Brevet FR3094157A1 — publié le 20200925

Description Titre de l'invention : CHARGEUR ÉLECTRIQUE RÉVERSIBLE ISOLÉ, NOTAMMENT POUR UNE INTÉGRATION DANS UN VEHICULE ÉLECTRIQUE [pool j La présente invention concerne de manière générale de manière générale le domaine du transfert réversible d'énergie électrique entre un réseau électrique, ou une source d'alimentation électrique, et des batteries de stockage d'énergie électrique. Plus particulièrement, l' invention se rapporte à un chargeur électrique réversible isolé utilisable notamment dans le domaine du transport pour la recharge des batteries électrique de traction des véhicules électriques et hyblides. [0002] Dans le domaine des transports, l'industrie automobile est soumise à des normes d'émission de rejets polluants très contraignantes qui conduisent à une véritable mutation technologique afin de réduire notamment les émissions de CO2. La propulsion électrique des véhicules est perçue comme une réponse viable aux enjeux environnementaux. Cependant, le déploiement des véhicules électriques est freiné par la capacité de stockage électrique des batteries qui limite leur autonomie de roulage. Un effort particulier de recherche et développement est porté actuellement sur les systèmes de recharge électrique statique, lents et rapides, et les systèmes de recharge sans contact notamment les systèmes de recharge dynamique à induction magnétique. En effet, l'adoption des véhicules électriques comme moyen de transport de demain passe par la disponibilité de systèmes de recharge électrique sûrs, économiques, efficaces énergétiquement et qui soient d'une utilisation aisée pour les personnes. [0003] Les systèmes de recharge électrique doivent être pensés dans le cadre des futurs réseaux intelligents de transport d'énergie électrique, dits « Smart Grid » en anglais, de manière à optimiser le coût et le bilan énergétique, l'empreinte carbone et la disponibilité des véhicules électtiques. Dans le contexte d'un réseau électrique intelligent, les systèmes de recharge électrique doivent être réversibles afin de permettre au réseau, non seulement de fournir l'énergie électtique pour la recharge de la batterie de traction du véhicule, mais aussi, dans un mode dit « V2G », de puiser de l'énergie disponible dans celle-ci pour répondre à une forte demande, par exemple, lors d'une pointe de consommation électrique du réseau. [0004] L'infrastructure et la gestion du réseau électrique devront s'adapter à l'arrivée massive de flottes de véhicules électriques, ainsi qu'aux diverses contraintes et aux différents services que peuvent imposer l'arrivée de ces véhicules. [0005] Les systèmes de recharge électrique doivent eux être conçus de façon à pouvoir fonctionner avec d'éventuels déséquilibres du réseau électrique. Par ailleurs, ils se 2 doivent de répondre aux exigences relatives à la sécurité des personnes et des installations électriques, ainsi qu'aux contraintes imposées par le réseau électrique, telles que celles liées au facteur de puissance, aux harmoniques, et aux contraintes liées aux perturbations électromagnétiques. [0006] Par ailleurs, lorsqu'un système de recharge électrique est intégré dans un véhicule électrique, des contraintes d'intégration sont imposées à celui-ci par le véhicule. L'architecture du système de recharge électrique doit être capable d'absorber et d'éliminer les effets de perturbations éventuelles, de façon à ne pas affecter le véhicule. Des contraintes comme le volume et le refroidissement ont une influence importante sur l'architecture et le dimensionnement du convertisseur et des filtres du système de recharge électrique. La conception optimale du système de recharge électrique est généralement celle qui procure le meilleur compromis possible entre un volume du convertisseur qui doit être réduit et le refroidissement de celui-ci qui doit être assuré de façon satisfaisante. [0007] La prise en compte de l'efficacité énergétique du système de recharge électrique passe par un choix judicieux et adéquat des composants actifs et passifs utilisés. Par ailleurs, la sécurité de fonctionnement du système de recharge électrique équipant le véhicule électrique doit être garantie. [0008] De manière classique, un système de recharge électrique réversible du type utilisé pour un véhicule électrique comprend un convertisseur réversible de courant alternatif / courant continu, dit « convertisseur AC/DC », relié au réseau électrique alternatif d'alimentation et un convertisseur réversible (le courant continu! courant continu, dit convertisseur DC/DC », relié aux batteries électriques de traction du véhicule. [0009] Le convertisseur DC/DC est typiquement réalisé sous la forme d'un double pont actif dit « DAB » (pour « Dual Active Bridge » en anglais). Pour des raisons de sécurité, le double pont actif comprend un transformateur d'isolation électrique disposé entre un premier pont de commutation et un deuxième pont de commutation. [0010] Le convertisseur réversible est typiquement à plusieurs niveaux de tension et fonctionne en modulation dite « SPWM » (pour « Sinusoidal Pulse Width Modulation » en anglais) avec une fréquence de découpage comprise entre 10 kHz et 50 kHz environ. [0011] Les ponts de commutation du convertisseur et du double pont actif font appel à des interrupteurs électroniques à quatre quadrants, pour un fonctionnement réversible du système de recharge électrique. [0012] Des transistors de puissance de type MOSFET, formés à partir de matériaux à grand gap, tels que le SiC ou le GaN, sont avantageusement utilisés pour ces interrupteurs électroniques. En effet, les composants de commutation de puissance à grand gap présentent une tenue en tension plus élevée, ainsi que des pertes de conduction et de 3 commutation qui sont plus faibles que celles des composants traditionnels formés à partir de silicium. De plus, ils peuvent fonctionner à des fréquences de commutation plus élevée, comparativement aux composants en silicium, et présentent une meilleure tenue en température. L'usage de ces composants à grand gap opérant à haute fréquence, typiquement à 100 kHz, permet de choisir un transformateur d'isolation électrique de plus petite dimension, donc moins encombrant et moins lourd. [0013] Le convertisseur à quatre bras, du type à point neutre clampé dit « NPC (pour « Neutral Point Clamped » en anglais), pour un système de recharge électrique réversible relié à un réseau électrique alternatif d'alimentation à quatre fils (trois fils de phase et un fil de neutre), offre des performances intéressantes en termes de contrôle du facteur de puissance, de suppression des harmoniques et dc fonctionnement avec différentes dynamiques et des déséquilibres du réseau électrique. Cette architecture de convertisseur est décrite dans l'article intitulé « Selective Harmonie Elitnination Pulse Width Modulation » de Mohammad Sharifzade et al., 23rd International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), 2014 IEEE, pages 2167-2172. [0014] La présente invention a pour objet de répondre au moins en grande partie à la pro- blématique de déséquilibre exposée ci-dessus, en fournissant un chargeur électrique réversible isolé, ayant une architecture optimisée et apte à être embarqué dans un véhicule électrique. Un autre but dc la présente invention est de réduire l'encombrement d'un tel chargeur électrique réversible isolé ainsi que ses coûts de fabrication. [0015] Selon un premier aspect, l'invention concerne un chargeur électrique réversible isolé comprenant un convertisseur AC/DC réversible et un convertisseur DC/DC réversible intégrant un transformateur d'isolation électrique, le convertisseur AC/DC réversible étant du type à point neutre clampé, dit NPC, comprenant une branche capacitive formée de premier et deuxième condensateurs reliés en série et ayant un point milieu capacitif déterminant une référence de tension de neutre. Conformément à l'invention, le convertisseur DC/DC réversible comprend un premier ensemble de commutation ayant des premier et deuxième ponts de commutation reliés à une même ligne commune de tension continue connectée au point milieu capacitif et le transformateur d'isolation électrique comprend des premier et deuxième enroulements de type primaire reliés respectivement aux premier et deuxième ponts de commutation. [0016] Selon une caractéristique particulière, les premier et deuxième enroulements de type primaire comprennent un même nombre de spires enroulées dans le même sens. [0017] Selon une autre caractéristique particulière, les premier et deuxième ponts de com- mutation comprennent chacun deux branches de commutation en parallèle comprenant chacune deux interrupteurs électroniques connectés en série. [0018] Selon encore une autre caractéristique particulière, les interrupteurs électroniques comprennent des semiconducteurs à grand gap de type MOSFET et/ou IGBT. [0019] Selon encore une autre caractéristique particulière, le convertisseur DC/DC ré- versible comprend un deuxième ensemble de commutation ayant un troisième pont de commutation et le transformateur d'isolation électrique comprend un troisième enroulement de type secondaire relié au troisième pont de commutation. [0020] Selon encore une autre caractéristique particulière, le troisième pont de commutation comprend deux branches de commutation en parallèle comprenant chacune deux interrupteurs électroniques connectés en série. [0021] Selon encore une autre caractéristique particulière, les interrupteurs électroniques comprennent des semiconducteurs à grand gap de type MOSFET et/ou IGBT. [0022] Selon encore une autre caractéristique particulière, le convertisseur DC/DC ré- versible comprend des premier et deuxième filtres inductifs reliés en série entre respectivement le premier pont de commutation et le premier enroulement de type primaire et entre le deuxième pont de commutation et le deuxième enroulement de type primaire. [0023] Selon encore une autre caractéristique particulière, le convertisseur AC/DC ré- versible est relié à un réseau électrique alternatif avec neutre et comprend trois branches de commutation reliées respectivement à trois phases électriques du réseau électrique alternatif et une quatrième branche de commutation reliée au neutre. [0024] L'invention concerne aussi un véhicule électrifié comprenant un chargeur électrique réversible isolé tel que décrit brièvement ci-dessus. [0025] D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous d'une forme de réalisation particulière de l'invention en référence au dessin annexé, dans laquelle : [0026] [fig.1] la Fig.1 est une schéma électrique simplifié d'un exemple de réalisation du chargeur électrique réversible isolé selon la présente invention. [0027] En référence à la Fig.1, il est maintenant décrit une forme de réalisation particulière CER d'un chargeur électrique réversible selon l'invention. [0028] Le chargeur électrique réversible CER est configuré pour convertir une tension électrique triphasée provenant des phases électriques U, V, W d'un réseau électrique (non représenté) en une tension continue VDcs, présente sur des bornes de tension continue BS+, BS-, et utilisable pour charger une batterie du véhicule électrique, ou pour convertir la tension continue VDcs présente sur les bornes de tension continue BS+, BS-, et provenant de la batterie du véhicule électrique en une tension électrique triphasée ré-injectable dans le réseau électrique. [0029] Comme montré à la Fig.1, le chargeur électrique réversible CER comprend essen- tiellement un convertisseur AC/DC réversible 1 et un convertisseur DC/DC réversible 2. Le fonctionnement des convertisseurs AC/DC 1 et DC/DC 2 est commandé par un contrôleur 3 qui délivre différents signaux de commande de commutation. [0030] Le convertisseur AC/DC 1 réversible comporte des homes de tension alternative et des bornes de tension continue BD-F, BD-. Le convertisseur AC/DC 1 est ici un étage de conversion à plusieurs niveaux de tension, dit « multiniveaux », ayant l'architecture susmentionnée du type NPC à quatre branches. Le convertisseur AC/DC 1 comporte une correction de facteur de puissance et fonctionne comme un redresseur dans un premier sens de conversion et comme un onduleur dans un deuxième sens de conversion. [0031] Le convertisseur AC/DC 1 est configure pour âtre connecté électriquement aux phases électriques U, V et W du réseau électrique, mais aussi à une ligne de neutre N. Dans cette forme de réalisation, le convertisseur AC/DC 1 comprend un filtre d'entrée inductif FI pour les phases électriques U, V et W du réseau électrique. [0032] Le convertisseur AC/DC 1 comprend ici trois branches de commutation de phase 10u, 10v et 10w, agencées en parallèle. Les trois branches de commutation de phase 10u, 10v et 10w sont reliées aux trois phases électriques U, V et W au niveau de points communs Cu, Cv et Cw, respectivement, des branches. [0033] Le convertisseur AC/DC 1 comprend également une branche de commutation de correction 10n agencée en parallèle avec les trois branches de commutation de phase 10u, 10v et 10w. La branche de commutation de correction 10n est reliée à la ligne de neutre N au niveau d'un point commun Cn. [0034] Les branches de commutation de phase 10u. 10v. 10w, et la branche de commutation de correction lOn comprennent chacune un premier dispositif de commutation 100,s et un deuxième dispositif de commutation 100,,s reliés en série au niveau de leur point commun respectif Cu, Cv, Cw et Cn. [0035] L'ensemble des quatre dispositifs de commutation 100,s sont reliés à un bus de tension continue DC+ de polarité positive et forment une section haute, dite « High Side » en anglais, du convertisseur AC/DC 1. [0036] L'ensemble des quatre dispositifs de commutation 100,s sont reliés à un bus de tension continue DC- de polarité négative et forment une section basse, dite « Low Side » en anglais, du convertisseur AC/DC 1. [0037] Les bus DC+ et DC- sont reliés respectivement aux bornes de tension continue BD+ et BD- du convertisseur AC/DC 1. [0038] Le convertisseur AC/DC 1 comprend aussi une branche supplémentaire, dite ici branche capacitive de tension 11, qui est disposée en parallèle avec les branches de commutation de phase 10u, 10v, 10w, et la branche de commutation de correction 10n. [0039] La branche capacitive de tension 11 comprend deux condensateurs de filtrage 110Hs et 110Ls connectés en série entre les bus DC+ et DC- du convertisseur AC/DC 1. Les condensateurs de filtrage 110Hs, 110Ls, sont reliés en connexion série au niveau d'un 6 point milieu capacitif PM qui définit une référence de tension de neutre. [0040] Les condensateurs de filtrage 110Hs, 110,5, ont des capacités ayant sensiblement la même valeur. Les condensateurs de filtrage 110ils et 110,s sont soumis respectivement à des tensions continues égales à -FV=+V'c/2 et -V=-V11c/2, en considérant V'c comme étant la tension continue entre les bus DC+ et DC- et le potentiel du point milieu capacitif PM comme étant le potentiel de référence. [0041] Le point milieu capacitif PM de connexion des deux condensateurs de filtrage 110, 110's, est relié électriquement, par l'intermédiaire d'une ligne de sortie de tension Ls, à chaque dispositif de commutation 100's, 100's des branches de commutation de phase 10u, 10v, 10w, et de la branche de commutation de correction 10n. [0042] La ligne de sortie de tension Ls est reliée à chaque branche 10u, 10v, 10w et lOn par l'intermédiaire d'une ligne de raccordement Lr qui relie électriquement les premier et deuxième dispositifs de commutation 100's et 100,5 de la branche à la ligne de sortie de tension Ls. La ligne de raccordement Lr est connectée aux dispositifs de commutation 100Hs, 100,s, à travers deux diodes de contrôle. [0043] La branche de commutation de correction 10n, la branche capacitive de tension 11 et les lignes Ls, Lr, forment un dispositif de correction des déphasages entre les différentes phases électriques U, V, W du réseau électrique qui est configure pour minimiser un courant électrique circulant dans la ligne de neutre N du réseau électrique. [0044] Comme visible à la Fig.1, chaque dispositif de commutation 100,4s, 100,s, comprend ici deux transistors de puissance connectés en série, de type MOSFET ou IGBT à semiconducteur à grand gap. Chaque transistor de puissance comprend une diode de roue libre placée entre des électrodes de drain et de source. La ligne de raccordement Lr est reliée, à travers la diode de contrôle, au point de connexion de drain/source des deux transistors de puissance du dispositif de commutation 100H5, 100,s. [0045] Le contrôleur 3 pilote l'ensemble des dispositifs de commutation 100H5, 1001s des branches de commutation de phase 10u, 10v, 10w, et de la branche de commutation de correction 10n, de façon à corriger les déséquilibres entre les phases électriques U, V, W du réseau électrique, en minimisant le courant électrique circulant dans la branche de commutation de correction 10n. Pour ce faire, le contrôleur 3 fournit des pluralités de signaux de commande de commutation SCHs et SC, s pour le pilotage des dispositifs de commutation 100H5 et 100,s, respectivement. Les signaux de commande de commutation SCHs et SC,s sont appliqués à des électrodes de grille des transistors de puissance des dispositifs de commutation 100Hs, 100,s, à travers un circuit de pilotage 112 inclus dans chacun des dispositifs de commutation 100Hs, 100,5. [0046] Typiquement, le contrôleur 3 détermine les signaux de commande de commutation SCHs, SC,s, à l'aide d'une loi de commande faisant appel à une transformation dite 7 « DQO » ou « DQZ » (pour « Direct Quadrature Zero » en anglais). Cette loi de commande autorise notamment le calcul d'un courant électrique de correction à générer dans la branche de commutation de correction 10n afin d'annuler le déséquilibre entre les phases. [0047] Le convertisseur AC/DC I ayant l'architecture décrite ci-dessus, du type NPC à quatre branches, autorise des condensateurs de filtrage 110's, 110,s, de moindre capacité par rapport à des architectures plus conventionnelles. Cette réduction de la capacité des condensateurs de filtrage 110's, 110,s, est rendue possible par une moindre fluctuation de la tension continue 3/4',, du convertisseur AC/DC I du fait de la correction des déséquilibres du réseau électrique. La réduction de la capacité des condensateurs de filtrage 110's, 110,5, permet consécutivement une réduction des dimensions de ceux-ci et de l'encombrement général du convertisseur AC/DC I. [0048] Le convertisseur DC/DC réversible 2 comprend un premier ensemble de com- mutation 20, un transformateur d'isolation électrique 21 et un deuxième ensemble de commutation 22. [0049] Les premier et deuxième ensembles de commutation 20, 22, sont formés de ponts actifs comprenant une pluralité d'interrupteurs électroniques, typiquement des transistors de type MOSFET ou IGBT à semiconducteur à grand gap. Dans cette forme de réalisation, l'ensemble des interrupteurs électroniques sont des transistors MOSFET avec une diode de roue libre entre leurs électrodes de drain et de source. [0050] Le transformateur d'isolation électrique 21 comporte un double enroulement formé de premier et deuxième enroulements W1 H et W1, , et un troisième enroulement W2 électriquement isolé du double enroulement. Les premier et deuxième enroulements WI H et W11,, dits ici « primaires », ont un même nombre de spires et un même sens de bobinage. Le troisième enroulement W2 est dit ici « secondaire ». [0051] Comme visible à la Fig.1, le premier ensemble de commutation 20 est relié élec- triquement au convertisseur AC/DC 1, par les bornes de tension continue BD+, BD- et le point milieu capacitif PM, et aux premier et deuxième enroulements primaires WIH, WI,, du transformateur d'isolation électrique 21. [0052] Le premier ensemble de commutation 20 comprend des premier et deuxième ponts actifs 20H et 20, ayant chacun deux branches de commutation PIH, P2H et PI, , P21, connectées en parallèle entre deux lignes de tension continue LI+, L, et LI-, L,, respectivement. [0053] Le premier pont actif 20H comporte les deux branches de commutation PIH, P2H, connectées en parallèle entre les deux lignes de tension continue L1+, I.pm, avec les deux lignes de tension continue LI+, I-pm, qui sont reliées respectivement à la borne de tension continue BD+ et au point milieu capacitif PM. Le premier pont actif 20H est ainsi soumis à la tension continue +V=-FVE,c/2 qui est la tension présente entre la borne 8 de tension continue BD+ et le point milieu capacitif PM. [0054] Dans le premier pont actif 20', la branche de commutation Pl' comprend deux transistors de puissance T120' et T22011 connectés en série entre les lignes Ll+ et L' et reliés ensemble à une première home de tension alternative BPI'. La branche de commutation P211 comprend deux transistors de puissance T32011 et T42011 connectés en série entre les lignes Ll+ et L' et reliés ensemble à une deuxième borne de tension alternative BP2'. [0055] Les première et deuxième homes de tension alternative BPI' et BP2' sont reliées respectivement à des première et deuxième homes d'extrémité du premier enroulement primaire W111 du transformateur d'isolation électrique 21, à travers un filtre inductif L' [0056] Le deuxième pont actif 20, comporte les deux branches de commutation P1,. P2,, connectées en parallèle entre les deux lignes de tension continue Ll L', avec les deux lignes de tension continue Li-, L,,,,, qui sont reliées respectivement à la home de tension continue BD- et au point milieu capacitif PM. Le deuxième pont actif 20, est ainsi soumis à la tension continue -V=-VD,12 qui est la tension présente entre la home de tension continue BD- et le point milieu capacitif PM. [0057] Dans le deuxième pont actif 20,, la branche de commutation Pl, comprend deux transistors de puissance T120, et T2201 connectés en série entre les lignes Ll- et L, et reliés ensemble à une première borne de tension alternative BP11,. La branche de commutation P21 comprend deux transistors de puissance T3201 et T4201 connectés en série entre les lignes Li- et LPM et reliés ensemble à une deuxième borne de tension alternative BP21. [0058] Les première et deuxième bornes de tension alternative BP 1, et BP21 sont reliées res- pectivement à des première et deuxième bornes d'extrémité du deuxième enroulement primaire WI,, du transformateur d'isolation électrique 21, à travers un filtre inductif L,. [0059] Comme visible à la Fig.1, le deuxième ensemble de commutation 22 est formé d'un pont actif ayant deux branches de commutation SI et S2 connectées en parallèle entre deux lignes de tension continue L2+, L2-, avec les deux lignes de tension continue L2+, L2-, qui sont reliées respectivement aux bornes de tension continue BS+, BS-. Le pont actif 22 est soumis à la tension continue VDcs qui est la tension présente entre les bornes de tension continue BS+ et BS-. Un condensateur de filtrage 220 est connecté entre les bornes de tension continue BS+ et BS-. [0060] Dans le pont actif 22, la branche de commutation SI comprend deux transistors de puissance T122 et T222 connectés en série entre les lignes L2+ et L2- et reliés ensemble à une première borne de tension alternative BSI. La branche de commutation S2 comprend deux transistors de puissance T322 et T422 connectés en série entre les lignes L2+ et L2- et reliés ensemble à une deuxième borne de tension alternative BS2. 9 [0061] Les première et deuxième bornes de tension alternative BS1 et BS2 sont reliées res- pectivement à des première et deuxième bornes d'extrémité de l'enroulement secondaire W2 du transformateur d'isolation électrique 21. [0062] Le contrôleur 3 pilote les transistors T12011, T22011, T32011, T42011 des branches de commutation Pl11. P211, du pont actif 2011, les transistors T120,, T220,, T320,, T420, des branches de commutation PlL. P2' du pont actif 20, et les transistors T122, T222, T322, T422 des branches de commutation SI, S2, du pont actif 22. Pour ce faire, le contrôleur 3 fournit des pluralités de signaux de commande de commutation SPI, SP2 et SS respectivement pour le pilotage des transistors T120', T22011, T32011, T42011 des branches de commutation Pi 11, P211, du pont actif 2011, des transistors T120, T220,, T320,, T420, des branches de commutation P1,. P2,, du pont actif 20, et des transistors T122, T222, T322, T422 des branches de commutation SI, S2, du pont actif 22. Les signaux de commande de commutation SPh SR et SS sont appliqués aux électrodes de grille des transistors correspondants, à travers des circuits de pilotage 200 associés aux transistors. [0063] L'architecture de l'invention avec des premier et deuxième ponts de commutation 20 ', 2O,, du convertisseur DC/DC, qui sont dédiés respectivement aux sections haute et basse du convertisseur AC/DC, permet de réduire les contraintes de tension sur les interrupteurs électroniques de ces ponts commutation. TI en résulte un accroissement possible de la fréquence de commutation de ces ponts et corrélativement une réduction du volume et du poids du transformateur d'isolation électrique. Par ailleurs, la régulation des ondulations sur les bus de tension continue DC-F, DC-, peut être effectuée à l'aide deux boucles de commande indépendantes associées aux premier et deuxième ponts de commutation, ce qui autorise de meilleures performances dans la réduction de ces ondulations. [0064] Bien entendu, l'invention ne se limite pas à la forme de réalisation particulière qui a été décrite ici à titre d'exemple. L'homme du métier, selon les applications de l'invention, pourra apporter différentes modifications et variantes entrant dans le champ de protection de l'invention. [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6]