Brevet FR3089076A1 — publié le 20200529

Description Titre de l'invention : Convertisseur courant continu - courant continu résonant de type LLC [0001] La présente invention se rapporte de manière générale au domaine de l'électrotechnique et concerne plus précisément un convertisseur courant continu courant continu pour véhicule électrique ou hybride. [0002] Un chargeur de véhicule électrique ou hybride comporte généralement deux étages de conversion, un premier étage redresseur correcteur de puissance, et un deuxième étage de conversion courant continu - courant continu, destiné à adapter la tension redressée par le premier étage à la tension batterie. Ce deuxième étage de conversion comporte avantageusement un transformateur d'isolation galvanique dont l'une des fonctions est d'assurer la sécurité électrique des utilisateurs lors de la charge (ou décharge) de la batterie de traction d'un tel véhicule. On appelle « batterie de traction dans cette demande, une batterie d'accumulateurs électriques apte à fournir suffisamment d'énergie pour transmettre un couple aux roues d'un véhicule électrique ou hybride, que celui-ci fonctionne en traction ou en propulsion. L'ordre de grandeur de la tension à vide d'une telle batterie est dc 400V. [0003] Lc développement de solutions dites « vehicle-to-grid » (V2G) permettant aux véhicules électriques ou hybrides de fournir de l'énergie électrique au réseau d'alimentation électrique, imposent le développement de chargeurs bidirectionnels pour les véhicules électriques ou hybrides, et partant, dc convertisseurs courant continu - courant continu formant le deuxième étage de ces chargeurs, également bidirectionnels. [0004] La demande de brevet de numéro de dépôt FR1851335 propose un tel convertisseur courant continu-courant continu (DC/DC) réversible, sous forme d'un convertisseur DC/DC résonant de type LLC. Comme représenté sur la figure 1, ce convertisseur possède un étage d'entrée bidirectionnel formé d'un premier pont en H de transistors TI, T2, T3 et T4, la sortie du pont en H étant connectée à une structure LLC comportant montés en série une capacité de résonance Cr, une première inductance de résonance Lr et une deuxième inductance de résonance Lm2. Le bobinage primaire Ll d'un transformateur T est connecté en parallèle de la seconde inductance de résonance Lm2. Le bobinage secondaire dudit transformateur T est connecté à l'entrée d'un étage de sortie redresseur bidirectionnel, formé d'un deuxième pont en H de transistors T5, T6, T7 et T8, aux bornes de sortie duquel est connectée une capacité de lissage Cl, destinée à être reliée aux bornes d'une batterie d'accumulateurs électriques. [0005] Ce convertisseur de l'art antérieur a pour particularité de présenter une troisième in- 2 ductance Lml connectée entre les points A et B de sortie du premier pont en H par l'intermédiaire d'un interrupteur It. Lorsque le convertisseur est utilisé pour charger la batterie d'accumulateurs, r interrupteur Tt est ouvert, la troisième inductance Lml est donc déconnectée de la structure LLC. Par contre lorsque le convertisseur est utilisé pour décharger la batterie d'accumulateurs, l'interrupteur It est fermé, la troisième inductance Lml est donc connectée en parallèle de la structure LLC en sortie du premier pont en H. Cela permet donc un fonctionnement en mode décharge, c'est-à-dire lorsque l'énergie est fournie par la batterie, équivalent à celui d'un convertisseur LLC avec un gain supérieur à 1, même lorsque la tension batterie est relativement faible. En effet, une des contraintes des convertisseurs résonants de type LLC est qu'ils sont dimensionnés habituellement pour fonctionner avec un gain supérieur à 1, seulement dans un sens et seulement lorsque la tension en entrée du convertisseur est assez haute par rapport à la tension de la batterie à charger. Or les batteries de traction de véhicule automobile ou hybride ont une tension variant de 240V (volts) à 400V environ en fonction de leur état de charge, alors que le réseau d'alimentation monophasé présente habituellement une tension efficace de 240V et le réseau d'alimentation triphasé une tension efficace de 415V entre phases. [0006] Néanmoins, cette solution utilise deux inductances additionnelles Lml et Lm2 dans le convertisseur résonant de type LLC, dont l'une Lml n'est pas utilisée en mode charge, c'est-à-dire lorsque l'énergie est fournie par le réseau d'alimentation, et dont l'autre Lm2 diminue le rendement en mode décharge, puisque le courant qui traverse l'inductance additionnelle Ling n'a pas d'utilité. [0007] Un des buts de l'invention est de remédier à au moins une partie des inconvénients de la technique antérieure en fournissant un convertisseur courant continu - courant continu peu coûteux et qui présente un bon rendement aussi bien en mode charge qu'en mode décharge, même avec une batterie peu chargée. [0008] A cette fin, l'invention propose un convertisseur courant continu - courant continu résonant de type LLC pour chargeur de batterie d'accumulateurs électriques destiné à fonctionner de manière réversible entre un réseau d'alimentation électrique et ladite batterie, ledit convertisseur comportant un étage d'entrée bidirectionnel formé d'un pont de transistors en H auquel est connecté en sortie une structure LC comportant montés en série une capacité de résonance, une première inductance de résonance ainsi que le bobinage primaire d'un transformateur, le bobinage secondaire dudit transformateur étant connecté à un étage de sortie redresseur bidirectionnel, ledit étage de sortie étant apte à être connecté aux bornes d'une batterie d'accumulateurs, [0009] ledit convertisseur étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre une deuxième in- ductance de résonance et : [0010] - des moyens aptes à connecter au moins une partie de ladite deuxième inductance en 3 parallèle dudit bobinage primaire lorsque ledit convertisseur fonctionne en mode charge de ladite batterie, [0011] - des moyens aptes à déconnecter ladite au moins une partie de ladite deuxième in- ductance du bobinage primaire lorsque ledit convertisseur fonctionne en mode décharge de la batterie, et [0012] - des moyens aptes à connecter ladite deuxième inductance aux homes de sortie dudit pont de transistors en H, en parallèle de ladite structure LC, lorsque ledit convertisseur fonctionne en mode décharge de la batterie. [0013] Grâce à l'invention, une seule inductance additionnelle est utilisée et présente une utilité à la fois en mode charge et en mode décharge. En effet, en mode charge, la deuxième inductance de résonance est connectée en parallèle du bobinage primaire du transformateur, le convertisseur fonctionne donc comme une structure résonante LLC classique. En mode décharge, la deuxième inductance de résonance est connectée en sortie du pont de transistors en H et présente donc aussi les avantages d'un convertisseur résonant de type LLC. [0014] Selon une caractéristique avantageuse du convertisseur selon l'invention, ladite deuxième inductance de résonance comporte une home d'extrémité connectée à une borne dudit bobinage primaire directement connectée à une des homes de sortie dudit pont de transistors en H, lesdits moyens aptes à connecter en parallèle dudit bobinage primaire et en parallèle de ladite structure LC, ainsi que lesdits moyens aptes à déconnecter, comportant un premier interrupteur reliant l'autre borne d'extrémité de ladite deuxième inductance à l'autre borne dudit bobinage primaire, et un deuxième interrupteur reliant ladite autre borne d'extrémité de ladite deuxième inductance à l'autre des bornes de sortie dudit pont de transistors en H. [0015] Cette implémentation de l'invention est peu coûteuse car elle n'utilise que deux inter- rupteurs. [0016] Alternativement, selon l'invention ladite deuxième inductance de résonance comporte une borne d'extrémité connectée à une borne dudit bobinage primaire directement connectée à l'une des bornes de sortie dudit pont de transistors en H, lesdits moyens aptes à connecter en parallèle dudit bobinage primaire et en parallèle de ladite structure LC, ainsi que lesdits moyens aptes à déconnecter, comportant un premier interrupteur reliant une borne intermédiaire de ladite deuxième inductance à l'autre borne dudit bobinage primaire, et un deuxième interrupteur reliant l'autre borne d'extrémité de ladite deuxième inductance à l'autre borne de sortie dudit pont de transistors en H. [0017] Cette alternative d'implémentation permet en plus de ne connecter qu'une partie de la deuxième inductance en parallèle du bobinage primaire du convertisseur en mode charge, ce qui permet d'optimiser les fonctions de transfert en mode charge et en mode décharge. [0018] Avantageusement, lesdits moyens aptes à connecter ladite deuxième inductance aux bornes de sortie dudit pont de transistors en H, en parallèle de ladite structure LC, lorsque ledit convertisseur fonctionne en mode décharge de la batterie, ne sont activés qu'à faible puissance de transfert d'énergie. Ainsi il est possible de faire descendre la tension par le pont diviseur inductif Lr/(Lr-FLm). Cela est fortement apprécié à faible charge car il est connu que la capacité des MOSFETs du pont d'entrée ont tendance à ne pas permettre de réduire la tension même quand la fréquence augmente. [0019] L'invention concerne aussi un système de charge bidirectionnel pour batterie de traction d'un véhicule électrique ou hybride, comportant un étage d'entrée redresseur correcteur du facteur de puissance monophasé ou polyphasé, la sortie dudit étage d'entrée étant connectée à un convertisseur courant continu - courant continu selon l' invention. [0020] L'invention concerne aussi un véhicule électrique ou hybride comportant un système de charge selon l'invention. [0021] Le système de charge selon l'invention et le véhicule selon l'invention présentent des avantages analogues à ceux du convertisseur selon l'invention. [0022] D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture d'un mode de réa- lisation préféré décrit en référence aux figures dans lesquelles : [0023] [fig.1] déjà décrite en relation avec l'art antérieur, représente un convertisseur courant continu - courant continu de l'art antérieur, [0024] [fig.2] représente un convertisseur courant continu - courant continu selon l'invention configuré en mode charge, dans ce mode de réalisation de l'invention, [0025] [fig.3] représente un convertisseur courant continu - courant continu selon l'invention configuré en mode décharge, dans ce mode de réalisation de l'invention. [0026] Dans la présente demande, pour simplifier, les éléments identiques se retrouvant sur des modes de réalisation différents, ou simplement sur des figures différentes, sont repérés par les mêmes signes de référence. [0027] Selon un mode de réalisation préféré de l'invention représenté à la figure 2, un convertisseur courant continu - courant continu selon l'invention est apte à recevoir une tension Vdc continue en entrée, cette tension Vdc étant obtenue en sortie d'un étage redresseur correcteur du facteur de puissance, non représenté, et lui-même connecté en entrée à un réseau d'alimentation électrique monophasé ou polyphasé. Ce convertisseur DC/DC est de type résonant LLC, et est connecté en sortie à une batterie de traction de tension Vbatt, non représentée. [0028] Cc convertisseur selon l'invention possède un étage d'entrée bidirectionnel formé d'un premier pont en H de transistors T1, T2, T3 et T4, la sortie du pont en H étant connectée à une structure LC comportant montés en série une capacité de résonance Cr, une première inductance de résonance Lr et une deuxième inductance de résonance Lm. Le bobinage primaire Ll d'un transformateur T est connecté en parallèle de la seconde inductance de résonance Lm. Le bobinage secondaire du transformateur T est connecté aux points d'entrée C et D d'un étage de sortie redresseur bidirectionnel, formé d'un deuxième pont en H de transistors T5, T6, T7 et T8, aux bornes de sortie duquel est connectée une capacité de lissage Cl, elle-même reliée aux bornes de la batterie de traction soit directement soit à travers un filtre LC. [0029] Aux bornes de chaque transistor T1 à T8 peut être montée une capacité dite « snubbcr », permettant une commutation douce des transistors et donc des pertes moindres à la commutation et/ou un bruit électromagnétique réduit. Dans ce mode de réalisation des diodes montées en anti-parallèle sont de plus connectées à chaque transistor Tl à T8. [0030] La deuxième inductance de résonance Lm est connectée en parallèle du bobinage primaire Ll seulement en mode charge. [0031] En mode décharge, comme représenté sur la figure 3, la deuxième inductance de résonance Lm est connectée sur les bornes de sortie A et B du premier pont de transistors en H. [0032] Pour cela, une première borne du bobinage primaire LI et une première borne de la deuxième inductance de résonance Lm étant connectées au premier point B de sortie du premier pont de transistors en H : [0033] - la deuxième borne de sortie de la deuxième inductance de résonance Lm est connectée à la deuxième borne de sortie du bobinage primaire par l'intermédiaire d'un interrupteur Itl, [0034] - et la deuxième borne de sortie de la deuxième inductance de résonance Lm est connectée au deuxième point A de sortie du premier pont de transistors en H par l'intermédiaire d'un interrupteur It2. [0035] Ainsi en mode charge, des moyens de commande tels qu'un microcontrôleur, commandent la fermeture de l'interrupteur Itl et l'ouverture de l'interrupteur It2 Ainsi la deuxième inductance de résonance Lm est connectée en parallèle du bobinage primaire Ll, et le convertisseur fonctionne avec tous les avantages d'un convertisseur résonant de type LLC classique. La deuxième inductance de résonance Lm est dimensionnée pour optimiser la fonction de transfert du convertisseur en mode charge. [0036] En mode décharge, les moyens de commande commandent la fermeture de l'intenupteur It2 et l'ouverture de l'interrupteur Itl Ainsi la deuxième inductance de résonance Lm est connectée aux bornes A et B de sortie du premier pont de transistors 6 en H, et le convertisseur fonctionne comme un convertisseur résonant de type LLC en mode décharge. Il est à noter que la déconnexion de la deuxième inductance de résonance Lm du bobinage primaire Ll en mode décharge permet d'éviter au deuxième pont de transistors en H de convoyer un courant inutile qui traverserait sinon cette deuxième inductance de résonance Lm. L'invention permet donc de ne pas surdimensionner les transistors du deuxième pont de transistors en H. [0037] Afin d'améliorer encore le rendement du convertisseur en mode décharge ou en mode charge, il est possible de scinder l'inductance Lm en deux inductances. Dans cette variante on ajoute un interrupteur Itl' de sorte de à pouvoir optimiser le rendement du convertisseur soit en mode décharge soit en mode charge en utilisant tout ou partie de l'inductance Lm. [0038] En variante, les moyens de commande sont aptes à fermer ledit interrupteur It2 en mode décharge seulement à faible puissance de transfert d'énergie, par exemple entre la puissance minimum et la puissance maximum acceptable par le système divisée par 10, l'interrupteur Itl étant ouvert en mode décharge quel que soit la puissance de transfert. Cela permet d'optimiser le rendement et/ou le dimensionnement du convertisseur à pleine puissance sur certains points de fonctionnement. [0039] D'autres variantes de réalisation de l'invention sont bien entendu encore possibles. En variante par exemple, le bobinage primaire du transformateur n'est pas directement connecté à une des bornes de sortie du premier pont de transistors en H, et des interrupteurs additionnels sont utilisés pour permettre de reconfigurer les connexions de la deuxième inductance de résonance de sorte de pouvoir diminuer les bruits électromagnétiques liés à une asymétrie géométrique des composants. 7 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3]