Brevet FR3124905A1 — publié le 20230106

L’invention concerne un système comportant : - des bornes d’entrée (Vc+, G1) et des bornes de sortie principales (V48+, G2) ; et - un premier convertisseur continu-continu (112) connecté entre les bornes d’entrée (Vc+, G1) et les bornes de sortie principales (V48+, G2) et comportant un premier transformateur d’isolation galvanique (T1, T2). Il comporte en outre : - un deuxième convertisseur continu-continu (118) connecté entre les bornes d’entrée (Vc+, G1) et les bornes de sortie (V48+, G2) et comportant un deuxième transformateur d’isolation galvanique (T3) ; et - un dispositif de commande (126) conçu, dans un mode direct, pour activer le premier convertisseur (112) et désactiver le deuxième convertisseur (118) pour que le système (108) transfère de la puissance électrique dans un sens direct, c’est-à-dire depuis les bornes d’entrée (Vc+, GND1) vers les bornes de sortie principales (V48+, G2), et, dans un mode inverse, pour activer le deuxième convertisseur (118) et désactiver le premier convertisseur (112) pour que le système (108) transfère de la puissance électrique dans un sens inverse, c’est-à-dire depuis les bornes de sortie principales (V48+, G2) vers les bornes d’entrée (Vc+, GND1). Le deuxième transformateur (T3) présente un rapport de transformation (M’) dans le sens inverse plus grand qu’un rapport de transformation (M) dans le sens inverse du premier transformateur (T1, T2). Figure pour l’abrégé : Figure 1 SYSTÈME DE CONVERSION DE TENSION ET VÉHICULE AUTOMOBILE COMPORTANT UN TEL SYSTÈME Domaine technique de l’invention La présente invention concerne un système de conversion de tension et un véhicule automobile comportant un tel système. Elle s’applique en particulier dans le domaine des engins de mobilité, en particulier dans le domaine des véhicules à propulsion électrique ou bien hybride (électrique/thermique). Arrière-plan technologique L’article « Single-Stage Isolated Electrolytic Capacitor-Less EV Onboard Charger With Power Decoupling » de Ali Tausif, Hoyoung Jung et Sewan Choi, publié dans « CPSS transactions on power electronics and applications » en mars 2019, décrit un système de conversion de tension, comportant : des bornes d’entrée et des bornes de sortie principales ; et un convertisseur continu-continu connecté entre les bornes d’entrée et les bornes de sortie principales et comportant un transformateur d’isolation galvanique. Plus précisément, dans cet article, le système comporte en outre, en amont, un convertisseur de tension alternatif-continu différentiel conçu pour convertir une tension alternative d’un réseau électrique en une tension continue sur les bornes d’entrée. Ainsi, le convertisseur de tension continu-continu décrit dans cet article comporte deux lignes de conversion parallèles, comportant chacune un transformateur d’isolation galvanique. Ainsi, la puissance électrique est transférée au travers du convertisseur de tension alternatif-continu, puis au travers du convertisseur de tension continu-continu depuis les bornes d’entrée jusqu’aux bornes de sortie principales. En revanche, cet article ne décrit pas comment transférer de la puissance électrique dans le sens inverse, depuis les bornes de sortie principales vers les bornes d’entrée. Il peut ainsi être souhaité de prévoir un système de conversion de tension isolé qui permette de s’affranchir d’au moins une partie des problèmes et contraintes précités. Il est donc proposé un système de conversion de tension, comportant : des bornes d’entrée et des bornes de sortie principales ; et un premier convertisseur continu-continu connecté entre les bornes d’entrée et les bornes de sortie principales et comportant un premier transformateur d’isolation galvanique ; caractérisé en ce qu’il comporte en outre : un deuxième convertisseur continu-continu connecté entre les bornes d’entrée et les bornes de sortie et comportant un deuxième transformateur d’isolation galvanique ; et un dispositif de commande conçu, dans un premier mode de fonctionnement, dit mode dit direct, pour activer le premier convertisseur et désactiver le deuxième convertisseur pour que le système transfère de la puissance électrique depuis les bornes d’entrée vers les bornes de sortie principales et, dans un deuxième mode de fonctionnement, dit mode inverse, pour activer le deuxième convertisseur et désactiver le premier convertisseur pour que le système transfère de la puissance électrique depuis les bornes de sortie principales vers les bornes d’entrée ; et en ce que le deuxième transformateur présente un rapport de transformation dans le sens inverse plus grand qu’un rapport de transformation dans le sens inverse du premier transformateur. Le rapport de transformation du premier transformateur est de préférence gardé relativement petit afin de ne pas générer des pertes importantes. Or, pour transférer de la puissance électrique dans le sens inverse, il est nécessaire de beaucoup augmenter la tension présente sur les bornes de sortie principales, pour obtenir une tension sur les bornes d’entrée suffisamment élevée pour permettre une réinjection sur le réseau électrique. Grâce à l’invention, du fait du rapport de transformation plus élevé du deuxième transformateur, ce transfert de puissance en sens inverse est réalisé au travers du deuxième convertisseur, ce qui n’augmente pas les pertes lorsque le système est utilisé dans le sens direct, au travers du premier convertisseur. De façon optionnelle, l’une des bornes d’entrée est connectée à une première masse électrique et l’une des bornes de sortie est connectée à une deuxième masse électrique. De façon optionnelle, la première masse électrique est différente de la deuxième masse électrique, par exemple la première masse électrique est reliée à la deuxième masse électrique par une forte résistance. De façon optionnelle, le deuxième convertisseur continu-continu comprend deux bras de commutation connectés entre les bornes de sortie principale. De façon optionnelle, le deuxième convertisseur continu-continu comprend un bras de commutation connecté entre les bornes d’entrées. De façon optionnelle, le deuxième convertisseur continu-continu comprend un diviseur de tension capacitif connecté entre les bornes d’entrées. De façon optionnelle, le primaire du deuxième transformateur est connecté entre les points milieux du diviseur de tension capacitif et du bras de commutation connecté entre les bornes d’entrées. De façon optionnelle, le secondaire du deuxième transformateur est connecté entre les points milieux des deux bras de commutation connecté entre les bornes de sortie principale. De façon optionnelle, le système comporte en outre des bornes réseau destinées à être connectées à un réseau alternatif ; et un troisième convertisseur alternatif-continu réversible connecté entre les bornes réseau et les bornes d’entrée ; et le dispositif de commande est conçu, dans un premier mode de fonctionnement, dit mode direct, pour commander le troisième convertisseur en redresseur pour transférer de la puissance électrique depuis les bornes réseau vers les bornes d’entrée et, dans un deuxième mode de fonctionnement, dit mode inverse, en onduleur pour transférer de la puissance électrique depuis les bornes d’entrée vers les bornes réseau. De façon optionnelle également, le troisième convertisseur comporte au moins une capacité de stockage d’énergie électrique. De façon optionnelle également, le troisième convertisseur comporte deux bras de commutation et le dispositif de commande est conçu, dans le mode direct, pour commander les deux bras de commutation selon deux rapports cycliques respectifs, en régulant une tension continue entre les bornes de sortie principales à partir de l’un parmi une somme et une différence des rapports cycliques et en pilotant le stockage d’énergie de la ou des capacités de stockage à partir de l’autre parmi la somme et la différence des rapports cycliques. De façon optionnelle également, les deux bras de commutation du troisième convertisseur sont connectés entre les bornes d’entrée. De façon optionnelle également, la au moins une capacité de stockage comporte deux capacités de stockage connectées entre l’une des bornes d’entrée et respectivement les bornes réseau, le troisième convertisseur comporte deux inductances connectées chacune entre un point milieu d’un respectif des bras de commutation et l’une respective des bornes réseau. De façon optionnelle également, la au moins une capacité de stockage comporte deux capacités de stockage connectées entre la première masse électrique et respectivement les bornes réseau, le troisième convertisseur comporte deux inductances connectées chacune entre un point milieu d’un respectif des bras de commutation et l’une respective des bornes réseau. De façon optionnelle également, le dispositif de commande est conçu, dans le mode direct, pour réguler la puissance électrique fournie par les bornes de sortie principales en pilotant le stockage d’énergie de la ou des capacités de stockage. De façon optionnelle également, le système comporte, connecté entre les bornes de sortie principales, soit un bras de commutation, soit un diviseur de tension capacitif, commun aux premier et deuxième convertisseurs. De façon optionnelle également, le système comporte en outre : des bornes de sortie auxiliaires ; un quatrième convertisseur continu-continu connecté entre les bornes de sortie principales et les bornes de sortie auxiliaires ; et un bras de commutation connecté entre les bornes de sortie principales et commun aux deuxième et quatrième convertisseurs. De façon optionnelle également, l’une des bornes auxiliaires est connectée à une deuxième masse électrique. De façon optionnelle également, le système comporte en outre au moins un bras de commutation connecté entre les bornes de sortie principales et commun aux premier et quatrième convertisseur. De façon optionnelle également, le dispositif de commande est conçu, dans un troisième mode de fonctionnement, dit mode de transfert entre sorties, pour désactiver les premier et deuxième convertisseurs et pour commander le ou les bras de commutation communs aux premier et quatrième convertisseur et le bras de commutation commun aux deuxième et quatrième convertisseurs afin d’être utilisés par le quatrième convertisseur. De façon optionnelle également, le dispositif de commande est conçu, dans un mode de transfert entre sorties pour désactiver le troisième convertisseur alternatif-continu réversible. De façon optionnelle également, le dispositif de commande est conçu, dans un quatrième mode de fonctionnement, dit mode combiné direct et de transfert entre sorties, pour commander le ou les bras de commutation communs aux premier et quatrième convertisseurs afin d’être utilisés par le premier convertisseur, pour désactiver le deuxième convertisseur et pour commander le bras de commutation commun aux deuxième et quatrième convertisseurs afin d’être utilisé par le quatrième convertisseur. De façon optionnelle également, le dispositif de commande est conçu, dans un cinquième mode de fonctionnement, dit mode combiné inverse et de transfert entre sorties, pour commander le bras de commutation commun aux deuxième et quatrième convertisseurs afin d’être utilisé par le deuxième convertisseur, pour désactiver le premier convertisseur et pour commander au moins un du ou des bras de commutation communs aux premier et quatrième convertisseurs afin d’être utilisé par le quatrième convertisseur. Il est également proposé un engin de mobilité comportant : un moteur électrique ; une batterie d’alimentation du moteur électrique ; et un système de conversion de tension selon l’invention, dans lequel la batterie d’alimentation du moteur électrique est connectée entre les bornes de sortie principales. Un engin de mobilité est par exemple un véhicule terrestre à moteur, un aéronef ou un drone. Un véhicule terrestre à moteur est par exemple un véhicule automobile, une moto, un vélo motorisé ou un fauteuil roulant motorisé. De façon optionnelle, le système comporte en outre, connectée entre les bornes de sortie auxiliaire, une charge passive et/ou une autre batterie présentant par exemple une tension inférieure à la batterie d’alimentation du moteur électrique. Brève description des figures L’invention sera mieux comprise à l’aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : la est une représentation fonctionnelle d’une installation électrique comportant un système de conversion de tension isolé selon l’invention, la est un schéma électrique d’un exemple de réalisation du système de conversion de tension isolé de la , et la est un exemple de schéma de régulation mis en œuvre dans un dispositif de commande du système de conversion de tension isolé de la . Système de conversion de tension (108), comportant : des bornes d’entrée (Vc+, G1) et des bornes de sortie principales (V48+, G2) ; et un premier convertisseur continu-continu (112) connecté entre les bornes d’entrée (Vc+, G1) et les bornes de sortie principales (V48+, G2) et comportant un premier transformateur d’isolation galvanique (T1, T2) ; caractérisé en ce qu’il comporte en outre : un deuxième convertisseur continu-continu (118) connecté entre les bornes d’entrée (Vc+, G1) et les bornes de sortie (V48+, G2) et comportant un deuxième transformateur d’isolation galvanique (T3) ; et un dispositif de commande (126) conçu, dans un premier mode de fonctionnement, dit mode direct, pour activer le premier convertisseur (112) et désactiver le deuxième convertisseur (118) pour que le système (108) transfère de la puissance électrique dans un sens direct, c’est-à-dire depuis les bornes d’entrée (Vc+, GND1) vers les bornes de sortie principales (V48+, G2), et, dans un deuxième mode de fonctionnement, dit mode inverse, pour activer le deuxième convertisseur (118) et désactiver le premier convertisseur (112) pour que le système (108) transfère de la puissance électrique dans un sens inverse, c’est-à-dire depuis les bornes de sortie principales (V48+, G2) vers les bornes d’entrée (Vc+, GND1) ; et en ce que le deuxième transformateur (T3) présente un rapport de transformation (M’) dans le sens inverse plus grand qu’un rapport de transformation (M) dans le sens inverse du premier transformateur (T1, T2). Système (108) selon la revendication 1, comportant en outre : des bornes réseau (P, N) destinées à être connectées à un réseau alternatif (102) ; et un troisième convertisseur alternatif-continu réversible (110) connecté entre les bornes réseau (P, N) et les bornes d’entrée (Vc+, G1) ; dans lequel le dispositif de commande (126) est conçu, dans le mode direct, pour commander le troisième convertisseur (110) en redresseur pour transférer de la puissance électrique depuis les bornes réseau (P, N) vers les bornes d’entrée (Vc+, G1) et, dans le mode inverse, en onduleur pour transférer de la puissance électrique depuis les bornes d’entrée (Vc+, G1) vers les bornes réseau (P, N). Système (108) selon la revendication 2, dans lequel le troisième convertisseur (110) comporte au moins une capacité (C1, C2) de stockage d’énergie électrique. Système (108) selon la revendication 3, dans lequel le troisième convertisseur (110) comporte deux bras de commutation (HV1, HV2) et dans lequel le dispositif de commande (126) est conçu, dans le mode direct, pour commander les deux bras de commutation (HV1, HV2) selon deux rapports cycliques (a1, a2) respectifs, en régulant une tension continue (V48) entre les bornes de sortie principales (V48, G2) à partir de l’un parmi une somme et une différence des rapports cycliques (a1, a2) et en pilotant le stockage d’énergie de la ou des capacités de stockage (C1, C2) à partir de l’autre parmi la somme et la différence des rapports cycliques (a1, a2). Système (108) selon la revendication 4, dans lequel la au moins une capacité de stockage (C1, C2) comporte deux capacités de stockage (C1, C2) connectées entre l’une des bornes d’entrée (G1) et respectivement les bornes réseau (P, N), dans lequel le troisième convertisseur (110) comporte deux inductances (L1, L2) connectées chacune entre un point milieu d’un respectif des bras de commutation (HV1, HV2) et l’une respective des bornes réseau (P, N). Système (108) selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel le dispositif de commande (126) est conçu, dans le mode direct, pour réguler la puissance électrique fournie par les bornes de sortie principales (V48+, G2) en pilotant le stockage d’énergie de la ou des capacités de stockage (C1, C2). Système (108) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comportant, connecté entre les bornes de sortie principales (V48+, G2), soit un bras de commutation (LV2), soit un diviseur de tension capacitif, commun aux premier et deuxième convertisseurs (112, 118). Système (108) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comportant en outre : des bornes de sortie auxiliaires (V12+, G2) ; un quatrième convertisseur continu-continu (124) connecté entre les bornes de sortie principales (V48+, G2) et les bornes de sortie auxiliaires (V12+, G2) ; et un bras de commutation (LV3) connecté entre les bornes de sortie principales (V48+, G2) et commun aux deuxième et quatrième convertisseurs (118, 124). Système (108) selon la revendication 8, comportant en outre au moins un bras de commutation (LV1, LV2) connecté entre les bornes de sortie principales (V48+, G2) et commun aux premier et quatrième convertisseur (112, 124). Système (108) selon la revendication 9, dans lequel le dispositif de commande (126) est conçu, dans un troisième mode de fonctionnement, dit mode de transfert entre sorties, pour désactiver les premier et deuxième convertisseurs (112, 118) et pour commander le ou les bras de commutation (LV1, LV2) communs aux premier et quatrième convertisseur (112, 124) et le bras de commutation (LV3) commun aux deuxième et quatrième convertisseurs (118, 124) afin d’être utilisés par le quatrième convertisseur (124). Système (108) selon la revendication 9 ou 10, dans lequel le dispositif de commande (126) est conçu, dans un quatrième mode de fonctionnement, dit mode combiné direct et de transfert entre sorties, pour commander le ou les bras de commutation (LV1, LV2) communs aux premier et quatrième convertisseurs (112, 124) afin d’être utilisés par le premier convertisseur (112), pour désactiver le deuxième convertisseur (118) et pour commander le bras de commutation (LV3) commun aux deuxième et quatrième convertisseurs (118, 124) afin d’être utilisé par le quatrième convertisseur (124). Système (108) selon l’une quelconque des revendications 9 à 11, dans lequel le dispositif de commande (126) est conçu, dans un cinquième mode de fonctionnement, dit mode combiné inverse et de transfert entre sorties, pour commander le bras de commutation (LV3) commun aux deuxième et quatrième convertisseurs (118, 124) afin d’être utilisé par le deuxième convertisseur (118), pour désactiver le premier convertisseur (112) et pour commander au moins un (LV1) du ou des bras de commutation (LV1, LV2) communs aux premier et quatrième convertisseurs (112, 124) afin d’être utilisé par le quatrième convertisseur (124). Engin de mobilité comportant : un moteur électrique ; une batterie (104) d’alimentation du moteur électrique ; et un système (108) de conversion de tension isolé selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel la batterie (104) d’alimentation du moteur électrique est connectée entre les bornes de sortie principales (V48+, G2). Engin de mobilité selon la revendication 13, dans lequel le système (108) de conversion de tension isolé est selon l’une quelconque des revendications 8 à 12, et comportant en outre, connectée entre les bornes de sortie auxiliaire (V12+, G2), une charge passive et/ou une autre batterie (106) présentant par exemple une tension inférieure à la batterie (104) d’alimentation du moteur électrique.