Brevet FR3140491A1 — publié le 20240405

Circuit d’alimentation électrique (1) d'une unité de stockage d'énergie électrique (2), ce circuit d’alimentation électrique comprenant : - un sous-circuit primaire (4), apte à être connecté à un réseau de tension (5), - un sous-circuit secondaire (6), apte à être connecté à une unité de stockage d’énergie électrique (2), et - une unité de contrôle (3), le sous-circuit primaire (4) et le sous-circuit secondaire (6) étant configurés de manière à échanger sans contact par couplage inductif de l’énergie électrique à la fréquence de la tension alternative en entrée du sous-circuit primaire (4). Figure d’abrégé : Fig.1 Circuit d’alimentation électrique d’une unité de stockage d’énergie électrique de véhicule La présente invention concerne un circuit d’alimentation électrique sans contact d’une unité de stockage d’énergie électrique de véhicule. L’unité de stockage d 'énergie électrique présente par exemple une tension nominale de 12V, 48V, 60V ou plus, par exemple supérieure à 300V, par exemple de 400V, 800V ou 1000V. Il est connu d’alimenter électriquement par transmission sans contact par couplage inductif une unité de stockage d’énergie électrique de véhicule à une puissance comprise entre 3 et 50 kW, lorsque le véhicule est à l’arrêt ou lorsque celui-ci se déplace. Cette alimentation par transmission sans contact se fait alors au moyen de sous-circuits électriques distants couplés magnétiquement et accordés à la même fréquence de résonance. Les sous-circuits couplés magnétiquement mettent chacun en œuvre une cellule résonante de type LC. Cependant, pour transmettre un niveau de puissance satisfaisant, notamment plusieurs kW, il faut opérer à des fréquences élevées, notamment de l’ordre de 85 kHz ou plus, pour la fréquence de résonance de chaque sous-circuit résonant. En outre, ce type de solution nécessite d'opérer à faible distance entre les deux sous-circuits. Les niveaux de fréquence et de puissance mentionnés plus haut, pour une mise en œuvre en kW, peuvent en outre constituer un danger pour la santé des personnes exposées à proximité, ou un danger pour l’environnement en général. Il existe un besoin pour réaliser une alimentation électrique d’une unité de stockage d’énergie électrique par transmission sans contact qui remédie aux inconvénients précités. L’invention a pour objet de répondre à ce besoin et elle y parvient, selon l’un de ses aspects, à l’aide d’un circuit d’alimentation électrique d'une unité de stockage d'énergie électrique, ce circuit d’alimentation électrique comprenant : - un sous-circuit primaire, apte à être connecté à un réseau de tension, - un sous-circuit secondaire, apte à être connecté à une unité de stockage d’énergie électrique, et - une unité de contrôle, le sous-circuit primaire et le sous-circuit secondaire étant configurés de manière à échanger sans contact par couplage inductif de l’énergie électrique à la fréquence de la tension alternative en entrée du sous-circuit primaire, le sous circuit-primaire comprenant pour chaque phase de la tension alternative en son entrée: - un premier bras de commutation, comprenant deux interrupteurs électroniques commandables en série, entre lesquels une première borne de la phase du réseau est apte à être connectée, - un deuxième bras de commutation, comprenant deux interrupteurs électroniques commandables en série, entre lesquels une deuxième borne de la phase du réseau est apte à être connectée, et entre lesquels une première borne d'une cellule inductive primaire pour l'échange d'énergie sans contact est connectée, et - un troisième bras de commutation, comprenant deux interrupteurs électroniques commandables en série, entre lesquels une deuxième borne de la cellule inductive primaire pour l'échange d'énergie sans contact est connectée, les premier, deuxième, et troisième bras étant montés en parallèle, et l'unité de contrôle étant configurée pour commander ces premier, deuxième et troisième bras de commutation de manière à ce que : - les premier et deuxième bras forment un premier onduleur/redresseur, et - les deuxième et troisième bras forment un deuxième onduleur/redresseur. La réalisation d’un échange d’énergie électrique sans contact par couplage inductif à la fréquence de la tension alternative en entrée du sous-circuit primaire permet de remédier aux inconvénients précités en rapport avec les niveaux de fréquence élevés selon l’art antérieur. La réalisation de deux onduleur/redresseur ayant un bras de commutation commun permet par ailleurs de réduire l’encombrement et les coûts associés au sous-circuit primaire. Le réseau électrique fournit par exemple une tension efficace nominale de 230V avec une fréquence de 50 Hz ou 60 Hz. Le réseau électrique est par exemple monophasé. Le réseau électrique est par exemple un réseau électrique régional ou national. En variante, il peut s’agir d’un réseau local indépendant, comprenant par exemple une ou plusieurs batteries alimentées par des sources d’énergie telles que éoliennes, des panneaux solaires, des piles à combustible ou des générateurs d’hydroélectricité. L’unité de contrôle est par exemple configurée pour commander les premier et deuxième bras de manière à ce que le premier bras commute à une fréquence supérieure à au moins cinq fois, notamment à au moins dix fois, la fréquence à laquelle commute le deuxième bras, le deuxième bras commutant à la fréquence de la tension alternative en entrée du sous-circuit primaire. Au sens de la présente invention, lorsqu’un bras commute, chacun de ses deux interrupteurs électroniques commandables est ouvert et fermé de façon complémentaire avec la même fréquence de commutation. Comme déjà mentionné, le deuxième bras peut commuter à une fréquence inférieure ou égale à 60Hz, notamment inférieure ou égale à 50Hz. Le premier bras peut alors commuter à une fréquence supérieure à 250 Hz, notamment supérieure à 500 Hz. Cette fréquence de commutation du premier bras est par exemple inférieure à 1 MHz, notamment à 500 kHz. L’unité de contrôle peut être configurée pour commander les deuxième et troisième bras de manière à ce que ces deux bras commutent à la même fréquence, et à ce que le troisième bras soit modulé en déphasage par rapport au deuxième bras, ces deux bras commutant à la fréquence de la tension alternative en entrée du sous-circuit primaire. Comme déjà mentionné, le deuxième et le troisième bras peuvent commuter à une fréquence inférieure ou égale à 60Hz, notamment inférieure ou égale à 50Hz. Ce déphasage modulé permet par exemple de réguler la puissance transmise au sous-circuit secondaire. L’unité de contrôle peut être configurée pour commander les premier et deuxième bras de manière à ce que ces deux bras réalisent en outre une fonction de correction de facteur de puissance (« Power factor correction » en anglais). Une telle correction permet de façon connue que le courant prélevé sur le réseau soit le plus proche d’un sinus parfait à la pulsation du réseau. On réduit ainsi le courant réactif et les sous-harmoniques qui augmentent les pertes énergétiques en conduction. Le sous-circuit primaire comprend une cellule inductive primaire interagissant avec une cellule inductive secondaire du sous-circuit secondaire pour l’échange d’énergie électrique sans contact par couplage inductif. La cellule inductive primaire peut comprendre en série : une bobine permettant la génération d’énergie magnétique, et un condensateur, formant ainsi une cellule résonante, et la cellule inductive secondaire peut comprendre en série : une bobine permettant de récupérer l’énergie magnétique issue de la cellule inductive primaire, et un condensateur, formant ainsi une cellule résonante. Le cas échéant, ces bobines et ces condensateurs sont choisis de manière à ce que la cellule inductive primaire et la cellule inductive secondaire aient la même fréquence de résonance. Le sous-circuit secondaire peut comprendre: - la cellule inductive secondaire pour l'échange d'énergie sans contact, et - un troisième onduleur/redresseur apte à réaliser une adaptation d’impédance de l’impédance sur l’entrée alternative de ce troisième onduleur/redresseur, indépendamment de l’impédance de l’unité de stockage d’énergie électrique. L’impédance sur l’entrée alternative du troisième onduleur/redresseur est représentée par le ratio V/I où V est la tension aux bornes de la cellule inductive secondaire et I l’intensité du courant qui la traverse. L’adaptation d’impédance permet ainsi d’imposer sur l’entrée alternative du troisième onduleur/redresseur une impédance indépendante de celle de l’unité de stockage d’énergie électrique, ce qui favorise l’échange sans contact par couplage inductif d’énergie électrique à basse fréquence. Dans un exemple, le troisième onduleur/redresseur comprend deux bras de commutation montés en parallèle, chacun de ces bras de commutation comprend deux interrupteurs électroniques commandables montés en série, l’unité de contrôle étant configurée pour commander ces deux bras de manière à ce que : - l’un de ces deux bras commute à la fréquence de la tension alternative en entrée du sous-circuit primaire et avec un rapport cyclique de 50%, et - l’autre de ces deux bras commute à une fréquence supérieure à celle de ladite tension alternative, par exemple à une fréquence supérieure à au moins cinq fois, notamment à au moins dix fois, la fréquence de ladite tension alternative et avec un rapport cyclique modulé selon le courant alternatif circulant dans la deuxième cellule inductive et la tension sur l’entrée alternative du troisième onduleur/redresseur. Cette fréquence supérieure à celle de la tension alternative à laquelle commute ce bras du troisième onduleur/redresseur est par exemple la même que celle à laquelle commute le premier bras. En variante encore, le troisième onduleur/redresseur comprend deux bras de commutation montés en parallèle, chacun de ces bras de commutation comprend deux interrupteurs montés en série, seul un interrupteur étant commandable parmi les deux interrupteurs d’un bras, et l’unité de contrôle étant configurée pour commander ces deux bras de manière à réaliser l’adaptation d’impédance sur l’entrée alternative de ce troisième onduleur/redresseur. Dans tout ce qui précède, l’unité de contrôle peut être configurée pour commander les différents bras de commutation de manière à réaliser sélectivement : - une charge de l’unité de stockage d’énergie électrique depuis le réseau de tension, ou - une charge du réseau de tension depuis l’unité de stockage d’énergie électrique. Ainsi, en fonction du besoin, l’échange d’énergie électrique peut s’effectuer dans un sens ou dans l’autre. Dans tout ce qui précède, l’unité de stockage d’énergie électrique peut être une batterie de type lithium-ion. Cette batterie a par exemple une tension nominale de 12V, 48V, 60V ou plus, par exemple supérieure à 300V, par exemple de 400V, 800V ou 1000V. Dans tout ce qui précède, chaque interrupteur électronique commandable est par exemple un transistor, par exemple bipolaire, MOS ou IGBT, ou un thyristor. Chaque interrupteur électronique commandable est par exemple bidirectionnel. Dans tout ce qui précède, l’unité de contrôle peut être un circuit de traitement numérique, par exemple un circuit intégré de type ASIC (« Application-specific integrated circuit » en anglais) ou un microcontrôleur. L’unité de contrôle peut en variante comprendre un module de commande du sous-circuit primaire et un module de commande du sous-circuit secondaire. L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un composant pour l’alimentation électrique d’une unité de stockage d’énergie électrique, comprenant le circuit électrique tel que défini ci-dessus, le composant définissant notamment une structure supportant de manière rigidement couplés entre eux le sous-circuit primaire et le sous-circuit secondaire. Un tel composant est couramment appelé « chargeur embarqué » (« on board charger » en anglais). Ce composant est apte à être embarqué dans un véhicule hybride ou électrique. L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un dispositif pour l’alimentation électrique d’une unité de stockage d’énergie électrique, comprenant: - une borne de charge pour véhicule hybride ou électrique, dans laquelle est disposé le sous-circuit primaire du circuit électrique tel que défini ci-dessus, et - un composant apte à être embarqué dans un véhicule hybride ou électrique, dans lequel est disposé le sous-circuit secondaire du circuit électrique tel que défini ci-dessus. Cette borne reçoit alors de l’énergie électrique d’un réseau électrique via un câble qui peut être un câble monophasé ou un câble triphasé. Dans ce cas, le circuit primaire et le circuit secondaire ne sont pas intégrés à un même composant physique. L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d’un exemple non-limitatif de mise en œuvre de celle-ci et à l’examen du dessin annexé sur lequel : représente de façon schématique un circuit d’alimentation électrique selon un exemple de mise en œuvre de l’invention, et représente de façon schématique une variante de troisième onduleur/redresseur de sous-circuit secondaire. On a représenté sur la , un circuit 1 d’alimentation électrique d'une unité de stockage d'énergie électrique 2. Cette unité de stockage d’énergie électrique 2 est par exemple une batterie de véhicule, pouvant présenter une tension nominale de 48V, 60V, 300V, 400V, 800V ou plus. Cette batterie sert à alimenter un système de propulsion de véhicule électrique ou hybride. Ce circuit d’alimentation électrique 1 comprend : - une unité de contrôle 3, - un sous-circuit primaire 4, apte à être connecté à un réseau de tension 5, et - un sous-circuit secondaire 6, comprenant l’unité de stockage d’énergie électrique 2. Le circuit d’alimentation électrique 1 met en œuvre un échange d’énergie électrique sans contact par couplage inductif entre le sous-circuit primaire 3 et le sous-circuit secondaire 6, pour la charge de l’unité de stockage d’énergie électrique 2. Dans l’exemple considéré, le sous-circuit primaire 4 comprend : - un connecteur 9 apte à être branché au réseau électrique, - trois bras de commutation B1, B2 et B3, montés en parallèle et dont le fonctionnement sera décrit ci-après, et - une cellule inductive primaire10 dont le fonctionnement sera décrit ci-après. Le réseau électrique 5 fournit par exemple une tension efficace nominale de 230V avec une fréquence de 50 Hz ou 60 Hz. Le réseau électrique 5 est ici monophasé, de sorte que le connecteur 9 est aussi monophasé. Chaque bras B1, B2 et B3 du sous-circuit primaire 4 comprend ici deux interrupteurs électroniques commandables 12 montés en série, tels que des transistors MOS, IGBT ou bipolaires, ou des thyristors. Le premier bras B1 comprend ainsi deux interrupteurs électroniques commandables 12 en série entre lesquels une première borne du réseau 5 est apte à être connectée, ici via une bobine de lissage. Le deuxième bras B2 comprend ainsi deux interrupteurs électroniques commandables 12 en série entre lesquels une deuxième borne du réseau 5 est apte à être connectée, et entre lesquels une première borne de la cellule inductive primaire 10 pour l'échange d'énergie sans contact est connectée. Le troisième bras B3 comprend ainsi deux interrupteurs électroniques commandables 12 en série entre lesquels une deuxième borne de la cellule inductive primaire 10 pour l'échange d'énergie sans contact est connectée. La cellule inductive primaire 10 comprend ici en série : une bobine permettant la génération d’énergie magnétique, et un condensateur, formant ainsi une cellule résonante. La bobine a par exemple une inductance comprise entre 1mH à 100mH et le condensateur a une capacité comprise entre 100µF et 100mF. On constate qu’un condensateur 15 est disposé en parallèle des trois bras de commutation B1 à B3. Ce dernier présente par exemple une capacité comprise entre 1µF et 1mF, par exemple de 10µF. On va maintenant décrire un premier exemple de sous-circuit secondaire 6 en référence à la . Ce sous-circuit secondaire 6 comprend une cellule inductive secondaire 20 pour l'échange d'énergie sans contact avec la cellule inductive primaire 10, et - un onduleur/redresseur 23, encore appelé « troisième onduleur/redresseur » par la suite, apte à réaliser une adaptation de l’impédance équivalente sur son entrée alternative (donc du côté de la cellule inductive secondaire 20), de manière à faire varier cette impédance indépendamment de l’impédance de l’unité de stockage d’énergie électrique 2. Comme on peut le voir sur la , la cellule inductive secondaire 20 comprend ici en série : une bobine permettant de récupérer l’énergie magnétique issue de la cellule inductive primaire 10, et un condensateur 30, formant ainsi une cellule résonante. Dans l’exemple considéré, la bobine a une inductance comprise entre 1mH et 100mH et le condensateur a une capacité comprise entre 100µF et 100mF. L’onduleur/redresseur 23 comprend dans l’exemple décrit deux bras de commutation B4 et B5, chaque bras comprenant deux interrupteurs électroniques commandables 12 en série entre lesquels une borne de la cellule inductive secondaire 20 pour l'échange d'énergie sans contact est connectée. L’onduleur/redresseur 23 de la est par exemple commandé comme suit par l’unité de contrôle 3, pour réaliser l’adaptation d’impédance sur l’entrée alternative du troisième onduleur/redresseur 23: -l’un des deux bras B4 ou B5 commute à la fréquence du réseau 5 et avec un rapport cyclique de 50%, et - l’autre des deux bras B5 ou B4 commute à une fréquence supérieure à celle du réseau 5, par exemple au moins 5 fois ou 10 fois la fréquence du réseau, et avec un rapport cyclique modulé selon le courant alternatif mesuré en sortie de la cellule inductive secondaire 20 et selon la tension aux bornes de l’entrée alternative de ce troisième onduleur/redresseur 23. En variante, comme représenté sur la , le troisième onduleur/redresseur 23 peut être réalisé autrement. Les deux bras de commutation B4 et B5 comprennent alors chacun deux interrupteurs électroniques en série : - un interrupteur électronique commandable 12 entre la connexion à la cellule inductive secondaire 20 et la borne négative de l’unité de stockage d’énergie électrique 2, et -une diode 13 entre la connexion à la cellule inductive secondaire 20 et la borne positive de l’unité de stockage d’énergie électrique 2. Chaque connexion à la cellule inductive secondaire 20 d’un bras de commutation B4 ou B5 se fait par l’intermédiaire d’une bobine 25 de la cellule inductive secondaire 20. On va maintenant décrire la façon dont les bras B1 à B3 du sous-circuit primaire 4 sont commandés. Dans l’exemple considéré, l’unité de contrôle 3 est configurée pour commander les premier et deuxième bras B1 et B2 de manière à ce que le premier bras B1 commute à une fréquence supérieure à au moins cinq fois, notamment à au moins dix fois, la fréquence à laquelle commute le deuxième bras B2, le deuxième bras B2 commutant à la fréquence du réseau 5. La fréquence de commutation à laquelle commute le premier bras B1 est par exemple la même que celle à laquelle commute le bras B4 ou B5 ne commutant pas à la fréquence du réseau 5. Comme déjà mentionné, le deuxième bras B2 commute ici à la fréquence du réseau 5, ici 50Hz ou 60Hz. Cette commande des premier et deuxième bras B1 et B2 permet que ces derniers forment un premier onduleur/redresseur 21. Le cas échéant, cette commande des bras B1 et B2 peut aussi permettre que ces deux bras B1 et B2 réalisent en outre une fonction de correction de facteur de puissance (« Power factor correction » en anglais). Les deux bras B1 et B2 forment par exemple un montage « Totem POLE PFC rectifier» ou « dual Boost PFC rectifier » connu dans la littérature électronique. En complément de ce qui vient d’être dit, l’unité de contrôle 3 est ici configurée commander les deuxième et troisième bras B2 et B3 de manière à ce que ces deux bras commutent à la même fréquence, qui est ici celle du réseau 5, et à ce que le troisième bras B3 soit modulé en déphasage par rapport au deuxième bras B2. Cette commande des deuxième et troisième bras B2 et B3 permet que ces derniers forment un deuxième onduleur/redresseur 22. L’invention n’est pas limitée à l’exemple qui vient d’être décrit. Circuit d’alimentation électrique (1) d'une unité de stockage d'énergie électrique (2), ce circuit d’alimentation électrique comprenant : - un sous-circuit primaire (4), apte à être connecté à un réseau de tension (5), - un sous-circuit secondaire (6), apte à être connecté à une unité de stockage d’énergie électrique (2), et - une unité de contrôle (3), le sous-circuit primaire (4) et le sous-circuit secondaire (6) étant configurés de manière à échanger sans contact par couplage inductif de l’énergie électrique à la fréquence de la tension alternative en entrée du sous-circuit primaire (4), le sous circuit-primaire (4) comprenant pour chaque phase de la tension alternative en son entrée: - un premier bras de commutation (B1), comprenant deux interrupteurs électroniques commandables (12) en série, entre lesquels une première borne de la phase du réseau est apte à être connectée, - un deuxième bras de commutation (B2), comprenant deux interrupteurs électroniques commandables (12) en série, entre lesquels une deuxième borne de la phase du réseau est apte à être connectée, et entre lesquels une première borne d'une cellule inductive primaire (10) pour l'échange d'énergie sans contact est connectée, et - un troisième bras de commutation (B3), comprenant deux interrupteurs électroniques commandables (12) en série, entre lesquels une deuxième borne de la cellule inductive primaire (10) pour l'échange d'énergie sans contact est connectée, les premier, deuxième, et troisième bras étant montés en parallèle, et l'unité de contrôle (3) étant configurée pour commander ces premier, deuxième et troisième bras de commutation de manière à ce que : les premier (B1) et deuxième (B2) bras forment un premier onduleur/redresseur (21), et les deuxième et troisième bras forment un deuxième onduleur/redresseur (22). Circuit selon la revendication 1, l’unité de contrôle (3) étant configurée pour commander les premier (B1) et deuxième (B2) bras de manière à ce que le premier bras (B1) commute à une fréquence supérieure à au moins cinq fois, notamment à au moins dix fois, la fréquence à laquelle commute le deuxième bras (B2), le deuxième bras commutant à la fréquence de la tension alternative en entrée du sous-circuit primaire (4). Circuit selon la revendication 2, le deuxième bras (B2) commutant à une fréquence inférieure ou égale à 60Hz, notamment inférieure ou égale à 50Hz. Circuit selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’unité de contrôle (3) étant configurée commander les deuxième (B2) et troisième (B3) bras de manière à ce que ces deux bras (B2, B3) commutent à la même fréquence, et à ce que le troisième bras soit modulé en déphasage par rapport au deuxième bras, ces deux bras (B2, B3) commutant à la fréquence de la tension alternative en entrée du sous-circuit primaire (4). Circuit selon la revendication 4, le deuxième (B2) et le troisième (B3) bras commutant à une fréquence inférieure ou égale à 60Hz, notamment inférieure ou égale à 50Hz. Circuit selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’unité de contrôle (3) étant configurée pour commander les premier (B1) et deuxième (B2) bras de manière à ce que ces deux bras réalisent en outre une fonction de correction de facteur de puissance. Circuit selon l’une quelconque des revendications précédentes, le sous-circuit secondaire (6) comprenant : - une cellule inductive secondaire (20) pour l'échange d'énergie sans contact, et - un troisième onduleur/redresseur (23) apte à réaliser une adaptation d’impédance de l’impédance sur l’entrée alternative de ce troisième onduleur/redresseur (23), indépendamment de l’impédance de l’unité de stockage d’énergie électrique (2). Circuit selon la revendication 7, le troisième onduleur/redresseur (23) comprenant deux bras de commutation (B4, B5) montés en parallèle, l’unité de contrôle (3) étant configurée pour commander ces deux bras (B4, B5) de manière à ce que : - l’un de ces deux bras commute à la fréquence de la tension alternative en entrée du sous-circuit primaire (4) et avec un rapport cyclique de 50%, et - l’autre de ces deux bras commute à une fréquence supérieure à celle de ladite tension alternative et avec un rapport cyclique modulé selon le courant alternatif circulant dans la cellule inductive secondaire (20) et la tension sur l’entrée alternative du troisième onduleur/redresseur (23). Circuit selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’unité de contrôle (3) étant configurée pour commander les différents bras de commutation (B1, B2, B3, B4, B5) de manière à réaliser sélectivement : - une charge de l’unité de stockage d’énergie électrique (2) depuis le réseau de tension (5), ou - une charge du réseau de tension (5) depuis l’unité de stockage d’énergie électrique (2). Composant pour l’alimentation électrique d’une unité de stockage d’énergie électrique (2), comprenant le circuit électrique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, le composant définissant notamment une structure supportant de manière rigidement couplés entre eux le sous-circuit primaire (4) et le sous-circuit secondaire (6). Dispositif pour l’alimentation électrique d’une unité de stockage d’énergie électrique (2), comprenant le circuit d’alimentation électrique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, - une borne de charge pour véhicule hybride ou électrique, dans laquelle est disposé le sous-circuit primaire (4) du circuit électrique (1), et - un composant apte à être embarqué dans un véhicule hybride ou électrique, dans lequel est disposé le sous-circuit secondaire (6) du circuit électrique (1).