FR3127084A1 - Système électrique pour véhicule automobile - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un système électrique pour véhicule automobile, le véhicule comprenant au moins une batterie (10) d’alimentation, le système électrique comprenant un chargeur (20) électrique apte à charger une batterie (10) à partir d’un réseau électrique externe, le chargeur (20) comprenant un circuit correcteur (21), un convertisseur (22) comprenant un premier pont en H et un deuxième pont en H et caractérisé par une fréquence dite de « résonance », une capacité de liaison (C20) connectée entre le circuit correcteur (21) et le convertisseur (22), le microcontrôleur est configuré pour lorsque la batterie charge, si la fréquence du signal de commande est égale à la borne supérieure de la plage de résonance : commander le rapport de conversion du circuit correcteur (21) de facteur de puissance de sorte à diminuer la tension aux bornes de la capacité de liaison (C20) , de sorte que ladite tension soit égale à 95% de la tension moyenne de fonctionnement de ladite capacité de liaison (C20),définir la fréquence du signal de commande de sorte qu’elle soit inférieure à la borne inférieure de la plage de résonance. Figure pour l’abrégé : Fig 1

Description

Système électrique pour véhicule automobile
L’invention concerne le domaine des véhicules électriques ou hybrides et plus précisément des systèmes électriques pour véhicules électriques ou hybrides, comprenant un chargeur embarqué et un microcontrôleur, et le procédé mis en œuvre par ledit système électrique.
De manière connue un véhicule électrique ou hybride comprend une batterie apte à alimenter en énergie électrique des équipements électriques montés dans le véhicule, ou reliés au véhicule, et la machine électrique du véhicule.
Le véhicule comprend également un chargeur embarqué, plus connu sous l’appellation OBC pour « On Board Charger » en langue anglaise, connecté à la batterie. Le chargeur embarqué permet de convertir la tension continue fournie par la batterie en une tension alternative afin d’alimenter différents équipements électriques. Par ailleurs, le chargeur embarqué permet également de convertir une tension alternative en tension continue afin de recharger la batterie.
Un chargeur embarqué comprend notamment un circuit correcteur de facteur de puissance, connu sous l’appellation « PFC » pour « Power Factor Corrector » en langue anglaise, un convertisseur de courant continu-continu, une capacité de liaison reliant le circuit correcteur de facteur de puissance et le convertisseur de courant et un microcontrôleur apte à commander le circuit correcteur de facteur de puissance.
Le convertisseur de courant comprend notamment deux ponts en H, comprenant plusieurs interrupteurs.
Par exemple, dans le cas de la charge de la batterie, le correcteur de facteur de puissance est l’élément du chargeur embarqué apte à convertir une tension alternative, fournie par un réseau électrique externe au véhicule, en une tension continue définie entre 300 et 800 V. La capacité de liaison permet de supprimer les oscillations résiduelles de la tension continue fournie par le circuit correcteur de facteur de puissance. Le convertisseur de courant continu-continu est ensuite apte à convertir la tension continue lissée par la capacité, en une autre valeur de tension continue, comprise entre 200 et 300 V environ, apte à charger la batterie.
Le microcontrôleur est notamment apte à commander l’ouverture et la fermeture des interrupteurs du convertisseur de courant afin d’en modifier le gain. Pour cela, le microcontrôleur émet à chaque interrupteur un signal de commande caractérisé par une fréquence.
Cependant, lorsque la fréquence du signal de commande s’approche de la fréquence de résonnance du convertisseur, cela peut engendrer une forte hausse non voulue du gain du convertisseur ou des problèmes d’instabilité du chargeur pouvant provoquer des oscillations de courant. Ainsi, d’une part, la consigne de gain n’est pas respectée. D’autre part, les oscillations peuvent potentiellement dégrader les différents éléments du chargeur embarqué.
Afin de remédier à cet inconvénient, seules les valeurs de fréquence inférieures à la fréquence de résonance sont utilisées lors de la charge de la batterie. Pour cela, il est nécessaire d’augmenter considérablement la valeur de la tension d’entrée du convertisseur, par exemple, d’augmenter la tension d’entrée de 375 V à 800 V. Pour cela, il est nécessaire de modifier de nombreux composants du chargeur embarqué.
Notamment, la capacité de liaison doit être adaptée pour supporter des tensions élevées, communément définies au-delà de 450V et jusqu’à 800 V. Or, plus la capacité est adaptée pour supporter des tensions élevées, plus elle est coûteuse et encombrante. Pour les mêmes raisons, il peut également être nécessaire de modifier les transistors du circuit correcteur de facteur de puissance de sorte qu’ils soient aptes à supporter des tensions supérieures à 650 V.
Une solution est donc nécessaire afin de pallier au moins en partie ces inconvénients.
A cette fin, l’invention concerne un système électrique pour véhicule automobile, le véhicule comprenant au moins une batterie d’alimentation, le système électrique comprenant un microcontrôleur et un chargeur électrique, destiné à être connecté d’une part à ladite à batterie et d’autre part à un réseau électrique externe au véhicule fournissant une tension alternative, le chargeur étant apte à charger la batterie à partir d’un réseau électrique externe, le chargeur comprenant un :
  • un circuit correcteur de facteur de puissance, apte à convertir une tension alternative en une tension continue, la conversion étant caractérisée par un rapport de conversion, et connecté électriquement au réseau électrique,
  • un convertisseur de tension continu-continu, connecté entre le circuit correcteur de facteur de puissance et la batterie et apte à convertir une tension continue en une autre tension continue, ledit convertisseur de tension continu-continu comprenant un premier pont en H, et un deuxième pont en H, chaque pont en H comprenant quatre interrupteurs, un premier interrupteur étant connecté entre un point haut et un point milieu, un deuxième interrupteur étant relié entre le point milieu et un point bas, un troisième interrupteur étant relié entre le point haut et un deuxième point milieu et un quatrième interrupteur étant relié entre le deuxième point milieu et le point bas, le convertisseur de tension comprenant également un transformateur connectant électriquement le premier pont en H et le deuxième pont en H,
le convertisseur est caractérisé par une fréquence dite de « résonance », désignant la fréquence pour laquelle la tension et le courant aux bornes du convertisseur sont en phase, et par une plage de résonance dont la borne inférieure est égale à 0,9 fois la fréquence de résonance et dont la borne supérieure est égale à 1,1 fois la fréquence de résonance, une capacité de liaison connectée entre le circuit correcteur de facteur de puissance et le convertisseur de tension continu-continu, apte à atténuer les oscillations résiduelles de la tension fournie entre le circuit correcteur de facteur de puissance et le convertisseur de tension continu-continu, la capacité de liaison est caractérisée par une tension moyenne de fonctionnement,
le microcontrôleur est configuré pour :
  1. commander l’ouverture et la fermeture de chaque interrupteur du premier pont et du deuxième pont du convertisseur de tension continu-continu par l’émission d’un signal de commande à chaque interrupteur, chaque signal de commande étant caractérisé par une fréquence,
  2. commander le rapport de conversion du circuit correcteur,
  3. lorsque la batterie charge, si la fréquence du signal de commande est égale à la borne supérieure de la plage de résonance :
    1. commander le rapport de conversion du circuit correcteur de facteur de puissance de sorte à diminuer la tension aux bornes de la capacité de liaison, de sorte que ladite tension soit égale à 95% de la tension moyenne de fonctionnement de ladite capacité de liaison,
    2. définir la fréquence de chaque signal de commande de sorte qu’elle soit inférieure à la borne inférieure de la plage de résonance.
Le gain du convertisseur est fixé à une valeur prédéterminée afin de recharger la batterie. Puisque la tension aux bornes de la capacité de liaison est diminuée alors le convertisseur doit augmenter la tension qu’il fournit, pour obtenir gain fixé. Donc le convertisseur doit augmenter son propre gain. Pour cela, le convertisseur diminue la fréquence du signal de commande. Ainsi la fréquence du signal de commande passe directement d’une valeur supérieure à la plage de résonance à une valeur inférieure à la plage de résonance. Ainsi la fréquence du signal de commande imposée par le microcontrôleur n’est jamais comprise dans la plage de résonance et est donc toujours différente de la fréquence de résonance, évitant ainsi que des courants oscillants se propagent dans les composants du chargeur et donc une dégradation probable de ces composants. De plus, le microcontrôleur peut dorénavant utiliser des fréquences inférieures à la plage de résonance.
De préférence encore le chargeur est destiné à être connecté d’une part ladite à la batterie et d’autre part à des équipements, le chargeur est apte à permettre à la batterie d’alimenter lesdits équipements, le convertisseur étant bidirectionnel et le circuit correcteur de facteur de puissance, connecté électriquement aux équipements, étant apte à convertir une tension continue en une tension alternative, le microcontrôleur est configuré pour, lorsque la batterie se décharge et si la fréquence du signal de commande est égale à la borne inférieure de la plage de résonance :
  • commander le rapport de conversion du circuit correcteur de facteur de puissance de sorte à augmenter la tension aux bornes de la capacité de liaison, de sorte que ladite tension soit égale à 105% de la tension moyenne de fonctionnement de ladite capacité de liaison,
  • définir la fréquence de chaque signal de commande de sorte qu’elle soit supérieure à la borne supérieure de la plage de résonance.
Le gain est fixé à une valeur prédéterminée afin d’alimenter des équipements. Puisque la tension aux bornes de la capacité de liaison est augmentée, le convertisseur doit diminuer la tension qu’il fournit, pour obtenir gain fixé. Donc le convertisseur doit diminuer son propre gain. Pour cela, le convertisseur augmente la fréquence du signal de commande. Ainsi la fréquence du signal de commande passe directement d’une valeur inférieure à la plage de résonance à une valeur supérieure à la plage de résonance. Ainsi la fréquence du signal de commande imposée par le microcontrôleur n’est jamais comprise dans la plage de résonance et est donc toujours différente de la fréquence de résonance, évitant ainsi que des courants oscillants se propagent dans les composants du chargeur et donc une dégradation probable de ces composants. De plus, le microcontrôleur peut dorénavant utiliser des fréquences supérieures à la plage de résonance.
De manière avantageuse :
  • le transformateur du convertisseur comprend un enroulement primaire et un enroulement secondaire, chaque enroulement comprenant une première borne et une deuxième borne,
  • le convertisseur comprend un premier circuit résonant comprenant une capacité résonante et une bobine connectées en série, la capacité résonante du premier circuit résonant étant connectée électriquement au premier point milieu du premier pont, et la bobine du premier circuit résonant étant connectée électriquement à la première borne de l’enroulement primaire du transformateur.
Avantageusement, le convertisseur comprend une bobine supplémentaire, connectée en parallèle de l’enroulement primaire du transformateur.
De préférence encore, le convertisseur comprend un deuxième circuit résonant comprenant une capacité résonante et une bobine connectée en série, la capacité résonante du deuxième circuit résonant étant connectée électriquement au premier point milieu du deuxième pont, et la bobine du deuxième circuit résonant étant connectée électriquement à la première borne de l’enroulement secondaire du transformateur.
De préférence encore, chaque interrupteur désigne un transistor MOSFET ou bipolaire.
L’invention concerne également un véhicule automobile comprenant au moins une batterie et au moins un système électrique tel que présenté précédemment.
L’invention concerne également un procédé de commande du signal de commande d’un convertisseur de système électronique pour véhicule automobile, tel que présenté précédemment, lorsque la batterie charge, si la fréquence du signal de commande est égale à la borne supérieure de la plage de résonance, le procédé comprend les étapes :
  • commande du rapport de conversion du circuit correcteur de facteur de puissance de sorte à diminuer la tension aux bornes de la capacité de liaison, de sorte que ladite tension soit égale à 95% de la tension moyenne de fonctionnement de ladite capacité de liaison,
  • définition de la fréquence du signal de commande de sorte qu’elle soit inférieure à la borne inférieure de la plage de résonance.
De préférence, lorsque la batterie se décharge et si la fréquence du signal de commande est égale à la borne inférieure de la plage de résonance, le procédé comprend les étapes de :
  • commande du rapport de conversion du circuit correcteur de facteur de puissance de sorte à augmenter la tension aux bornes de la capacité de liaison, de sorte que ladite tension soit égale à 105% de la tension moyenne de fonctionnement de ladite capacité de liaison,
  • définition de la fréquence du signal de commande de sorte qu’elle soit supérieure à la borne supérieure de la plage de résonance.
L’invention concerne également un produit programme d’ordinateur remarquable en ce qu’il comporte un ensemble d’instructions de code de programme qui, lorsqu’elles sont exécutées par un ou plusieurs processeurs, configurent le ou les processeurs pour mettre en œuvre un procédé tel que présenté précédemment.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
illustre schématiquement le système électrique selon l’invention,
représente le circuit électronique d’un convertisseur unidirectionnel de chargeur du système électrique selon la ,
représente le circuit électronique d’un convertisseur bidirectionnel de chargeur du système électrique selon la ,
représente schématiquement le procédé selon l’invention,
illustre la variation de la tension aux bornes de la batterie en fonction de la fréquence du signal de commande émis par le microcontrôleur, pour une tension aux bornes de la capacité de liaison définie à 380 V et pour une tension aux bornes de la capacité de liaison définie à 420 V.

Claims (10)

  1. Système électrique pour véhicule automobile, le véhicule comprenant au moins une batterie (10) d’alimentation, le système électrique comprenant un microcontrôleur (30) et un chargeur (20) électrique, destiné à être connecté d’une part à ladite à la batterie (10) et d’autre part à un réseau électrique externe au véhicule fournissant une tension alternative, le chargeur (20) étant apte à charger la batterie (10) à partir d’un réseau électrique externe, le chargeur (20) comprenant un :
    • un circuit correcteur (21) de facteur de puissance, apte à convertir une tension alternative en une tension continue, la conversion étant caractérisée par un rapport de conversion, et connecté électriquement au réseau électrique,
    • un convertisseur (22) de tension continu-continu, connecté entre le circuit correcteur (21) de facteur de puissance et la batterie (10) et apte à convertir une tension continue en une autre tension continue, ledit convertisseur (22) de tension continu-continu comprenant un premier pont en H, et un deuxième pont en H, chaque pont en H comprenant quatre interrupteurs (T1 , T2, T3, T4), un premier interrupteur (T1) étant connecté entre un point haut (PH) et un point milieu (PM1), un deuxième interrupteur (T2) étant relié entre le point milieu (PM1) et un point bas (PB), un troisième interrupteur (T3) étant relié entre le point haut (PH) et un deuxième point milieu (PM2) et un quatrième interrupteur (T4) étant relié entre le deuxième point milieu (PM2) et le point bas (PB), le convertisseur (22) de tension comprenant également un transformateur (Tr) connectant électriquement le premier pont en H et le deuxième pont en H,
    le convertisseur (22) est caractérisé par une fréquence dite de « résonance », désignant la fréquence pour laquelle la tension et le courant aux bornes du convertisseur (22) sont en phase, et par une plage de résonance dont la borne inférieure est égale à 0,9 fois la fréquence de résonance et dont la borne supérieure est égale à 1,1 fois la fréquence de résonance, une capacité de liaison (C20) connectée entre le circuit correcteur (21) de facteur de puissance et le convertisseur (22) de tension continu-continu, apte à atténuer les oscillations résiduelles de la tension fournie entre le circuit correcteur (21) de facteur de puissance et le convertisseur (22) de tension continu-continu, la capacité de liaison (C20) est caractérisée par une tension moyenne de fonctionnement,
    le microcontrôleur (30) est configuré pour :
    1. commander l’ouverture et la fermeture de chaque interrupteur (T1, T2, T3, T4) du premier pont (H1) et du deuxième pont (H2) du convertisseur (22) de tension continu-continu par l’émission d’un signal de commande à chaque interrupteur (T1, T2, T3, T4), chaque signal de commande étant caractérisé par une fréquence,
    2. commander le rapport de conversion du circuit correcteur (21),
    3. lorsque la batterie charge, si la fréquence du signal de commande est égale à la borne supérieure de la plage de résonance :
      1. commander le rapport de conversion du circuit correcteur (21) de facteur de puissance de sorte à diminuer la tension aux bornes de la capacité de liaison (C20) , de sorte que ladite tension soit égale à 95% de la tension moyenne de fonctionnement de ladite capacité de liaison (C20),
      2. définir la fréquence de chaque signal de commande de sorte qu’elle soit inférieure à la borne inférieure de la plage de résonance.
  2. Système électrique selon la revendication précédente dans lequel le chargeur (20) est destiné à être connecté d’une part ladite à la batterie (10) et d’autre part à des équipements, le chargeur (20) est apte à permettre à la batterie (10) d’alimenter lesdits équipements, le convertisseur (22) étant bidirectionnel et le circuit correcteur (21) de facteur de puissance, connecté électriquement aux équipements, étant apte à convertir une tension continue en une tension alternative, le microcontrôleur (30) est configuré pour, lorsque la batterie (10) se décharge et si la fréquence du signal de commande est égale à la borne inférieure de la plage de résonance :
    1. commander le rapport de conversion du circuit correcteur (21) de facteur de puissance de sorte à augmenter la tension aux bornes de la capacité de liaison (C20), de sorte que ladite tension soit égale à 105% de la tension moyenne de fonctionnement de ladite capacité de liaison (C20),
    2. définir la fréquence de chaque signal de commande de sorte qu’elle soit supérieure à la borne supérieure de la plage de résonance.
  3. Système électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
    1. le transformateur (Tr) du convertisseur (22) comprend un enroulement primaire et un enroulement secondaire, chaque enroulement comprenant une première borne et une deuxième borne,
    2. le convertisseur (22) comprend un premier circuit résonant (CR1) comprenant une capacité résonante (C1) et une bobine (L1) connectées en série, la capacité résonante (C1) du premier circuit résonant (CR1) étant connectée électriquement au premier point milieu (PM1) du premier pont (H1), et la bobine (L1) du premier circuit résonant (CR1) étant connectée électriquement à la première borne de l’enroulement primaire du transformateur (Tr).
  4. Système électrique selon la revendication précédente dans lequel le convertisseur (22) comprend une bobine supplémentaire (Ls), connectée en parallèle de l’enroulement primaire du transformateur (Tr).
  5. Système électrique selon l’une quelconque des revendications 3 et 4, dans lequel le convertisseur (22) comprend un deuxième circuit résonant (CR2) comprenant une capacité résonante (C2) et une bobine (L2) connectées en série, la capacité résonante (C2) du deuxième circuit résonant (CR2) étant connectée électriquement au premier point milieu (PM1) du deuxième pont (H2), et la bobine (L2) du deuxième circuit résonant (CR2) étant connectée électriquement à la première borne de l’enroulement secondaire du transformateur (Tr).
  6. Système électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque interrupteur (T1, T2, T3, T4) désigne un transistor MOSFET ou bipolaire.
  7. Véhicule automobile comprenant au moins une batterie (10) et au moins un système électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes.
  8. Procédé de commande du signal de commande d’un convertisseur (22) de système électronique pour véhicule automobile, selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, lorsque la batterie charge (10), si la fréquence du signal de commande est égale à la borne supérieure de la plage de résonance, le procédé comprenant les étapes :
    1. commande (E4) du rapport de conversion du circuit correcteur (21) de facteur de puissance de sorte à diminuer la tension aux bornes de la capacité de liaison (C20), de sorte que ladite tension soit égale à 95% de la tension moyenne de fonctionnement de ladite capacité de liaison (C20),
    2. définition (E5) de la fréquence du signal de commande de sorte qu’elle soit inférieure à la borne inférieure de la plage de résonance.
  9. Procédé selon la revendication précédente, mis en œuvre par un système électrique selon l’une quelconque des revendications 2 à 6, lorsque la batterie (10) se décharge et si la fréquence du signal de commande est égale à la borne inférieure de la plage de résonance, le procédé comprenant les étapes de :
    1. commande (E10) du rapport de conversion du circuit correcteur (21) de facteur de puissance de sorte à augmenter la tension aux bornes de la capacité de liaison (C20), de sorte que ladite tension soit égale à 105% de la tension moyenne de fonctionnement de ladite capacité de liaison (C20),
    2. définition (E11) de la fréquence du signal de commande de sorte qu’elle soit supérieure à la borne supérieure de la plage de résonance.
  10. Produit programme d’ordinateur caractérisé en ce qu’il comporte un ensemble d’instructions de code de programme qui, lorsqu’elles sont exécutées par un ou plusieurs processeurs, configurent le ou les processeurs pour mettre en œuvre un procédé selon l’une quelconques des revendications 8 à 9.
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