Brevet FR3137620A1 — publié le 20240112

L’invention concerne un système de chargeur embarqué comprenant les modules suivants : - une matrice de commutateurs (SM) pour connexion en triphasé (lignes L1, L2, L3, N) ; - un filtre CEM d’entée (1) ; - un correcteur facteur de puissance (PFC) répartissant le courant sur les lignes de phases ; - un DCDC non isolé (6) incluant un filtre CEM de sortie. Le système comporte une connexion des lignes à une borne positive DC+ de batterie via des commutateurs (SI1, SI2, SI3). Ledit correcteur (PFC) comporte des commutateurs (SAC+, SAC-, SDC+, SDC-) activant ou désactivant une branche en charge à haute tension, et une branche en charge à basse tension. Selon la configuration adoptée, le système permet une charge de ladite batterie de traction (B) à basse tension à 12V ou à tension sinusoïdale. L’invention concerne en outre un véhicule et un procédé sur la base d’un tel système. Fig. 2 SYSTEME DE CHARGEUR EMBARQUE POUR DES RECHARGES A DIFFERENTES TENSIONS DE BORNE, VEHICULE ET PROCEDE SUR LA BASE D’UN TEL SYSTEME L’invention se rapporte au domaine des véhicules électriques de type HEV, PHEV, BEV, etc., et des chargeurs embarqués de type unidirectionnel et bidirectionnel monophasé ou triphasé. Aujourd’hui, certains véhicules électriques sont dotés d’une batterie de traction à 800V, mais le déploiement des bornes de recharge à 800V est très progressif. Ainsi, il y a un besoin d’une solution permettant aux utilisateurs de véhicules équipés de ces batteries, de charger leurs batteries avec des bornes à 400V, et ne pas se limiter qu’aux bornes 800V DC et aux charges en courant alternatif. Dans l’art antérieur, il a été proposé une solution qui utilise un convertisseur de stimulation (ou boost) DCDC 400V – 800V dit non-isolé (nommé DCDC standalone. Cette solution peut être illustrée par la . Une deuxième solution issue du brevet US11165349, consiste à utiliser le chargeur OBC en court-circuitant le convertisseur DCDC isolé. Un des objectifs majeurs dans les convertisseurs de puissance est la densité de puissance. L’utilisation d’un convertisseur DCDC isolé pour adapter la tension d’une borne de recharge 400V à une batterie 800V représente une complexification de montage, ainsi qu’un volume et un poids très élevés. En plus afin de refroidir ce convertisseur, l’ajout d’un circuit de refroidissement supplémentaire dans le véhicule est nécessaire. Un objectif de l’invention est de remédier aux inconvénients de l’art antérieur, et notamment de proposer une solution simple à construire sans augmentation significative de volume et de poids. Pour atteindre cet objectif, l’invention propose un système de chargeur embarqué pour une batterie de traction d’un véhicule automobile, comprenant une batterie de traction, et un chargeur embarqué pour charger la batterie de traction sur une source de courant, le chargeur embarqué comprenant : - un module de matrice de commutateurs comportant trois lignes de phase et de préférence une ligne neutre, pour une charge en courant alternatif triphasé, - un module de filtre CEM d’entée connecté au module de matrice de commutateurs, comportant lesdites lignes de phase et de préférence la ligne neutre ; - un module de correction de facteur de puissance connecté au module de filtre CEM d’entée et auxdites lignes de phase et de préférence à la ligne neutre, et configuré pour répartir le courant de la source de courant sur les trois lignes de phases ; - un module de capacité de type DC Link au module de correction de facteur de puissance, - un module de convertisseur DCDC incluant un filtre CEM de sortie, connecté au module de capacité et configuré pour être connecté à des bornes positives et négatives de la batterie de traction, le système de chargeur embarqué comprenant des dérivations de bornes positive et négative de batterie, configurées pour être connectées à la source de courant, pour une charge en courant continu, caractérisé en ce que le système de chargeur embarqué comprend un premier module de commutation connectant les lignes de phase à la dérivation de borne positive de batterie en amont du module de filtre CEM d’entée, et en aval du module de matrice de commutateurs ; et en ce que le module de correction de facteur de puissance comprend, en sortie : - une branche positive équipée d’un deuxième module de commutation, connectée à une borne positive de batterie ; - une branche négative équipée d’un troisième module de commutation, connectée à une borne négative de batterie ; - un quatrième module de commutation connecté en dérivation en amont du deuxième module de commutation et en aval d’une connexion correspondante du module de capacité, - un cinquième module de commutation connecté en dérivation en amont du troisième module de commutation et en aval d’une connexion correspondante du module de capacité. Avantageusement, l’invention permet à des véhicules électriques équipés de batterie à haute tension à 800V d’être compatibles avec une borne de recharge dont la tension est basse, c’est-à-dire à 400V. L’assemblage des modules de commutation forme un convertisseur DCDC non isolé sans transformateur. L’invention permet ainsi de charger une batterie à 800V en utilisant les éléments du chargeur embarqué à partir d’une borne de charge à 400V en stimulant cette tension afin d’atteindre la tension de la batterie, c’est-à-dire 800V (on parle de « boost » en langue anglaise). Dans le cadre de l’utilisation d’un chargeur embarqué comportant un correcteur de puissance et un convertisseur DCDC isolé, l’invention permet de supprimer le convertisseur DCDC (400V-800V) isolé qui représente un volume et une complexité importants. Selon une variante, le système de chargeur présente les deux configurations suivantes : - la première configuration présentant le premier module de commutation fermé, les deuxième et troisième modules de commutation ouverts, et les quatrième et cinquième modules de commutation fermés ; - la deuxième configuration présentant le premier module de commutation ouvert, les deuxième et troisième modules de commutation fermés, les quatrième et cinquième modules de commutation ouverts. La première configuration permet de s’adapter à une tension moindre de la source de courant par rapport à la tension de la batterie, en particulier pour utiliser une borne de recharge à 400V pour une batterie de traction à 800V. La deuxième configuration permet de s’adapter à une tension sinusoïdale pour charger la batterie 800V. Selon une variante, au moins un desdits modules de commutation comprend un interrupteur automatique et/ou mécanique, un relais et/ou un semiconducteur de type IGBT ou MOSFET. Le semiconducteur de type IGBT permet d’être adapté aux montages de l’électronique de puissance, tel que ceux des chargeurs de batterie à 800V. Ceux de type MOSFET permettent d’avoir une commutation rapide. En outre, ces semiconducteurs améliorent davantage la sécurité des personnes par leur constitution. Selon une variante, le système de chargeur est configuré pour fonctionner sur une borne de recharge rapide à 400V, pour une batterie de traction à 800V. Cela permet de s’adapter aux bornes à 400V. L’invention porte en outre sur un véhicule automobile comprenant un système de chargeur embarqué selon l’invention. Un autre objet de l’invention concerne un procédé de charge d’une batterie de traction d’un véhicule sur une source de courant, comprenant au moins une étape de charge de la batterie de traction au moyen d’un système de chargeur embarqué selon l’invention. Selon une variante, l’étape de charge comprend une sous-étape suivante : - appliquer la première configuration si la batterie de traction est à une tension supérieure à celle de la source de courant ; ou - appliquer la deuxième configuration si la batterie de traction est à une tension sinusoïdale. 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 un système de chargeur embarqué selon l’art antérieur ; - illustre schématiquement un système de chargeur embarqué selon l’invention. Pour recharger une batterie B d’un véhicule électrique, deux modes de charge existent aujourd’hui : - une charge à partir d’un réseau alternatif triphasé (phases L1-L3, et optionnellement neutre N) ; et - une charge à partir d’un réseau en courant continu. Cette invention se base sur l’utilisation d’un chargeur embarqué OBC à 800V comprenant des relais/commutateurs SM, un filtre d’entrée 1, un étage de correcteur de facteur de puissance PFC, une capacité K1, K2 de type DC-link, un DCDC non isolé 6 incluant un filtre de sortie ( ) et un système de sécurité important pour la sécurité des personnes, ici de type RCD, IMD et / ou fusibles permettant la protection des personnes (non représenté). L’invention propose une configuration du correcteur de facteur de puissance PFC incluant des commutateurs SDC+, SDC- formant un convertisseur non isolé. Ce chargeur embarqué OBC est bidirectionnel et permet de se connecter à un réseau alternatif monophasé et/ou triphasé. L’invention est illustrée en . En rajoutant des commutateurs (de préférence sous forme de relais et/ou semiconducteurs (IGBT, MOSFET, etc.), la batterie à 800V peut se charger avec une borne à 400V en fermant les commutateurs SI1, SI2 et SI3 et en utilisant la même commande. La borne n’est pas illustrée pour la simplification, mais elle est à connecter à gauche de la au niveau des lignes L1, L2, L3 ou des pôles DC+ et DC-. Ainsi, les trois phases L1, L2 et L3 sont connectées à l’entrée positive de la borne de recharge (borne DC+). La connexion à la borne DC- de la borne de recharge est connectée directement à la borne négative de la batterie B à 800V via le commutateur K4 (pouvant aussi être sous forme de relais ou semiconducteurs (IGBT, MOSFET)). Les trois bras du correcteur de puissance PFC sont commandés de manière à répartir le courant de la borne sur les trois phases L1, L2 et L3, et à optimiser l’ondulation du courant, comme on peut le voir en . Les commutateurs SDC+ et SDC- sont fermés et les commutateurs SAC+ et SAC- sont ouverts pendant la charge DC à partir d’une borne de charge 400V. La ligne Neutre N peut être soit connectée à un quatrième bras ou à pont capacitif, mais cette ligne n’est pas utilisée dans le cadre cette invention. La ligne neutre peut aussi être connectée via un commutateur à l’entrée positive de la borne de recharge (borne DC+). Dans ce cas, et alors on aura les lignes de phase L1, L2, L3 et la ligne neutre N connectées à cette borne DC+ pour repartir le courant sur les quatre bras. Pour un cycle de charge, les commutateurs Kp+ et Kp- doivent être fermés. Système de chargeur embarqué pour une batterie de traction d’un véhicule automobile, pour charger la batterie de traction (B) sur une source de courant, le chargeur embarqué (OBC) comprenant : - un module de matrice de commutateurs (SM) comportant trois lignes de phase (L1, L2, L3) et de préférence une ligne neutre (N), pour une charge en courant alternatif triphasé, - un module de filtre CEM d’entée (1) connecté au module de matrice de commutateurs, comportant lesdites lignes de phase (L1, L2, L3) et de préférence la ligne neutre (N) ; - un module de correction de facteur de puissance (PFC) connecté au module de filtre CEM d’entrée (1) et auxdites lignes de phase (L1, L2, L3) et de préférence à la ligne neutre (N), et configuré pour répartir le courant de la source de courant sur les trois lignes de phases ; - un module de capacité de type DC Link connecté au module de correction de facteur de puissance (PFC), - un module de convertisseur DCDC incluant un filtre CEM de sortie (6), connecté au module de capacité et configuré pour être connecté à des bornes positives et négatives de la batterie de traction (B), le système de chargeur embarqué comprenant des dérivations de bornes positive (DC+) et négative (DC-) de batterie, configurées pour être connectées à la source de courant, pour une charge en courant continu, caractérisé en ce que le système de chargeur embarqué comprend un premier module de commutation (SI1, SI2, SI3) connectant les lignes de phase (L1, L2, L3) à la dérivation de borne positive de batterie (DC+) en amont du module de filtre CEM d’entée (1), et en aval du module de matrice de commutateurs (SM) ; et en ce que le module de correction de facteur de puissance (PFC) comprend, en sortie : - une branche positive équipée d’un deuxième module de commutation (SAC+), connectée à une borne positive de batterie ; - une branche négative équipée d’un troisième module de commutation (SAC-), connectée à une borne négative de batterie ; - un quatrième module de commutation (SDC+) connecté en dérivation en amont du deuxième module de commutation (SAC+) et en aval d’une connexion correspondante du module de capacité, - un cinquième module de commutation (SDC-) connecté en dérivation en amont du troisième module de commutation (SAC-) et en aval d’une connexion correspondante du module de capacité. Système de chargeur embarqué selon la revendication 1, présentant les deux configurations suivantes : - la première configuration présentant le premier module de commutation (SI1, SI2, SI3) fermé, les deuxième et troisième modules de commutation (SAC+, SAC-) ouverts, et les quatrième et cinquième modules de commutation (SDC+, SDC-) fermés ; - la deuxième configuration présentant le premier module de commutation (SI1, SI2, SI3) ouvert, les deuxième et troisième modules de commutation (SAC+, SAC-) fermés, les quatrième et cinquième modules de commutation (SDC+, SDC-) ouverts. Système de chargeur embarqué selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu’au moins un desdits modules de commutation (SI1, SI2, SI3, SAC+, SAC-, SDC+, SDC-) comprend un relais et/ou un semiconducteur de type IGBT ou MOSFET. Système de chargeur embarqué selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il est configuré pour fonctionner sur une borne de recharge rapide à 400V, pour une batterie de traction (B) à 800V. Véhicule automobile comprenant un système de chargeur embarqué selon l’une quelconque des revendications 1 à 4. Procédé de charge d’une batterie de traction (B) d’un véhicule sur une source de courant, comprenant au moins une étape de charge de la batterie de traction (B) au moyen d’un système de chargeur embarqué selon l’une quelconque des revendications 1 à 4. Procédé de charge selon la revendication 6, au moyen d’un système de chargeur embarqué selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l’étape de charge comprend une sous-étape suivante : - appliquer la première configuration si la batterie de traction (B) est à une tension supérieure à celle de la source de courant ; ou - appliquer la deuxième configuration si la batterie de traction (B) est en charge à une tension sinusoïdale.