Brevet FR3134928A1 — publié le 20231027

L’invention concerne un dispositif formant un bus de tension continue (BC) pour un système électrique polyphasé, comprenant : - une première branche de tension (AFC) configurée pour être connectée à une pile à combustible (FC) ; et - des deuxièmes branches de tension (A1, A2, A3) comportant des modules de cellules de batterie (C1, C2, C3), chacune, connectées à une branche de phase (B1, B2, B3) spécifique pour ledit système électrique polyphasé, ladite première branche de tension (AFC) étant connectée auxdites branches de phase (B1, B2, B3), par l’intermédiaire d’un système électronique de transistor (T), les branches de phase (B1, B2, B3) comportant chacune une dérivation (D1, D2, D3) connectée à un module redresseur (R1). L’invention concerne en outre un véhicule automobile et un procédé de génération sur la base d’un tel dispositif. Figure 6 DISPOSITIF FORMANT BUS DE TENSION CONTINUE POUR UN SYSTEME ELECTRIQUE POLYPHASE, VEHICULE AUTOMOBILE COMPRENANT UN TEL DISPOSITIF L’invention se rapporte au domaine des architectures électriques pour véhicule hybridant deux sources d’énergie électrique telles qu’une batterie avec une pile à combustible. Si l’on prend l’exemple de véhicules pile à combustible, en général l’hybridation avec la batterie peut être réalisée en utilisant 4 architectures : La première architecture de l’art antérieur est illustrée en . Dans cette architecture, un convertisseur de puissance DC/DC DD est utilisé en sortie d’une batterie BT, et une pile à combustible FC est directement connectée à un bus DC de puissance du véhicule. La tension du Bus DC est ainsi dépendante de la puissance demandée à la pile à combustible FC. Cette spécificité entraine des contraintes de dimensionnement de la pile à combustible FC et/ou de l’entrainement électrique. Cette solution est adaptée pour des véhicules à pile à combustible FC équipés d’une batterie BT de petite capacité et dimensionnée pour les régimes transitoires et le freinage. La deuxième architecture de l’art antérieur est illustrée en . Dans cette architecture, un convertisseur de puissance DC/DC DD est associé à une pile à combustible FC et une batterie BT est directement connectée au bus DC de puissance du véhicule. Cette architecture est intéressante car elle permet d’hybrider le système de pile à combustible FC sur une architecture de véhicule électrique existante. Cette architecture est envisagée pour les véhicules utilisant une pile à combustible FC comme prolongateur d’autonomie (ou « range-extender » en langue anglaise) ou pour des applications utilitaires ou poids-lourds disposant d’une batterie BT de forte capacité. La troisième architecture de l’art antérieur est illustrée en . Dans cette architecture, les deux systèmes de pile à combustible FC et batterie BT sont associés à un convertisseur DC/DC DD multiports ou bien à deux convertisseurs DC/DC. Cette architecture permet de régler et maintenir le bus DC à une valeur définie par le système électronique du véhicule. Cette architecture est notamment utilisée dans les véhicules du commerce sous les appellations Toyota Mirai TM ou Hyundai Nexo TM . La quatrième architecture de l’art antérieur est illustrée en . Dans cette architecture, une topologie apparue récemment dans la littérature est mise en œuvre. Elle consiste à diviser la pile à combustible FC en plusieurs sous-systèmes en parallèle. Cette topologie a pour intérêt de permettre d’allumer successivement les piles à combustible FC et ainsi de permettre d’avoir une plage de meilleurs rendements plus importante que les autres topologies. Elle nécessite toutefois autant de convertisseur DC/DC DD que de système de pile à combustible FC. Malheureusement, les architectures de l’art antérieur se traduisent par la présence d’un convertisseur DC/DC de puissance qui complexifie le montage. Pour pallier ces défauts, l’invention propose un dispositif formant un bus de tension continue pour un système électrique polyphasé, comprenant des branches de tensions parmi lesquelles - une première branche de tension est configurée pour être connectée à une pile à combustible ; et - des deuxièmes branches de tension comportant, chacune, une pluralité de modules de cellules de batterie, chaque module comprenant une cellule ou un cluster de cellules de batterie, connecté à un convertisseur DC/AC comprenant un pont en H ; lesdits modules de cellules de batterie étant connectés ensemble en série par l’intermédiaire du convertisseur DC/AC ; lesdites deuxièmes branches de tension étant, chacune, connectées à une branche de phase spécifique pour ledit système électrique polyphasé, ladite première branche de tension étant connectée auxdites branches de phase, par l’intermédiaire d’un système électronique de transistor, les branches de phase comportant chacune une dérivation connectée à un module redresseur. Avantageusement, l’invention permet de venir coupler un système pile à combustible à une architecture électrique de véhicule électrique intégrant un onduleur multi-niveaux distribué au sein d’une batterie. Le couplage entre le circuit électrique de puissance et continu de la pile à combustible et le circuit électrique de puissance du véhicule électrique est réalisé sans convertisseur DC/DC. Ce couplage intègre simplement trois diodes et trois interrupteurs. Le réglage du courant de la pile à combustible est réalisé par la loi de commande de l’onduleur multi-niveau. L’intérêt de l’invention est de baisser drastiquement la complexité de fabrication d’une chaîne de traction électrique à pile à combustible et de bénéficier d’une architecture électrique spécifique. Par ailleurs, ce type d’architecture est susceptible d’apporter également un meilleur niveau de fiabilité (utilisation par exemple de diodes très robustes) ainsi qu’un meilleur rendement comparativement à une architecture standard de chaîne de traction à pile à combustible ; et une simplification de l’hybridation des deux sources. En outre, la suppression du convertisseur DC/DC de puissance permet de gagner en volume et donc de facilité l’intégration dans un véhicule automobile (type BEV notamment). Selon un variante, le dispositif formant un bus de tension continue comprend des moyens de commandes propres à piloter les convertisseurs de sorte à générer à la sortie de chaque branche de tension, une tension correspondant à la somme d’une tension de référence requise pour le fonctionnement du système électrique polyphasé et d’une tension de mode commun identique pour chaque branche de tension, la superposition temporelle des tensions en sortie de chaque branche de tension formant un plateau de tension extrait par le module redresseur pour obtenir la tension continue. Selon une variante, le dispositif formant bus de tension continue comprend trois deuxièmes branches de tension connectées à trois branches de phase spécifiques comprenant chacune une dérivation spécifique connectée audit module redresseur. Cela permet de générer à la fois du courant alternatif triphasé pour la machine de traction et du courant continu pour les dispositifs électriques auxiliaires du véhicule automobile. Selon une variante, ledit module redresseur comprend une diode par dérivation. Cela permet d’utiliser une configuration simplifiée pour prélever une tension continue en mode commun pour générer un réseau de bord DC. Selon une variante, ledit système électronique de transistor est de type transistor bipolaire à grille isolée, ou à effet de champ à grille métal-oxyde. Cela permet de supprimer un convertisseur DC/DC, substitué par une ou plusieurs diodes en série avec des interrupteurs commandés à fréquence faible (bien inférieure à la fréquence de découpage d’un convertisseur DC-DC). Selon une variante, ladite première branche de tension est connectée à une branche formant bus de tension continue elle-même étant connectée auxdites branches de phase, par l’intermédiaire d’un système électronique de transistor. Cela permet de simplifier l’intégration du système de pile à combustible et de générer un courant circulant dans les composants correspondant au différentiel des courants de la pile à combustible et des dispositifs auxiliaires, avec moins de pertes. L’invention porte en outre sur un système électrique polyphasé pour véhicule automobile, comprenant un dispositif formant bus de tension continue selon l’invention, caractérisé en ce que ladite première branche est connectée à une pile à combustible, ladite deuxième branche de phase est connectée à un moteur de traction du véhicule automobile, et les dérivations sont connectées à au moins un dispositif électrique du véhicule. Cela permet de mettre en œuvre à la fois un réseau alternatif triphasé pour la machine électrique de traction du véhicule, et un réseau continu pour les dispositifs auxiliaires dudit véhicule. Un autre objet de l’invention concerne un véhicule automobile comprenant un système électrique polyphasé selon l’invention. L’invention a en outre trait à un procédé de génération de courant électrique polyphasé pour véhicule automobile, le procédé de génération comportant les étapes suivantes : - connecter une pile à combustible à un montage électrique pour former une première branche de tension ; - connecter en série des modules de cellules de batterie par l’intermédiaire d’un convertisseur DC/AC comprenant un pont en H, pour former des deuxièmes branches de tension comportant, chacune, une pluralité de modules de cellules de batterie ; - connecter chacune desdites deuxièmes branches de tension à une branche de phase spécifique pour former un système électrique polyphasé de sorte à générer et utiliser un courant alternatif polyphasé ; - connecter la première branche de tension auxdites branches de phase par l’intermédiaire d’un système électronique de transistor ; - connecter des dérivations des branches de phase à un module redresseur de sorte à utiliser un courant continu. Selon une variante, le procédé de génération est réalisé avec trois deuxièmes branches de tension connectées à trois branches de phase spécifiques pour former un système électrique triphasé. L’invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l’invention, dans lesquelles : - illustre schématiquement une première architecture de montage pour véhicule à batterie de traction et à pile à combustible selon l’art antérieur ; - est similaire à la , mais pour une deuxième architecture selon l’art antérieur ; - est similaire aux figures 1 à 2, mais pour une troisième architecture selon l’art antérieur ; - est similaire aux figures 1 à 3, mais pour une quatrième architecture selon l’art antérieur ; - illustre schématiquement un module de cellules de batterie pour un dispositif formant bus selon un premier mode de réalisation préféré de l’invention ; - illustre schématiquement le dispositif formant bus de tension continue pour véhicule automobile, selon le premier mode de réalisation préféré ; - illustre schématiquement des exemples de systèmes électroniques de transistor pour un dispositif formant bus selon la ; - illustre schématiquement les tensions délivrées par les branches de tension constituant les phases du système polyphasé avec un dispositif formant bus selon le premier mode de réalisation ; - illustre schématiquement un dispositif formant bus de tension continue pour véhicule automobile, selon un deuxième mode de réalisation préféré ; - illustre schématiquement un véhicule comprenant un dispositif formant bus selon l’invention. Pour mémoire, les architectures électriques classiques des véhicules électriques à pile à combustible (généralement abrégés FCEV) intègrent un ensemble de boitiers d’électronique de puissance permettant d’adapter le couple courant / tension continu délivré par la batterie BT et par la pile à combustible FC aux spécificités des organes électriques de puissance du véhicule (450V continu voire 800V, et triphasé) et au réseau de bord (12V). En particulier, le convertisseur DC/DC de puissance DD lié à la pile à combustible FC dans l’art antérieur permet d’adapter la tension délivrée par la pile à combustible FC à la tension de la batterie BT qui elle-même délivre un courant continu à un niveau de tension différent de celui de la pile à combustible FC. Dans ce type d’architecture, toutes les cellules de batterie (généralement Li-ion) sont parcourues par le courant appelé par les différents consommateurs (onduleur de la machine électrique M, compresseur de climatisation, et réseau de bord) pour produire une tension en sortie batterie BT variant en ordre de grandeur et à titre d’exemple de 260V à 450V continu. Un convertisseur DC/DC de puissance DD associé à la pile à combustible FC dans l’art antérieur, bien souvent de type Buck-boost, permet d’adapter la tension de la pile à combustible FC à cette plage de tension de batterie. Si cette architecture est la plus communément mise en œuvre, elle est critiquable pour sa complexité de fabrication, son volume et son rendement. En réponse à ses inconvénients, il est proposé une architecture de chaîne de traction en rupture qui dérive de l’architecture proposée dans le cadre de la demande de brevet co-pendante numéro FR2103578 où chaque cellule de batterie (ou cluster) est pilotée individuellement pour produire en sortie batterie une tension triphasée ainsi qu’une tension continue. En particulier, dans un module de cellules de batterie C1, C2, C3, les cellules c1 sont connectées à un convertisseur DC/AC DA qui comprend principalement, ou de préférence est constitué par, un montage en pont en H (H). Cet agencement est illustré en . Les cellules c1 sont en outre connectées à un moyen de supervision BMS et/ou de contrôle Ct du pont en H et/ou à un moyen de diagnostic de cellule. Le système de gestion de batterie BMS du module peut être configuré pour superviser la ou les cellules, effectuer des diagnostiques et contrôler le pont en H. Des moyens de commandes, non représentés, sont prévus pour piloter l’ensemble des convertisseurs de sorte à obtenir la tension souhaitée aux bornes de chaque branche de tension A1, A2, A3. L’ensemble des branches de tension, A1, A2, A3 forme un onduleur multiniveau intégré à la batterie. L’évolution de l’architecture correspondante en venant intégrer une pile à combustible FC est proposée dans la présente demande. Dans cette configuration illustrée en , avec intégration d’un onduleur multiniveaux distribué au droit de clusters de cellules, la batterie BT produit directement la tension triphasée et une tension continue réglable (branche BD formant bus de tension continue). Une variante préférée de l’invention est décrite en avec un système électronique de transistor de type bipolaire à grille isolée T1 (ou IGBT, de l’anglais « Insulated Gate Bipolar Transistor »). L’invention montre la possibilité de piloter la machine électrique M en générant un courant triphasé au niveau de la machine électrique M, une tension V DC continue pour alimenter les dispositifs électriques auxiliaires (Aux) du véhicule, en environ 400V continu par exemple (cette tension restant réglable) et de coupler la pile à combustible FC qui produit une tension continue et variable. La maîtrise du contrôle commande se fait par le biais du pilotage des cellules Li-ion ou des clusters de cellules. Alternativement, le système électronique de transistor peut être du type à effet de champ à grille métal-oxyde T2 (ou MOSFET pour « Metal-Oxide Semiconductor field-effect Transistor » en langue anglaise) illustré en . En outre, une inductance I1 optionnelle peut être ajoutée au montage. Le principe de base consiste à faire générer à la structure de conversion de la chaine de traction des tensions constituées par la superposition : - d’un mode différentiel (caractérisé par la tension entre phases) vu par la machine de traction M et répondant aux besoins de motorisation (traction/freinage) du véhicule ; - D’un mode commun réglable, éliminé naturellement par la machine (enroulements de la machine connectés en différentiel). Les tensions de l’onduleur multiniveau intégré à la batterie BT comprenant le mode commun et le mode différentiel sont générés entre les sorties de phase de l’onduleur et le neutre. Le prélèvement par l’intermédiaire de trois diodes d1, d2, d3 de la tension de mode commun permet de générer un réseau de bord DC. Le fonctionnement sans la pile à combustible FC est détaillé dans la demande de brevet FR2103578. Concernant le fonctionnement avec la pile à combustible FC, aux trois références de tension de chaque bras de l’onduleur Vref1, Vref2, Vref3, requises pour le fonctionnement du système électrique polyphasé, ici la machine électrique M, on rajoute une même tension de mode commun, V MC , telle que la commande de l’onduleur multiniveau intégré à la batterie corresponde à Vond1, Vond2, Vond3,, soit : Les tensions sont ici à comprendre comme des tensions instantanées, évoluant en fonction du temps. Pour produire la tension, V DC , les tensions entre phases et neutre de l’onduleur sont prélevées grâce à trois diodes d1, d2, d3. La tension prélevée est alors : L’intégration dans le système d’une pile à combustible FC se traduit par la contrainte suivante : Pour obtenir la tension batterie sur un bus DC, on règle pour obtenir Donc : L’exemple est donné ici pour trois phases, cependant si le système polyphasé comprend N branches l’expression de la tension de mode commun, V MC , devient : Il faut remarquer que la tension V DC n’a pas besoin d’être fixe et peut varier dans une plage de fonctionnement par exemple comprise entre 260V et 450V, qui doit être compatible du domaine de fonctionnement de la pile à combustible FC. Les moyens de commandes sont donc prévus pour piloter les convertisseurs de sorte à générer à la sortie de chaque branche de tension A1, A2, A3 la tension Vond1, Vond2, Vond3 correspondant à la somme de la tension de référence Vref1, Vref2, Vref3 requise pour le fonctionnement du système électrique polyphasé, dans cet exemple la machine électrique, et de la tension de mode commun, V MC , identique pour chaque branche de tension A1, A2, A3, et ceci de sorte que la superposition temporelle de ces tensions Vond1, Vond2, Vond3 forme un plateau de tension. C’est ce plateau de tension qui, extrait par le module redresseur permet d’obtenir la tension continue V DC . Les tensions composées aux bornes des phases de la machine, U 12 , U 23 , U 31 , sont alors : Une variante consiste à imposer une tension de mode commun continu. Dans cette configuration la tension V DC présente une ondulation qu’il convient de filtrer à l’aide de composants passifs de type inductance-condensateur. Cette variante possible est fonctionnellement similaire mais implique une augmentation du volume et du poids de la structure. Comme pour la demande de brevet FR2103578, l’équilibrage des cellules Li-ion reste possible lorsque la pile à combustible FC est fonctionnelle et autorise également l’équilibrage des lignes de courant entre elles. La tension de mode commun réglable permet de fixer la tension générée sur le bus DC (BC). Cette tension peut également être « vue » par le système de pile à combustible FC par mise en conduction successive d’interrupteurs électroniques en série avec des diodes qui lient le système de pile à combustible FC aux différentes branches de la batterie. L’intersection de la tension ainsi imposée avec la caractéristique de sortie de la pile à combustible FC permet de fixer le courant soutiré au système. Le réglage de permet donc de régler le niveau de puissance fourni par la pile à combustible FC. Avec le mode de commande proposé, la tension appliquée à la pile à combustible FC est parfaitement continue ce qui permet de soutirer un courant continu sur le système de pile à combustible FC sans avoir à ajouter des dispositifs de filtrage. Le gain en volume et en masse est donc très important. Exemple de formes d’onde : Pour un indice de modulation (ratio entre la tension crête des tensions simples machine et la tension de batterie égale à la somme des tensions d’un bras de l’onduleur multi niveau distribué). La illustre la tension au niveau de l’onduleur où la composante continue P correspond à la tension du bus DC (BC) et à la tension continue de la pile à combustible FC. Aux bornes de la machine électrique M, le courant est alternatif et triphasé. Pour limiter le nombre de diodes, comme les tensions du Bus DC (BD) et de la pile à combustible FC doivent être identiques, nous avons identifié un deuxième mode de réalisation d’architecture présenté en . Cette architecture permet : - de supprimer trois diodes, comparativement à la solution de la première variante ; - que le courant circulant dans les composants corresponde au différentiel des courants de la pile à combustible FC et des auxiliaires (moins de pertes) ; - une intégration simple du système de pile à combustible FC. Il faudrait ajouter un contacteur (statique ou mécanique) ou une diode en série avec la pile à combustible FC si on souhaite pouvoir déconnecter la pile à combustible FC du Bus DC (BD). En effet, sans ce contacteur pilotable ou diode, il risque d’y avoir une injection de courant dans la pile à combustible. La commande des MOSFET (ou IGBT) est synchronisée avec les tensions max, comme pour le premier mode de réalisation. La illustre un véhicule automobile comprenant un dispositif formant bus BC selon l’invention. La référence DD concerne un convertisseur DC/DC connecté à un dispositif électrique auxiliaire Aux du véhicule. Dispositif formant bus de tension continue (BC) pour un système électrique polyphasé, comprenant des branches de tensions (AFC, A1, A2, A3) parmi lesquelles - une première branche de tension (AFC) est configurée pour être connectée à une pile à combustible (FC) ; et - des deuxièmes branches de tension (A1, A2, A3) comportant, chacune, une pluralité de modules de cellules de batterie (C1, C2, C3), chaque module comprenant une cellule ou un cluster de cellules de batterie (c1), connecté à un convertisseur DC/AC (DA) comprenant un pont en H (H) ; lesdits modules de cellules de batterie (C1, C2, C3) étant connectés ensemble en série par l’intermédiaire du convertisseur DC/AC (DA) ; lesdites deuxièmes branches de tension (A1, A2, A3) étant, chacune, connectées à une branche de phase (B1, B2, B3) spécifique pour ledit système électrique polyphasé, ladite première branche de tension (AFC) étant connectée auxdites branches de phase (B1, B2, B3), par l’intermédiaire d’un système électronique de transistor (T), les branches de phase (B1, B2, B3) comportant chacune une dérivation (D1, D2, D3) connectée à un module redresseur (R1). Dispositif formant un bus de tension continue selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend des moyens de commandes propres à piloter les convertisseurs de sorte à générer à la sortie de chaque branche de tension (A1, A2, A3) une tension (Vond1, Vond2, Vond3) correspondant à la somme d’une tension de référence (Vref1, Vref2, Vref3) requise pour le fonctionnement du système électrique polyphasé et d’une tension de mode commun (V MC ) identique pour chaque branche de tension (A1, A2, A3), la superposition temporelle des tensions (Vond1, Vond2, Vond3) en sortie de chaque branche de tension formant un plateau (p) de tension extrait par le module redresseur (R1 ; R2 ; R3) pour obtenir la tension continue (V DC ). Dispositif formant bus de tension continue selon la revendication 1 ou la revendication 2, comprenant trois deuxièmes branches de tension (A1, A2, A3) connectées à trois branches de phase spécifiques (B1, B2, B3) comprenant chacune une dérivation spécifique (D1, D2, D3) connectée audit module redresseur (R1). Dispositif formant bus de tension continue selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit module redresseur (R1) comprend une diode (d1, d2, d3) par dérivation (D1, D2, D3). Dispositif formant bus de tension continue (BC) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit système électronique de transistor (T) est de type transistor bipolaire à grille isolée (T1), ou à effet de champ à grille métal-oxyde (T2). Dispositif formant bus de tension continue (BC) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite première branche de tension (AFC) est connectée à une branche formant bus de tension continue (BD) elle-même étant connectée auxdites branches de phase (B1, B2, B3), par l’intermédiaire d’un système électronique de transistor (T). Système électrique polyphasé pour véhicule automobile, comprenant un dispositif formant bus de tension continue (BC) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite première branche est connectée à une pile à combustible (FC), ladite deuxième branche de phase (B1, B2, B3) est connectée à un moteur de traction (M) du véhicule automobile, et les dérivations (D1, D2, D3) sont connectées à au moins un dispositif électrique du véhicule (Aux). Véhicule automobile comprenant un système électrique polyphasé selon la revendication 7. Procédé de génération de courant électrique polyphasé pour véhicule automobile, le procédé de génération comportant les étapes suivantes : - connecter une pile à combustible (FC) à un montage électrique pour former une première branche de tension (AFC) ; - connecter en série des modules de cellules de batterie (C1, C2, C3) par l’intermédiaire d’un convertisseur DC/AC (DA) comprenant un pont en H (H), pour former des deuxièmes branches de tension (A1, A2, A3) comportant, chacune, une pluralité de modules de cellules de batterie ; - connecter chacune desdites deuxièmes branches de tension (A1, A2, A3) à une branche de phase spécifique (B1, B2, B3) pour former un système électrique polyphasé de sorte à générer et utiliser un courant alternatif polyphasé ; - connecter la première branche de tension (AFC) auxdites branches de phase (B1, B2, B3) par l’intermédiaire d’un système électronique de transistor (T) ; - connecter des dérivations (D1, D2, D3) des branches de phase (B1, B2, B3) à un module redresseur (R) de sorte à utiliser un courant continu. Procédé de génération selon la revendication 9, réalisé avec trois deuxièmes branches de tension (A1, A2, A3) connectées à trois branches de phase spécifiques (B1, B2, B3) pour former un système électrique triphasé.