Brevet FR3100941A1 — publié le 20210319

Système de charge bidirectionnelle d’une batterie d’un véhicule automobile électrique ou hybride, connecté à un réseau d’alimentation électrique, à au moins une cellule photovoltaïque, et à un dispositif de charge bidirectionnelle par induction, caractérisé par le fait que le système de charge bidirectionnelle comprend un convertisseur AC-DC connecté au réseau d’alimentation électrique et un convertisseur DC-DC connecté à la au moins une cellule photovoltaïque, le dispositif de charge bidirectionnelle par induction, le convertisseur AC-DC et le convertisseur DC-DC étant connectés en parallèle les uns des autres à une capacité de bus, le système de charge bidirectionnelle comprenant en outre un superviseur commandant les puissances échangées avec le réseau d’alimentation électrique, la au moins une cellule photovoltaïque et le dispositif de charge bidirectionnelle par induction en fonction de valeurs de consigne prédéterminées, d’une mesure de tension aux bornes de la capacité de bus, d’une mesure de l’état de charge de la batterie du véhicule automobile et d’une mesure de tension aux bornes de la au moins une cellule photovoltaïque. Figure pour l’abrégé : Pas de figure Système de charge bidirectionnelle d’une batterie de véhicule automobile à sources d’énergie multiples L’invention a pour domaine technique des systèmes de commande de charge de batterie de véhicule automobile, et en particulier de tels systèmes de charge à induction. Etat de la technique antérieure Un moyen connu pour réduire le coût d’usage de la batterie d’un véhicule automobile électrique ou hybride est de valoriser sa batterie lorsqu’il est en stationnement en offrant divers services énergétiques au réseau électrique en mettant à disposition une partie de l’énergie et de la puissance de la batterie via un système de charge réversible ou bidirectionnelle. Au-delà du revenu direct issu de ces services, cette méthode est aussi un moyen de favoriser l’utilisation et le développement d’énergie décarbonée, notamment photovoltaïque. Il existe des équipements stationnaires qui combinent la gestion de cellules photovoltaïques et d’une batterie stationnaire pour lisser les variations de courte durée de la puissance photovoltaïque, et dans certains cas assurer une fonction d’alimentation sans interruption pour des charges qui y sont reliées. Ces équipements (exemples de fabricants : SMA, Ingeteam, Imeon, ….) présentent un coût modeste hors cellules photovoltaïques et batteries, obtenu essentiellement du fait de la simplicité de l’électronique dépourvue d’étage d’isolement entre le réseau de distribution et la batterie stationnaire. Il existe d’autres systèmes plus puissants munis de batteries de grosse capacité nécessitant une isolation galvanique via un transformateur à haute fréquence, ce qui augmente sensiblement le coût et le volume de l’ensemble. Dans le cas où la batterie de forte capacité est celle d’un véhicule électrique ou hybride, un échange d’énergie isolé entre réseau et batterie est nécessaire. La mise à disposition d’une batterie de forte capacité capable de se charger ou se décharger dans le réseau représente une valeur ajoutée significative lorsqu’elle est couplée à des systèmes de génération d’énergie décarbonée, principalement des cellules photovoltaïques. Par ailleurs, il existe des systèmes de charge inductive de la batterie d’un véhicule automobile électrique ou hybride comprenant une électronique débarquée dans une station de charge et une électronique embarquée dans le véhicule muni chacun d’une bobine d’induction et échangeant de l’énergie par couplage magnétique entre leurs bobines. Ces systèmes présentent l’avantage de disposer d’un isolement galvanique inhérent à leur conception via le couplage magnétique des bobines d’induction. Le problème technique à résoudre est comment réaliser un système de charge pour véhicule électrique ou hybride permettant de disposer simultanément : - d’une charge par induction, - d’une charge bidirectionnelle entre le réseau d’alimentation électrique et la batterie du véhicule automobile, - d’une fourniture d’énergie par des cellules photovoltaïques, et - éventuellement d’une connexion à une batterie de secours permettant un lissage de la production d’énergie photovoltaïque ainsi qu’une autonomie énergétique en cas de défaut d’alimentation. Cette batterie venant en appoint de celle du véhicule, ou en remplacement lorsque le véhicule n’est pas connecté. De l’état de la technique antérieure, on connaît les documents suivants. Le document WO2006/125410 décrit un moyen d’échange d’énergie entre un réseau monophasé et une batterie de grande capacité. Un étage d’isolement est inséré via un transformateur à haute fréquence. Il n’y a pas d’interfaçage avec des cellules photovoltaïques. Le document US2014/0339898 décrit divers arrangements de fonctions de conversion pour associer des transferts d’énergie entre un réseau d’alimentation, des cellules photovoltaïques et une batterie. Le document ne décrit pas d’étage d’isolement de la batterie ou de moyen de transfert d’énergie sans contact avec la batterie d’un véhicule automobile. Le document DE102012109420 décrit une solution combinant des échanges entre cellules photovoltaïques, réseau d’alimentation électrique, et batterie. Ce document illustre les solutions habituellement proposées pour le lissage de la production photovoltaïque. Un système de contacts, nécessairement volumineux et coûteux, permet de fixer le sens des échanges (photovoltaïques vers réseau ou batterie ; échanges entre batterie et réseau). La possibilité d’échange avec une batterie de forte capacité pouvant être déconnectée telle que celle d’un véhicule automobile électrique ou hybride n’est pas mentionnée. Le problème technique n’est donc pas résolu par l’état de la technique antérieure. L’invention a pour objet un système de charge bidirectionnelle d’une batterie d’un véhicule automobile électrique ou hybride, connecté à un réseau d’alimentation électrique, à au moins une cellule photovoltaïque, et à un dispositif de charge bidirectionnelle par induction, caractérisé par le fait que le système de charge bidirectionnelle comprend un convertisseur AC-DC connecté au réseau d’alimentation électrique et un convertisseur DC-DC connecté à au moins une cellule photovoltaïque, le dispositif de charge bidirectionnelle par induction, le convertisseur AC-DC et le convertisseur DC-DC étant connectés en parallèle les uns des autres à une capacité de bus, le système de charge bidirectionnelle comprenant en outre un superviseur déterminant des consignes de puissance à échanger avec le réseau d’alimentation électrique, la au moins une cellule photovoltaïque et le dispositif de charge bidirectionnelle par induction en fonction de valeurs prédéterminées de consigne à échanger, d’une mesure de tension aux bornes de la capacité de bus, d’une mesure de l’état de charge de la batterie du véhicule automobile et d’une mesure de tension aux bornes de la au moins une cellule photovoltaïque. La tension aux bornes de la capacité de bus peut être supérieure à la tension crête du réseau d’alimentation électrique. Le convertisseur DC-DC peut comprendre un premier condensateur connecté en parallèle à la au moins une cellule photovoltaïque, une première armature du premier condensateur étant connectée au drain d’un premier transistor à effet de champ aux bornes duquel est connectée une diode de roue libre, la source du premier transistor à effet de champ est connectée à une borne d’une première inductance et à la cathode d’une première diode, la deuxième armature du premier condensateur est connectée à l’anode de la première diode et à la source d’un deuxième transistor à effet de champ aux bornes duquel est connectée une diode de roue libre, le drain du deuxième transistor à effet de champ est connecté à la deuxième borne de la première inductance et à l’anode d’une deuxième diode, la cathode de la deuxième diode est connectée à une armature d’un deuxième condensateur et à une borne d’une deuxième inductance, la source du deuxième transistor à effet de champ est connectée à la deuxième armature du deuxième condensateur, à l’émetteur d’un troisième transistor et à une armature de la capacité de bus, le collecteur du troisième transistor est connecté à l’autre borne de la deuxième inductance et à l’émetteur d’un quatrième transistor, une diode de roue libre est connectée en parallèle du troisième transistor, le collecteur du quatrième transistor est connecté à l’autre armature de la capacité de bus, une diode de roue libre est connectée en parallèle du transistor. Une batterie de secours peut être connectée au convertisseur DC-DC, une borne de la batterie de secours est connectée entre une armature du deuxième condensateur et à une borne de la deuxième inductance, l’autre borne de la batterie de secours étant connectée entre l’autre armature du deuxième condensateur et à l’émetteur du quatrième transistor. La tension aux bornes de la capacité de bus peut être égale à la tension de la au moins une cellule photovoltaïque. La tension aux bornes de la capacité de bus peut être égale à 48V. Le convertisseur DC-DC peut comprendre un premier condensateur connecté en parallèle à des cellules photovoltaïques, une première armature du premier condensateur étant connectée au drain d’un premier transistor à effet de champ aux bornes duquel est connectée une diode de roue libre, la source du premier transistor à effet de champ est connectée à une borne d’une première inductance et à la cathode d’une première diode, la deuxième armature du premier condensateur est connectée à l’anode de la première diode et à la source d’un deuxième transistor à effet de champ aux bornes duquel est connectée une diode de roue libre, le drain du deuxième transistor à effet de champ est connecté à la deuxième borne de la première inductance et à l’anode d’une deuxième diode, la cathode de la deuxième diode est connectée en parallèle à une armature de la capacité de bus, la source du deuxième transistor à effet de champ est connectée à une autre armature de la capacité de bus. La capacité de bus peut être une batterie de secours. Une batterie de secours peut être connectée en parallèle de la capacité de bus. Le superviseur peut déterminer les consignes de puissance à échanger avec la batterie du véhicule, le réseau d’alimentation et, lorsqu’une batterie de secours est présente, la batterie de secours en fonction chacune d’un coefficient de pondération multiplié par une correction de puissance et sommée à une valeur prédéterminée de consigne de puissance à échanger, la correction de puissance étant déterminée par l’intermédiaire d’un moyen de correction recevant en entrée la différence entre une valeur de référence de la tension aux bornes de la capacité de bus et de la mesure de la tension aux bornes de la capacité de bus. Le système de commande présente l’avantage de combiner la gestion des interactions entre des cellules photovoltaïques, le réseau d’alimentation électrique et une batterie de véhicule électrique rechargeable via un couplage inductif en utilisant des topologies électroniques non isolées. Le système de commande présente également l’avantage de disposer d’une commande spécifique utilisant un superviseur qui pilote les échanges d’énergie en envoyant des consignes de transfert de puissance à chaque système de conversion tout en régulant la tension du bus continu interne. Il privilégie l’utilisation des cellules photovoltaïques en permanence, et optimise certaines contraintes telles que le coût ou l’empreinte carbone de l’électricité ponctionnée au réseau ainsi que l’objectif de charge batterie véhicule pour une heure donnée. D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - illustre un premier mode de réalisation d’un système de charge bidirectionnelle de véhicule automobile selon l’invention, - illustre les principaux éléments d’un convertisseur DC-DC du premier mode de réalisation de l’invention, - illustre les principaux éléments d’un dispositif de charge bidirectionnelle par induction de l’invention, - illustre les principaux éléments d’un convertisseur AC-DC du premier mode de réalisation de l’invention, - illustre un deuxième mode de réalisation d’un système de charge bidirectionnelle de véhicule automobile selon l’invention, - illustre les principaux éléments d’un convertisseur DC-DC du deuxième mode de réalisation de l’invention, - illustre les principaux éléments d’un convertisseur AC-DC du deuxième mode de réalisation de l’invention, et - illustre les principaux éléments d’un moyen de supervision de l’invention. Système de charge bidirectionnelle d’une batterie (5a) d’un véhicule automobile (5) électrique ou hybride, connecté à un réseau d’alimentation électrique (2), à au moins une cellule photovoltaïque (3), et à un dispositif de charge bidirectionnelle par induction (8,5b), caractérisée par le fait que le système de charge bidirectionnelle comprend un convertisseur AC-DC (7,7b) connecté au réseau d’alimentation électrique (2) et un convertisseur DC-DC (6,6b) connecté à la au moins une cellule photovoltaïque (3), le dispositif de charge bidirectionnelle par induction (8, 5b), le convertisseur AC-DC (7,7b) et le convertisseur DC-DC (6,6b) étant connectés en parallèle les uns des autres à une capacité de bus (C), le système de charge bidirectionnelle comprenant en outre un superviseur (9) déterminant des consignes de puissance à échanger avec le réseau d’alimentation électrique (2), la au moins une cellule photovoltaïque (3) et le dispositif de charge bidirectionnelle par induction (8,5b) en fonction de valeurs prédéterminées de consigne à échanger, d’une mesure de tension aux bornes de la capacité de bus (C), d’une mesure de l’état de charge de la batterie (5a) du véhicule automobile et d’une mesure de tension aux bornes de la au moins une cellule photovoltaïque (3). Système selon la revendication 1, dans lequel la tension aux bornes de la capacité de bus (C) est supérieure à la tension crête du réseau d’alimentation électrique (2). Système selon la revendication 2 dans lequel le convertisseur DC-DC (6) comprend un premier condensateur (C1) connecté en parallèle à la au moins une cellule photovoltaïques (3), une première armature du premier condensateur (C1) étant connectée au drain d’un premier transistor à effet de champ (T1) aux bornes duquel est connectée une diode de roue libre (D1), la source du premier transistor à effet de champ (T1) est connectée à une borne d’une première inductance (L1) et à la cathode d’une première diode (D2), la deuxième armature du premier condensateur (C1) est connectée à l’anode de la première diode (D2) et à la source d’un deuxième transistor à effet de champ (T3) aux bornes duquel est connectée une diode de roue libre (D3), le drain du deuxième transistor à effet de champ (T3) est connecté à la deuxième borne de la première inductance (L1) et à l’anode d’une deuxième diode (D4), la cathode de la deuxième diode (D4) est connectée à une armature d’un deuxième condensateur (C2) et à une borne d’une deuxième inductance (L2), la source du deuxième transistor à effet de champ (T3) est connectée à la deuxième armature du deuxième condensateur (C2), à l’émetteur d’un troisième transistor (T5) et à une armature de la capacité de bus (C), le collecteur du troisième transistor (T5) est connecté à l’autre borne de la deuxième inductance (L2) et à l’émetteur d’un quatrième transistor (T6), une diode de roue libre (D5) est connectée en parallèle du troisième transistor (T5), le collecteur du quatrième transistor (T6) est connecté à l’autre armature de la capacité de bus (C), une diode de roue libre (D19) est connectée en parallèle du quatrième transistor (T6). Système selon la revendication 3, dans lequel une batterie de secours (4) est connectée au convertisseur DC-DC (6), une borne de la batterie de secours (4) est connectée entre une armature du deuxième condensateur (C2) et à une borne de la deuxième inductance (L2), l’autre borne de la batterie de secours (4) étant connectée entre l’autre armature du deuxième condensateur (C2) et à l’émetteur du troisième transistor (T5). Système selon la revendication 1 dans lequel la tension aux bornes de la capacité de bus (C) est égale à la tension de la au moins une cellule photovoltaïque (3). Système selon la revendication 5, dans lequel la tension aux bornes de la capacité de bus (C) est égale à 48V. Système selon l’une quelconque des revendications 5 ou 6 dans lequel le convertisseur DC-DC (6b) comprend un premier condensateur (C10) connecté en parallèle à des cellules photovoltaïques (3), une première armature du premier condensateur (C10) étant connectée au drain d’un premier transistor à effet de champ (T30) aux bornes duquel est connectée une diode de roue libre (D30), la source du premier transistor à effet de champ (T30) est connectée à une borne d’une première inductance (L6) et à la cathode d’une première diode (D29), la deuxième armature du premier condensateur (C10) est connectée à l’anode de la première diode (D29) et à la source d’un deuxième transistor à effet de champ (T32) aux bornes duquel est connectée une diode de roue libre (D32), le drain du deuxième transistor à effet de champ (T32) est connecté à la deuxième borne de la première inductance (L6) et à l’anode d’une deuxième diode (D31), la cathode de la deuxième diode (D31) est connectée en parallèle à une armature de la capacité de bus (C), la source du deuxième transistor à effet de champ (T32) est connectée à une autre armature de la capacité de bus (C). Système selon la revendication 7, dans lequel la capacité de bus (C) est une batterie de secours (4). Système selon la revendication 7, dans lequel une batterie de secours (4) est connectée en parallèle de la capacité de bus (C). Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le superviseur détermine les consignes de puissance à échanger avec la batterie du véhicule, le réseau d’alimentation et, lorsqu’une batterie de secours est présente, la batterie de secours en fonction chacune d’un coefficient de pondération multiplié par une correction de puissance et sommée à une valeur prédéterminée de consigne de puissance à échanger, la correction de puissance étant déterminée par l’intermédiaire d’un moyen de correction (11) recevant en entrée la différence entre une valeur de référence de la tension aux bornes de la capacité de bus (C) et la mesure de la tension aux bornes de la capacité de bus (C).