucle de régulation basée sur une consigne de tension V_référence et ayant comme variable de commande les signaux de commande V GS de type MLI des transistors de puissance des bras de pont 31-33 et des bras de commutation 34-36 du convertisseur DC/AC, dont la génération est basée sur un écart entre la consigne de tension V_référence et la mesure des tensions de phase V Ll, V_L2 et V_L3 entre chacune des phases Ll, L2, L3 et le neutre N. Plus précisément, un signal d'erreur entre la consigne de tension V_référence et la mesure des tensions de phase est déterminé dans un premier comparateur 11. Ce signal d'erreur est fourni en entrée d'un premier régulateur proportionnel-intégral Gy adapté à annuler l'erreur en générant une référence de courant I_référence. Cette référence de courant I_référence en sortie du premier régulateur proportionnel-intégral Gy est comparée dans un deuxième comparateur 12 à une mesure des courants de phase I_LL I_L2 et I_L3 sur chacune des phases sur lesquelles sont réparties les charges à alimenter. Le signal d'erreur ainsi généré est fourni en entrée à un deuxième régulateur proportionnel-intégral Gi destiné à annuler l'erreur. La sortie du deuxième régulateur proportionnel-intégral Gi est ensuite fournie en entrée à un module 13 de génération des signaux de commande MLI permettant de définir les rapports cycliques à appliquer aux transistors de puissance pour leur commande. De façon à permettre de définir ces rapports cycliques, le module 13 de génération des signaux de commande MLI reçoit également en entrée les mesures des tensions de phase V_LL V_L2 et V_L3 mesurées en sortie du convertisseur DC/AC, ainsi que les mesures des tensions V_bus+ et V_bus- mesurées sur chacun des deux bus continu d'alimentation connectés respectivement à la home positive 30a et à la borne négative 30b en entrée du convertisseur DC/AC. 8 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3]