WO2023094165A1 - Convertisseur d'energie electrique apte a etre connecte a deux sources d'alimentation et apte a la recuperation d'energie - Google Patents

Convertisseur d'energie electrique apte a etre connecte a deux sources d'alimentation et apte a la recuperation d'energie Download PDF

Info

Publication number
WO2023094165A1
WO2023094165A1 PCT/EP2022/081358 EP2022081358W WO2023094165A1 WO 2023094165 A1 WO2023094165 A1 WO 2023094165A1 EP 2022081358 W EP2022081358 W EP 2022081358W WO 2023094165 A1 WO2023094165 A1 WO 2023094165A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
switching
conversion system
switching elements
arms
electrical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2022/081358
Other languages
English (en)
Inventor
Alexandre BATTISTON
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IFP Energies Nouvelles IFPEN filed Critical IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority to EP22814083.6A priority Critical patent/EP4437648A1/fr
Publication of WO2023094165A1 publication Critical patent/WO2023094165A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0095—Hybrid converter topologies, e.g. NPC mixed with flying capacitor, thyristor converter mixed with MMC or charge pump mixed with buck
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L15/00—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles
    • B60L15/007—Physical arrangements or structures of drive train converters specially adapted for the propulsion motors of electric vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/60—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/10—Arrangements incorporating converting means for enabling loads to be operated at will from different kinds of power supplies, e.g. from AC or DC
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/02—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC
    • H02M3/04—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/10—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H02M7/53871—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/66—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output with possibility of reversal
    • H02M7/68—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output with possibility of reversal by static converters
    • H02M7/72—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/79—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/797—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/10—DC to DC converters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/40—DC to AC converters
    • B60L2210/42—Voltage source inverters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2220/00—Electrical machine types; Structures or applications thereof
    • B60L2220/10—Electrical machine types
    • B60L2220/14—Synchronous machines
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/007—Plural converter units in cascade

Definitions

  • the present invention relates to the field of converters for the conversion of electrical energy, in particular for the supply of multi-phase electrical machines.
  • a static converter is a system for converting an electrical signal into another electrical signal with different characteristics.
  • a converter can make it possible to convert an alternating voltage into another alternating voltage with a different frequency and/or amplitude, we then speak of an alternating/alternating or AC/AC converter.
  • a converter can make it possible to convert an alternating voltage into a direct voltage, one then speaks of an alternating/direct or AC/DC converter (also called a rectifier).
  • AC/AC reverse conversion we speak of a DC/AC converter, also called an inverter.
  • a converter can convert a direct voltage into a direct voltage of different voltage, one then speaks of a DC/DC converter.
  • Converters can be reversible or non-reversible. Generally, the conversion is implemented by means of controlled switches (switches).
  • a DC/AC converter comprises three switching arms.
  • Each switching arm comprises two controlled switches and two diodes placed in parallel with the controlled switches, the diodes being able to be intrinsically integrated into the switch for MOSFET type switches (acronym for "Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor” which translates to transistor with field effect with metal-oxide-semiconductor structure), for example MOSFETs SiC (silicon carbide) or GaN HEMT (HEMT for the acronym for “High electron mobility transistor” which translates to high electron mobility transistor, GaN meaning Gallium Nitride).
  • MOSFET type switches analog for "Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor” which translates to transistor with field effect with metal-oxide-semiconductor structure
  • MOSFETs SiC silicon carbide
  • GaN HEMT GaN HEMT
  • an arm can be made up of several 'sub-arms' in parallel.
  • the phases of the electric machine are connected to the midpoint of each arm.
  • FIG. 1 illustrates such a conventional DC/AC converter.
  • the DC voltage of the electrical energy storage means is indicated Udc.
  • the three-phase motor M is represented schematically by three coils, supplied respectively by the currents Ia, Ib and Ic.
  • the converter comprises three switching arms A, B, C, each switching arm A, B, C is connected to a phase of the electric machine M.
  • Each switching arm comprises two switches 1 and two diodes 2.
  • the switching arms A, B, C are arranged in parallel, between the two DC input terminals of voltage converter Udc.
  • the output phases of switching arms A, B, C are connected to the midpoint (between the two switches) of the switching arms.
  • Patent application US2014/01 17 770 A1 is also known, which makes it possible to connect several electrical sources to the same converter.
  • the DC / DC conversion to switch from one source to another is independent of the converter and therefore the overall efficiency is relatively low.
  • Patent application US201 1/1 15 294 AA is also known, which relates to a converter for connecting several sources.
  • the proposed architecture does not allow the recovery of energy to recharge at least one source and it does not allow the control of connection / disconnection of the different sources.
  • the object of the invention consists in designing an electrical energy conversion system able to be connected to two sources alternately or simultaneously, to increase the efficiency of the system and to allow the recharging of at least one of the sources and preferably to allow recharging of both sources.
  • the invention relates to an electrical power conversion system comprising N switching arms in parallel with a mounting circuit of a first electrical power source, N being greater than or equal to three and preferably equal to three, each of the N switching arms comprising at least two switching elements in series and connected to each other at a midpoint, the switching elements being controllable in opening and closing and reversible, each midpoint of each of the N switching arms forming a phase for connection to a multi-phase electrical load, the system power conversion comprising a capacitor mounted in parallel with said N switching arms.
  • the power conversion system comprises a voltage transformation module between a junction point intended to be connected to a terminal of a second electrical power source and to each of the N midpoints, the transformation module comprising a first inductor connected to said junction point and to a circuit comprising N switching branches in parallel, each switching branch comprising two switching elements in series and being connected to a distinct midpoint of one of the N switching arms, each said switching members being controllable in opening and closing and reversible, the two switching members of the same branch being mounted head to tail.
  • the switching elements of the N switching arms each comprise a transistor and a diode connected in parallel.
  • each switching device comprises a transistor and a diode connected in parallel.
  • the assembly circuit comprises the first electrical power source, preferably of direct voltage.
  • the conversion system comprises said second electrical power source, preferably of direct voltage, connected between said first inductor and ground.
  • the first power supply source and the second power supply source are of different nature and/or of different voltage.
  • one of said first and second electrical power sources is an electrochemical electrical energy storage means such as a battery, and for which the other of said first and second electrical power sources electricity is a fuel cell.
  • the first electrical power source is directly connected in parallel with said N switching arms.
  • the assembly circuit comprises an additional switching arm in parallel with said N switching arms, said additional switching arm comprising at least two switching devices in series and connected to each other by a point intermediate, the switching devices being controllable in opening and closing and reversible, a second inductor being connected between the intermediate point and a connection point intended to be connected to a terminal of the first electrical power source.
  • said first electrical power source preferably of direct voltage, is connected between the connection point and ground.
  • the conversion system comprises a control system for controlling the openings/closings of the switching elements and for controlling the openings/closings of the switching elements according to the states of the switching elements.
  • control system is configured to control the closing of the switching elements of the switching branches connected to a midpoint of one of the switching arms when the switching element of this switching arm connected to ground is closed or when the switching elements of the Ns switching arms connected to ground are open.
  • control system is configured to control the switching elements of each of the N switching arms in opposite manner, the opening of one of the two switching elements in series of each switching arm implying the closing on the other of said two switching elements in series of this switching arm.
  • the invention also relates to a drive system comprising at least one means of electrochemical storage of electrical energy such as a battery, a fuel cell and a multi-phase, preferably three-phase electric machine, the drive system comprising an electrical power conversion system as described above for converting electrical energy from said electrochemical electrical energy storage means and/or said fuel cell into multi-phase alternating electrical energy for said multi-phase electrical machine or vice versa .
  • the invention also relates to a vehicle comprising a drive system as described or a power conversion system as described.
  • Figure 1 already described, represents a conventional DC/AC converter according to the prior art.
  • FIG. 2 represents a first embodiment of an electrical power conversion system according to the invention.
  • FIG. 3 represents a second embodiment of an electrical power conversion system according to the invention.
  • FIG. 4 represents four possible states of the conversion system of FIG. 2 according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 5 represents the four other possible states of the conversion system of FIG. 2 according to an embodiment of the invention.
  • Figure 6 represents curves giving the states of the switching elements
  • FIG. 7 represents the curves of the states of the switching elements, of the states of the switching elements as a function of the states of the switching elements, as well as the current in the first inductor.
  • FIG. 8 represents an example of energy management of the first and second electrical power sources for driving an electrical machine by means of the system according to one embodiment of the invention.
  • the invention relates to an electrical power conversion system (a converter for example), in particular a DC/AC converter (also called inverter or variable speed drive), comprising N switching arms in parallel with a mounting circuit of a first source power supply, N being greater than or equal to three and preferably equal to three.
  • the mounting circuit is a circuit for connecting the first electrical power source to the electrical power conversion system.
  • Each of the N switching arms comprises at least two switching elements (switches for example) in series connected together at a midpoint.
  • Each midpoint of each of the N switching arms forms a phase for connection to a multiphase electric load (an electric motor for example).
  • the electrical load is a three-phase load.
  • the N switch arms are used to generate N phases for the multi-phase supply of an electrical load.
  • the switching elements are controllable in opening and closing and reversible (in current) to allow control of the passage of current in each of the phases.
  • the control of the switching elements makes it possible to generate an alternating voltage.
  • the alternating output phases of the converter system are connected to the midpoint of each arm of switching, that is to say between the two switching elements of the same switching arm.
  • the power conversion system includes a capacitor, such as a capacitor, mounted in parallel with the N switching arms. This capacitance makes it possible to smooth voltage fluctuations.
  • the voltage at the terminals of the capacitor is called DC bus voltage and corresponds to the voltage at the terminals of the N switching arms.
  • the power conversion system further comprises a voltage transformation module between a junction point intended to be connected to a terminal of a second power supply source and each of the N midpoints.
  • the transformer module is a circuit for connecting a second power source to the switching arms and adapting the current and voltage.
  • the transformation module comprises a first inductor and N switching branches.
  • the transformation module comprises a first inductor connected to said junction point making it possible to boost the voltage of the second power source to supply the multi-phase electrical load (three-phase if N is equal to three) and to allow connection to the first power source whose voltage level is different from that of the second power source.
  • the inductor is also connected to a circuit comprising N switching branches in parallel, each switching branch comprising two switching members in series and each switching branch being connected to a distinct midpoint of one of the N switching arms.
  • the N switching branches are connected to the N midpoints of the switching arms, each switching branch being connected to a midpoint distinct from the other switching branches.
  • the first inductor and the N switching branches constitute a so-called “Boost” DC/DC stage making it possible to raise the voltage of the second electrical power source to make it compatible with the supply voltage of the electrical load and with the level voltage from the first source.
  • switching arm and “switching elements” are therefore associated with the first electrical power source
  • switching branches and “switching members” are therefore associated with the second power source.
  • switching branches and “switching members” are therefore associated with the second power source.
  • the conversion system comprises an inverter for transforming a direct voltage source into alternating voltage (and vice versa) and a DC/DC module capable of boosting the voltage of one of the sources: the inverter and the DC/DC module.
  • DC are not independent of each other but are instead integrated into one and the same converter stage.
  • the efficiency of the DC/DC stage is not independent of that of the inverter.
  • This nested architecture of the DC/DC stage and of the inverter thus makes it possible to increase the efficiency of the electrical power conversion system and to pool the electrical functions of the DC/DC and DC/AC converters.
  • the conversion system acts as an inverter with a "Boost" type DC/DC stage capable of raising the voltage of the DC bus to make it compatible with the voltage of multi-phase electrical load supply.
  • each of the switching devices is controllable in opening and closing and reversible and the two switching devices of the same branch are mounted head to tail.
  • switching devices mounted head to tail it is meant that the switching devices are mounted in the opposite (or opposite) direction: for example, when the switching devices are IGBTs, the two switching devices of the same branch switching can be mounted so as to have their common collectors or their common emitters; when the switching devices are MOSFETs, the two switching devices of the same switching branch can be mounted so as to have their common drains or their common sources.
  • the switching elements are reversible, it is possible to recover the energy from the electrical load to recharge the second electrical power source.
  • the architecture can be completely reversible with respect to the second power source. electric.
  • the architecture can no longer be made reversible , which can be useful when it is not possible to recharge the second electrical power source (a fuel cell or a photovoltaic panel for example).
  • mounting the two switching devices of the same switching branch head to tail makes it possible to add inductive charge or discharge modes outside the zero sequence states of the control of the N switching arms.
  • the conversion system according to the invention thus comprises N switching arms, preferably three switching arms, a voltage transformation module with N switching branches (preferably three branches when the system comprises three switching arms), two DC input phases (or terminals), each DC input phase corresponding to one of the two electrical power sources, and N phases of AC outputs for multi-phase output (or input) (three-phase AC outputs for three-phase output).
  • the ground (or potential reference) can be advantageously connected to a terminal of the first power supply source and to a terminal of the second power supply source
  • the conversion system according to the invention allows a conversion of electrical energy. It can convert an alternating voltage into a direct voltage, we then speak of a rectifier, alternating / direct or AC / DC converter. It can also allow reverse conversion by transforming a direct voltage into alternating voltage: we then speak of an inverter or drive or DC/AC converter. Finally, the conversion system according to the invention can convert a direct voltage into a direct voltage of different voltage, one then speaks of a DC/DC converter. In addition, the conversion systems according to the invention are current reversible (electric current can flow in both directions in a so-called reversible system).
  • the electrical load designates any system using electrical energy or allowing the recovery of electrical energy to recharge at least one of the two electrical power sources.
  • the electric load can be an electric machine such as an electric motor, an electric generator, a resistive load, an electric network, etc.
  • control mode corresponds to a simple voltage inverter
  • control mode corresponds to a simple voltage inverter with a DC/DC conversion stage which makes it possible to boost the voltage.
  • This type of operation is advantageous when the DC voltage of the second electrical power source is lower than the supply voltage of the multi-phase electrical load.
  • the first power source corresponds to the main source and the second power source corresponds to an auxiliary source which serves as a support for the main source. Of course, it could also be the other way around.
  • a mode for recovering energy from the multi-phase electric load towards the first and/or the second electric power source A mode where the first electrical power source allows recharging of the second power source, or vice versa, without energy from the multi-phase electrical load.
  • the second power supply source is then electrically disconnected from the conversion system.
  • the conversion system then functions as a simple inverter. This control mode can make it possible to protect or preserve the second electrical power source. It makes it possible to request or not the second power supply source simultaneously with the first power supply source.
  • the switching elements of the N switching arms can each comprise a transistor and a diode connected in parallel.
  • the transistor is a switch whose opening and closing can be controlled by an electronic control means.
  • the transistor For switching elements of the IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) type, the transistor has a unidirectional current flow direction when it is in the closed position.
  • a diode is added in parallel to allow the current to flow in the opposite direction to that of the on direction in the transistor.
  • MOSFETs such as SiC MOSFETs or GaN HEMTs
  • the diode is inherently present in the device and the devices operate in both directions when closed.
  • each switching device can comprise a transistor and a diode connected in parallel.
  • the opening and closing of the transistor can be controlled by an electronic control means.
  • the transistor has a unidirectional direction of current flow when it is in the closed position.
  • a diode is added in parallel to allow the current to flow in the opposite direction to that of the on direction in the transistor.
  • the transistors (which are controlled switches) of the switching elements and/or the transistors of the switching elements can be switches of the MOSFET type (acronym for "Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor” which translates to field effect transistor at metal-oxide-semiconductor structure) and/or IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
  • the MOSFETs can in particular be MOSFETs SiC (silicon carbide) or GaN HEMT (“High electron mobility transistor” in Gallium Nitride).
  • the mounting circuit may comprise only the first electrical power source directly connected in parallel with the N switching arms.
  • the terminals of the first power supply are connected directly to each end of the switch arms (and therefore of the capacitor).
  • the first electrical power source is connected to the DC bus.
  • FIG. 2 schematically and non-limitingly illustrates a first embodiment of the conversion system according to the invention.
  • the system presented includes a conversion system, two electrical power sources S1 and S2 and a three-phase electrical load M.
  • the conversion system comprises three switching arms A, B, and C in parallel with the first power source S1. Ground is connected to a first terminal 23 of the first power source S1, to the first ends of the three switching arms A, B and C and to the first terminal 21 of the second power source S2.
  • the second terminal 22 of the first power source S1 is connected to the other ends of the three switching arms A, B and C.
  • a capacitor 12 is also mounted in parallel with the first power source S1 and the three switching arms A, B and C between ground and the second terminal 22 of the first power source S1.
  • the three switching arms A, B, C each comprise an upper half-arm and a lower half-arm mounted in series with respect to each other and connected to each other by a midpoint, respectively Pha, Phb and Phc .
  • each of the three switching arms A, B and C each comprise, between the midpoint Pha, Phb, Phc and the second terminal 22 of the first electrical power source S1 a switching element Ka 1 , Kb 1 , Kc 1 .
  • each of the three switching arms A, B and C each comprise, between the midpoint Pha, Phb, Phc and the ground connected to the first terminal 23 of the first electrical power source S1, an element of switching Ka 2 , Kb 2 , Kc 2 .
  • Each switching element Ka 1 , Ka 2 , Kb 1 , Kb 2 , Kc 1 and Kc 2 comprises a transistor (controllable switch) and a diode connected in parallel.
  • the transistors can be IGBTs or MOSFETs such as SiC MOSFETs or GaN HEMTs for example.
  • the midpoints Ph a , Ph b , and Ph c are each connected to a phase of the electrical load so as to supply or recover three-phase electrical energy (or power).
  • the second terminal 20 of the second electrical power source S2 is connected to an inductor 10, the other terminal of the inductor being connected to a circuit comprising three switching branches D, E, F in parallel.
  • Each of the three switching branches D, E, F comprises two switching elements, Km 1 , Kn 1 , Km 2 , Kn 2 , Km 3 , Kn 3 which are each composed of a transistor and a diode in parallel.
  • the transistors can be IGBTs or MOSFETs, such as SiC MOSFETs or GaN HEMTs for example.
  • the inductor 10, the second electrical power source S2 and the three switching branches D, E, F form an MV voltage transformation module, represented by the frame on the left in dashed lines, to boost or interface the voltage of the DC bus, connected to the second electrical power source.
  • the second terminal 20 of the second electrical power source S2 forms the junction point of the voltage transformation module.
  • the assembly circuit CM represented by the frame on the right in dash-and-dash lines is here constituted solely by the first power source S1.
  • the two switching devices mounted in series on the same switching branch D, E, F are mounted head to tail, that is to say in an inverted manner: for example, when the switching devices are IGBTs, the two devices switches of the same switching branch can be mounted so as to have their common collectors or their common emitters; when the switching devices are MOSFETs, the two switching devices of the same switching branch can be mounted so as to have their common drains or their common sources.
  • the diode of the switching elements Km 1 , Km 2 , Km 3 conducts in the opposite direction to the diode of the switching elements Kn 1 , Kn 2 , Kn 3 of the same switching branch.
  • the second electrical power source S2 is a fuel cell
  • the second electrical power source is a battery
  • the commands of the Km 1 , Km 2 and Km 3 switching members are for example identical to the commands of the Kn 1 , Kn 2 and Kn 3 switching members to make the architecture totally reversible.
  • the assembly circuit may include: - an additional switching arm (a (N+1)-th switching arm) in parallel with the N switching arms and the additional switching arm may comprise at least two switching devices in series and connected to each other by an intermediate point ,
  • the assembly circuit can comprise a fourth switching arm in parallel with the three switching arms and the fourth switching arm may comprise at least two switching devices in series and connected to each other by an intermediate point.
  • the switching devices can be controllable in opening and closing and reversible and a second inductor can be connected between the intermediate point and a connection point intended to be connected to a terminal of the first electrical power source. It thus acts as a DC/DC stage called “Boost”.
  • Boost DC/DC stage
  • the mounting circuit may comprise the first electrical power source, which may in particular be a DC voltage source, connected between the connection point and ground, itself being able to be connected to one of the two terminals of the second power source.
  • the first electrical power source which may in particular be a DC voltage source, connected between the connection point and ground, itself being able to be connected to one of the two terminals of the second power source.
  • the conversion system may comprise the second electrical power source, which may in particular be a DC voltage source, connected between the first inductor of the voltage transformation module, at the junction point, and the ground (connected to a terminal of the first electrical power source).
  • the second electrical power source which may in particular be a DC voltage source, connected between the first inductor of the voltage transformation module, at the junction point, and the ground (connected to a terminal of the first electrical power source).
  • the conversion system thus formed can therefore be adapted to different electrical power sources which can be connected to the electrical load separately or simultaneously.
  • the sources can be independent of each other and therefore the first electric power source and the second electric power source can be of different natures and/or of different voltages.
  • Sources of a different nature are understood to mean power sources of different technology which have distinct and independent characteristics (voltage, current, charging time, etc.).
  • a photovoltaic panel, an electrochemical battery, a supercapacitor or a fuel cell are different sources.
  • the conversion system offers great adaptability to different energy sources and multiple operating solutions, in a reduced space.
  • FIG. 3 illustrates, schematically and without limitation, a second embodiment of the conversion system according to the invention.
  • the system presented includes a conversion system, two electrical power sources S1 and S2 and a three-phase electrical load M.
  • the conversion system comprises three switching arms A, B, and C and a first power source S1.
  • Ground is connected to a first terminal 23 of the first power source S1, to the first ends of the three switching arms A, B and C and to the first terminal 21 of the second power source S2.
  • the second terminal 22 of the first power source S1 is connected to a second inductor 11 which is also connected to the intermediate point Ph d of a fourth switching arm G.
  • the fourth switching arm G is mounted in parallel with the three arms switches A, B and C and capacitor 12.
  • the fourth switching arm G comprises an upper half-arm and a lower half-arm mounted in series with respect to each other and connected to each other by the intermediate point Phd .
  • the lower half-arm comprises a switching device K x 2 between the intermediate point Ph d and the ground connected to the first terminal 23 of the first electrical power source S1.
  • the upper half-arm comprises a switching device K X 1 between the intermediate point Ph d and the other end of the switching arm G (end not connected to ground).
  • the switching devices K x 1 and K x 2 each comprise a transistor (controllable switch) and a diode in parallel.
  • the transistors can be IGBTs or MOSFETs, such as SiC MOSFETs or GaN HEMTs for example.
  • the three switching arms A, B, C each comprise an upper half-arm and a lower half-arm mounted in series with respect to each other and connected to each other by a midpoint, respectively Ph a , Ph b and Phc .
  • each of the three switching arms A, B and C each comprise, between the midpoint Ph a , Ph b , Ph c and the mass connected to the first terminal 23 of the first electrical power source S1 a switching element K a 2 , K b 2 , K c 2 .
  • each of the three switch arms A, B and C each comprise, between the midpoint Ph a , Ph b , Ph c and the other end of the switch arms A, B and C (end not connected to ground) a switching element K a 1 , K b 1 , K c 1 .
  • Each switching element K a 1 , K a 2 , K b 1 , K b 2 , K C 1 and K c 2 comprises a transistor (controllable switch) and a diode in parallel.
  • the transistors can be IGBTs or MOSFETs, such as SiC MOSFETs or GaN HEMTs for example.
  • the midpoints Ph a , Ph b , and Ph c are each connected to a phase of the electric load so as to supply or recover a three-phase electric voltage.
  • the second terminal 20 of the second electrical power source S2 forms a junction point of the voltage transformation module MT which is connected to an inductor 10, the other terminal of the inductor being connected to a circuit comprising three switching branches D, E, F in parallel.
  • Each of the three switching branches D, E, F comprises two switching elements, K m 1 , K n 1 , K m 2 , K n 2 , K m 3 , K n 3 which are each composed of a transistor and a diode in parallel.
  • Transistors can be MOSFETs or IGBTs.
  • the two switching elements mounted in series on the same switching branch D, E, F are mounted head to tail, that is to say in an inverted manner: the diode of the switching elements K m 1 , K m 2 , K m 3 conducts in the opposite direction of the diode of the switching elements K n 1 , K n 2 , K n 3 of the same switching branch.
  • the inductor 10, the second electrical power source S2 and the three switching branches D, E, F form an MV voltage transformation module, represented by the frame on the left in dashed lines, to boost or interface the voltage of the DC bus, connected to the second electrical power source.
  • the second terminal 20 of the second electrical power source S2 forms the junction point of the voltage transformation module.
  • the assembly circuit CM represented by the frame on the right in dashed lines is here constituted by the fourth switching arm G as described, by the second inductor 1 1 connected to the intermediate point Ph d of the fourth switching arm G and by the first power source S1.
  • one of the first and second electrical power sources may be an electrochemical electrical energy storage means such as a battery and the other of the first and second electrical power sources may be a fuel cell. , a supercapacitor or a photovoltaic panel.
  • the first and second electrical power sources can be of two different types among an electrochemical storage means such as a battery, a fuel cell, a supercapacitor and a photovoltaic panel.
  • the combination of a fuel cell with a battery makes it possible to manage the electrical energy which passes to the load according to operating modes adapted to the technology of the storage devices.
  • the stack Fuel can deliver average power to the load while the battery can be used as a power buffer, i.e. to deliver dynamic power peaks.
  • the system can operate in different operating situations and is able to adapt to different energy sources.
  • the switching devices can each comprise a transistor and a diode in parallel.
  • the opening and closing of the transistor can be controlled by an electronic control means.
  • the transistor has a unidirectional direction of current flow when it is in the closed position.
  • a diode is added in parallel to allow the current to flow in the direction opposite to that of the on direction in the transistor.
  • the transistors (which are controlled switches) of the switching devices can be switches of the MOSFET type (acronym for "Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor” which translates to field effect transistor metal-oxide-semiconductor structure) and/or IGBT (insulated gate bipolar transistor) MOSFETs may in particular be SiC (silicon carbide) or GaN HEMT ( High electron mobility transistor” in Gallium Nitride).
  • control system can be configured to control the switching elements of each of the N switching arms in opposite manner, the opening of one of the two switching elements in series of each switching arm involving the closing of the other of said two switching elements in series of this switching arm.
  • the openings/closings of one of the switching elements of the same switching arm are complementary to the openings/closings of the other of the switching elements of this same switching arm.
  • the switches (the transistors for example) of the switching elements, the switching elements and the switching devices can be controlled by a method of pulse width modulation (PWM or in English PWM for "Pulse Width Modulation” ).
  • PWM pulse width modulation
  • the general principle of this modulation method is that by applying a succession of discrete states for well-chosen durations, any intermediate value can be obtained on average over a certain duration.
  • the conversion system can comprise a control system for controlling the openings/closings of the switching elements and for controlling the openings/closings of the switching elements as a function of the states of the switching elements.
  • the states of the switching elements are not decoupled (or uncorrelated) from the states of the switching elements but on the contrary are dependent on the states of the switching elements (or correlated to these states).
  • the opening and closing states of the switching elements depend on the opening and closing states of the switching elements.
  • the control system can be configured to control the closing of the switching elements of the switching branches connected to a midpoint of one of the switching arms when the switching element of this arm switching element connected to ground is closed or when the switching elements of the N switching arms (therefore of all the switching arms) connected to ground are open.
  • the two switching elements of a switching branch connected to the midpoint of a switching arm are controlled in closing:
  • control system can be configured to control the closing of the switching devices of the switching branches connected to a midpoint of one of the switching arms only in the following cases:
  • control system only closes the switching device of the branch connected to a certain midpoint:
  • control system keeps the switching device open, in particular when the switching element connected to the ground of the branch connected at some midpoint is open and another switching element connected to ground (from another branch) is closed.
  • control system makes it possible to control both the openings and the closings of the switching elements.
  • the system when N is equal to three for a three-phase electric load, the system can have seven states of charge of the inductor and a single state of discharge of the inductor which corresponds to the mode where the switching elements are open when all three switching elements of the three switching arms connected to ground are open.
  • the zero conversion system control sequence corresponds to the instants of the conversion system control during which no differential current flows to the electrical load.
  • the power taken from the electrical power sources is therefore zero during these sequences.
  • a first zero sequence is obtained when the switching elements connected to the positive terminal of the switching arms are all closed (and therefore the switching elements connected to ground are all open, the switching elements of the same arm being complementary ).
  • a second null sequence is obtained when the switching elements connected to ground are all closed (and therefore the switching elements connected to the positive terminal of the switching arms are all open).
  • FIGS. 4 and 5 illustrate, schematically and without limitation, the 8 possible states of the electric power conversion system according to the embodiment of FIG. 2 and according to an example of control configuration of the control system.
  • Figure 4 illustrates four possible states (diagram a), b) c) and d)) and Figure 5 illustrates the other four possible states (diagram a), b), c), d)).
  • the arrow(s) indicate the passage of the current in the different arms/branches. By convention, the current does not flow in the other branches/arms (one of the switches preventing the passage of current).
  • the switching elements of the same switching arm are controlled in a complementary manner:
  • K a 1 and K a 2 are open, the other of K a 1 and K a 2 is closed.
  • K b 1 and K b 2 is open, the other of K b 1 and K b 2 is closed.
  • K C 1 and K c 2 If one of K C 1 and K c 2 is open, the other of K C 1 and K c 2 is closed.
  • switching elements K m 1 , K n 1 , K m 2 , K n 2 , K m 3 , K n 3 are controlled according to the states of the switching elements of the switching arm by which the branch on which they happen to be connected via the midpoint. Switching devices K m 1 and K n 1 are closed when:
  • K a 2 , K b 2 and K c 2 are all three open simultaneously (diagram d) of figure 5).
  • K a 2 , K b 2 and K c 2 are all three open simultaneously (diagram d) of figure 5).
  • Switching devices K m 3 and K n 3 are closed when:
  • K a 2 , K b 2 and K c 2 are all three open simultaneously (diagram d) of figure 5).
  • Diagrams c) and d) of Figure 5 correspond to zero sequence states where no energy is transferred or recovered from the electric charge M.
  • diagrams a), b), c) and d) of FIG. 4 as well as the diagrams a), b) and c) of FIG. 5 correspond to states of charge of the first inductor 10.
  • Diagram d) of the Figure 5 corresponds only to the discharge state of the first inductor 10, which corresponds to a charge state of the capacitor 12.
  • FIG. 6 illustrates, schematically and without limitation, the generation of the commands of the switching elements K m 1 and K n 1 according to the states of the switching elements of K a 1 , K b 1 and K b 2 , such that previously described and corresponding to the commands of figures 4 and 5.
  • Switching devices K m 1 and K n 1 are closed when:
  • K a 2 , K b 2 and K c 2 are all three open simultaneously (diagram d) of figure 5) which by complementarity corresponding to a state where the switching elements K a 1 , K b 1 and Kc 1 are simultaneously closed.
  • a command equal to 1 corresponds to a closed state and a command equal to zero corresponds to an open state.
  • the three upper graphs show the control states C1 of the switching elements respectively of K b 1 , K C 1 and K a 1 of Figures 4 and 5 as a function of time T.
  • the lower graph shows the control states C2 of the switching elements K m 1 and K n 1 of FIGS. 4 and 5 as a function of the time T. It is observed that the switching elements K m 1 and K n 1 are closed only when the three switches K a 1 , K b 1 and K C 1 are closed simultaneously (Sit1) or when K a 1 is open (Sit2).
  • the curves K m 1 and K n 1 are merged.
  • FIG. 7 illustrates, schematically and without limitation, the generation of the commands of the switching elements K m 1 and K n 1 as a function of the states of the switching elements of K a 1 , K b 1 and K c 1 , such that previously described and corresponding to the commands of figures 4 and 5.
  • Switching devices K m 1 and K n 1 are closed when:
  • K a 2 , K b 2 and K c 2 are all three open simultaneously (diagram d) of figure 5) which by complementarity corresponding to a state where the switching elements K a 1 , K b 1 and K C 1 are closed simultaneously.
  • a command equal to 1 corresponds to a closed state and a command equal to zero corresponds to an open state.
  • the three upper graphs show the control states C1 of the switching elements respectively K a 1 , K b 1 and K C 1 of Figures 4 and 5 as a function of time T.
  • the fourth graph shows the control states C2 of the switching members K m 1 and K n 1 of FIGS. 4 and 5 as a function of the time T.
  • the curves K m 1 and K n 1 coincide. It is observed that the switching members K m 1 and K n 1 are closed only when the three switches K a 1 , K b 1 and K C 1 are closed simultaneously (Sit1) or when K a 1 is open (Sit2).
  • FIG. 7 differs from FIG. 6 in that the sequences of changes of state of the switching elements K a 1 , K b 1 and K C 1 are not regularly distributed at regular intervals as is the case in FIG. 6. Indeed, in figure 7, the duration for which the three switching elements K a 1 , K b 1 and K C 1 are closed is longer than that for which K a 1 alone is closed, itself longer than that where K a 1 and K b 1 are simultaneously closed.
  • the lower graph represents the current II in the first inductor as a function of time T. It results from the different control states of the switching elements and the switching members.
  • the discharge of the first inductor DCh takes place only when the three switching elements K a 1 , K b 1 and K C 1 are closed (consequently, K a 2 , K b 2 and K c 2 are open and all the switching elements switches are closed).
  • the charging of the first inductor Ch takes place in all the other control states.
  • the conversion system according to the invention makes it possible to control electrical machines, for all types of application, in particular for electrical machines rotating at very high speeds with a high efficiency of the conversion system (converter).
  • the conversion system according to the invention can be provided for on-board use, in particular within a vehicle, in particular land, aeronautical or naval.
  • the invention also relates to a drive system comprising at least one means of electrochemical storage of electrical energy (such as a battery), a fuel cell and a multi-phase, preferably three-phase, electrical machine.
  • the drive system comprises an electrical power conversion system as described above for converting electrical energy from the electrochemical electrical energy storage means and/or the fuel cell into multi-phase alternating electrical energy for the machine multi-phase electric (preferably three-phase).
  • the electrochemical electrical energy storage means a battery in particular
  • the multi-phase electrical charge which then acts as an electrical generator.
  • the invention also relates to a vehicle comprising a drive system as described previously or an electric power conversion system as presented previously.
  • the conversion system and the drive system according to the invention are also suitable for all on-board or stationary applications.
  • the switching elements, the switching elements and the switching devices can be switches. The purpose of distinguishing their terminology in this text is to distinguish these elements according to their position in the system.
  • the conversion system of FIG. 2 according to the invention has been modeled with a first power supply of DC voltage of 80V and a second power supply of DC voltage of 30V.
  • the electric load is a three-phase electric machine with a power of 10 kW and 400A.
  • the first source of electrical power is a so-called “power buffer” source. It makes it possible to generate the transient power and thus has a dynamic effect.
  • the second source of electrical power is a so-called “energy” source. It provides average power, with low transients. It is the inductive current of the second supply source which is regulated via the commands of the switching devices.
  • the results of the numerical simulations are given in figure 8 and present the power distribution between the first electrical power source and the second electrical power source according to the energy management strategy considered as an example.
  • the graph also shows the three-phase currents ia, ib, ic of the three-phase electric machine, obtained here for a speed of rotation of the electric machine of 5000 revolutions/min with four pairs of poles.
  • Pm represents the power of the three-phase electrical machine; PS1, the power of the first power source and PS2, the power of the second power source.
  • the curves represent the variation of power P1 in W as a function of time T in seconds.
  • the first power source acts as a power buffer with faster dynamics
  • the second power source acts as an energy source with slower dynamics.
  • the invention therefore makes it possible to obtain the expected power of the electrical machine, by optimizing the role of each of the electrical power sources.
  • the role of each of the two power sources could be reversed, with the first power source then acting as a power source and the second power source acting as a power buffer.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

L'invention concerne un système de conversion de puissance électrique comprenant N bras de commutation (A, B, C) et un circuit de montage (CM) d'une première source (S1 ), chacun des N bras de commutation (A, B, C) comprenant deux éléments de commutation en série (Ka 1, Ka 2, Kb 1, Kb 2, Kc 1, Kc 2) et connectés entre eux en un point milieu (Pha, Phb, Phc). Chaque point milieu (Pha, Phb, Phc) de chacun des bras de commutation (A, B,C) forme une phase pour la connexion à une charge électrique (M) et le système de conversion de puissance comprend une capacité (12) montée en parallèle des bras de commutation (A, B, C). De plus, le système de conversion de puissance comprend un module de transformation (MT) de la tension entre un point de jonction pour la connection à une borne d'une deuxième source (S2) et à chacun des N points milieux (Pha, Phb, Phc), ce module (MT) comprenant un inducteur (10) et un circuit de N branches de commutation (D, E, F) en parallèle, chacune comprenant deux organes de commutation (Km 1, Km 2, Km 3, Kn 1, Kn 2, Kn 3) montés en tête bêche.

Description

CONVERTISSEUR D’ENERGIE ELECTRIQUE APTE A ETRE CONNECTE A DEUX
SOURCES D’ALIMENTATION ET APTE A LA RECUPERATION D’ENERGIE
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine des convertisseurs pour la conversion de l’énergie électrique, notamment pour l’alimentation des machines électriques multi-phasées.
Technique antérieure
Un convertisseur statique est un système permettant de convertir un signal électrique en un autre signal électrique possédant des caractéristiques différentes. Par exemple, un convertisseur peut permettre de convertir une tension alternative en une autre tension alternative avec une fréquence et/ou une amplitude différente, on parle alors de convertisseur alternatif/alternatif ou AC/AC. Selon un autre exemple, un convertisseur peut permettre de convertir une tension alternative en une tension continue, on parle alors de convertisseur alternatif/continu ou AC/DC (aussi appelé redresseur). Pour la conversion inverse continu/alternatif, on parle de convertisseur DC/AC, aussi appelé onduleur. Selon un dernier exemple, un convertisseur peut convertir une tension continue en une tension continue de tension différente, on parle alors de convertisseur DC/DC. Les convertisseurs peuvent être réversibles ou non réversibles. Généralement, la conversion est mise en oeuvre au moyen de commutateurs (interrupteurs) commandés.
Pour piloter des machines électriques, par exemple pour des machines électriques à aimants permanents, des machines synchro réluctantes ou des machines synchrones, à partir de système(s) de stockage d’énergie électrique (par exemple une batterie), il est nécessaire de convertir l’énergie électrique continue en énergie alternative multi-phasée. Cette conversion peut être réalisée au moyen d’un convertisseur DC/AC. Pour l’exemple d’une machine électrique triphasée, un tel convertisseur doit fournir trois tensions électriques sinusoïdales déphasées de 120° les unes par rapport aux autres, et dont l’amplitude dépend directement du couple demandé (et du régime de rotation), et dont la fréquence dépend uniquement du régime de rotation de la machine électrique reliée au convertisseur.
Classiquement, un convertisseur DC/AC comprend trois bras de commutations. Chaque bras de commutation comporte deux commutateurs commandés et deux diodes placées en parallèle des commutateurs commandés, les diodes pouvant être intrinsèquement intégrés au commutateur pour des commutateurs de type MOSFET (acronyme anglais de « Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor » qui se traduit par transistor à effet de champ à structure métal-oxyde-semi-conducteur), par exemple des MOSFET SiC (carbure de silicium) ou GaN HEMT (HEMT pour l’acronyme anglais de « High electron mobility transistor » qui se traduit par transistor à haute mobilité électronqiue, GaN signifiant en Nitrure de Gallium). En fonction du courant de charge demandé, un bras peut être composé de plusieurs ‘sous bras’ en parallèle. Les phases de la machine électrique sont reliées au point milieu de chaque bras. On commande chaque bras séparément en pilotant l’ouverture et la fermeture des commutateurs sur des périodes de découpage, de manière à former un signal triphasé.
La figure 1 illustre un tel convertisseur classique DC/AC. La tension continue du moyen de stockage d’énergie électrique est indiquée Udc. Le moteur triphasé M est représenté schématiquement par trois bobines, alimentées respectivement par les courants la, Ib et le. Le convertisseur comporte trois bras de commutation A, B, C, chaque bras de commutation A, B, C est relié à une phase de la machine électrique M. Chaque bras de commutation comporte deux commutateurs 1 et deux diodes 2. Les bras de commutation A, B, C sont disposés en parallèle, entre les deux bornes d’entrée continues du convertisseur de tension Udc. Les phases de sortie des bras de commutation A, B, C sont reliées au point milieu (entre les deux commutateurs) des bras de commutation.
On connait également la demande de brevet US2014/01 17 770 A1 qui permet de connecter plusieurs sources électriques à un même convertisseur. Toutefois, pour cette solution, il n’y a pas deux sources indépendantes mais deux niveaux de tension issus d’une même source. En outre, la conversion DC/DC pour passer d’une source à l’autre est indépendante du convertisseur et de ce fait, le rendement de l’ensemble est relativement bas.
On connait également la demande de brevet US201 1/1 15 294 AA qui concerne un convertisseur pour connecter plusieurs sources. Toutefois, l’architecture proposée ne permet pas la récupération d’énergie pour recharger au moins une source et elle ne permet pas le pilotage de connexion/déconnexion des différentes sources
Ainsi, l’objet de l’invention consiste à concevoir un système de conversion d’énergie électrique apte à être connecté à deux sources alternativement ou simultanément, à augmenter le rendement du système et à permettre la recharge d’au moins une des sources et de préférence de permettre la recharge des deux sources.
Résumé de l’invention
Pour se faire, l’invention concerne un système de conversion de puissance électrique comprenant N bras de commutation en parallèle d’un circuit de montage d’une première source d’alimentation électrique, N étant supérieur ou égal à trois et de préférence égal à trois, chacun des N bras de commutation comprenant au moins deux éléments de commutation en série et connectés entre eux en un point milieu, les éléments de commutation étant pilotables en ouverture et en fermeture et réversibles, chaque point milieu de chacun des N bras de commutation formant une phase pour la connexion à une charge électrique multi-phasée, le système de conversion de puissance comprenant une capacité montée en parallèle desdits N bras de commutation. De plus, le système de conversion de puissance comprend un module de transformation de la tension entre un point de jonction destiné à être connecté à une borne d’une deuxième source d’alimentation électrique et à chacun des N points milieux, le module de transformation comprenant un premier inducteur connecté audit point de jonction et à un circuit comprenant N branches de commutation en parallèle, chaque branche de commutation comprenant deux organes de commutation en série et étant connectée à un point milieu distinct d’un des N bras de commutation, chacun desdits organes de commutation étant pilotable en ouverture et en fermeture et réversible, les deux organes de commutation d’une même branche étant montés en tête bêche.
De préférence, les éléments de commutation des N bras de commutation comprennent chacun un transistor et une diode montés en parallèle.
Préférentiellement, chaque organe de commutation comprend un transistor et une diode montés en parallèle.
Avantageusement, le circuit de montage comprend la première source d’alimentation électrique, de préférence de tension continue.
De manière avantageuse, le système de conversion comprend ladite deuxième source d’alimentation électrique, de préférence de tension continue, connectée entre ledit premier inducteur et la masse.
Selon une configuration de l’invention, la première source d’alimentation électrique et la deuxième source d’alimentation électrique sont de nature différente et/ou de tension différente. Selon une variante de l’invention, l’une desdites première et deuxième sources d’alimentation électrique est un moyen de stockage électrochimique d’énergie électrique tel qu’une batterie, et pour lequel l’autre desdites première et deuxième sources d’alimentation électrique est une pile à combustible.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la première source d’alimentation électrique est directement connectée en parallèle desdits N bras de commutation.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, le circuit de montage comprend un bras de commutation supplémentaire en parallèle desdits N bras de commutation, ledit bras de commutation supplémentaire comprenant au moins deux dispositifs de commutation en série et connectés entre eux par un point intermédiaire, les dispositifs de commutation étant pilotables en ouverture et en fermeture et réversibles, un deuxième inducteur étant connecté entre le point intermédiaire et un point de connexion destiné à être connecté à une borne de la première source d’alimentation électrique. Avantageusement, ladite première source d’alimentation électrique, de préférence de tension continue, est connectée entre le point de connexion et la masse.
Selon une configuration avantageuse, le système de conversion comprend un système de commande pour piloter les ouvertures/fermetures des éléments de commutations et pour piloter les ouvertures/fermetures des organes de commutation en fonction des états des éléments de commutation.
Préférentiellement, le système de commande est configuré pour commander la fermeture des organes de commutation des branches de commutation reliés à un point milieu d’un des bras de commutation lorsque l’élément de commutation de ce bras de commutation connecté à la masse est fermé ou lorsque les éléments de commutation des Ns bras de commutation connectés à la masse sont ouverts.
Selon une mise en oeuvre, le système de commande est configuré pour commander les éléments de commutation de chacun des N bras de commutation de manière opposée, l’ouverture d’un des deux éléments de commutation en série de chaque bras de commutation impliquant la fermeture de l’autre desdits deux éléments de commutation en série de ce bras de commutation.
L’invention concerne également un système d’entraînement comprenant au moins un moyen de stockage électrochimique d’énergie électrique tel qu’une batterie, une pile à combustible et une machine électrique multi-phasée, de préférence triphasée, le système d’entraînement comprenant un système de conversion de puissance électrique tel que décrit précédemment pour convertir l’énergie électrique dudit moyen de stockage électrochimique d’énergie électrique et/ou de ladite pile à combustible en énergie électrique alternative multi-phasée pour ladite machine électrique multi-phasée ou inversement.
En outre, l’invention concerne aussi un véhicule comprenant un système d’entraînement tel que décrit ou un système de conversion de puissance tel que décrit.
Liste des figures
D'autres caractéristiques et avantages du dispositif et/ou du système selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
La figure 1 , déjà décrite, représente un convertisseur DC/AC classique selon l’art antérieur.
La figure 2 représente un premier mode de réalisation d’un système de conversion de puissance électrique selon l’invention. La figure 3 représente un deuxième mode de réalisation d’un système de conversion de puissance électrique selon l’invention.
La figure 4 représente quatre états possibles du système de conversion de la figure 2 selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 5 représente les quatre autres états possibles du système de conversion de la figure 2 selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 6 représente des courbes donnant les états des éléments de commutation et les
La figure 7 représente les courbes des états des éléments de commutation, des états des organes de commutation en fonction des états des éléments de commutation, ainsi que le courant dans le premier inducteur.
La figure 8 représente un exemple de gestion d’énergie des première et deuxième source d’alimentation électrique pour entraîner une machine électrique au moyen du système selon un mode de réalisation de l’invention.
Description des modes de réalisation
L’invention concerne un système de conversion de puissance électrique (un convertisseur par exemple), notamment un convertisseur DC/AC (aussi appelé onduleur ou variateur), comprenant N bras de commutation en parallèle d’un circuit de montage d’une première source d’alimentation électrique, N étant supérieur ou égal à trois et de préférence égal à trois. Le circuit de montage est un circuit sert à connecter la première source d’alimentation électrique au système de conversion de puissance électrique. Chacun des N bras de commutation comprend au moins deux éléments de commutation (des commutateurs par exemple) en série connectés entre eux en un point milieu. Chaque point milieu de chacun des N bras de commutation forme une phase pour la connexion à une charge électrique multi- phasée (un moteur électrique par exemple). Lorsque N est égal à trois, la charge électrique est une charge triphasée. Les N bras de commutation servent à générer N phases pour l’alimentation multi-phasée d’une charge électrique. Les éléments de commutation sont pilotables en ouverture et en fermeture et réversibles (en courant) pour permettre le contrôle du passage du courant dans chacune des phases. De manière connue, la commande des éléments de commutation permet de générer une tension alternative. Les phases de sortie alternatives du système de conversion sont reliées au point milieu de chaque bras de commutation, c’est-à-dire entre les deux éléments de commutations d’un même bras de commutation.
De plus, le système de conversion de puissance comprend une capacité, tel qu’un condensateur, montée en parallèle des N bras de commutation. Cette capacité permet de lisser les fluctuations de tension. La tension aux bornes de la capacité est appelée tension du bus continu et correspond à la tension aux bornes des N bras de commutation.
Selon l’invention, le système de conversion de puissance comprend en outre un module de transformation de la tension entre un point de jonction destiné à être connecté à une borne d’une deuxième source d’alimentation électrique et chacun des N points milieux. Le module de transformation est un circuit permettant de connecter une deuxième source d’alimentation électrique aux bras de commutation et d’adapter le courant et la tension. Le module de transformation comprend un premier inducteur et N branches de commutation. Le module de transformation comprend un premier inducteur connecté audit point de jonction permettant de surélever la tension de la deuxième source d’alimentation pour alimenter la charge électrique multi-phasée (triphasée si N est égal à trois) et pour permettre la connexion à la première source d’alimentation dont le niveau de tension est différent de celui de la deuxième source d’alimentation. L’inducteur est également connecté à un circuit comprenant N branches de commutation en parallèle, chaque branche de commutation comprenant deux organes de commutation en série et chaque branche de commutation étant connectée à un point milieu distinct d’un des N bras de commutation. Autrement dit, les N branches de commutation sont connectées aux N points milieux des bras de commutation, chaque branche de commutation étant connectée à un point milieu distinct des autres branches de commutation. Le premier inducteur et les N branches de commutation constituent un étage DC/DC dit « Boost » permettant de surélever la tension de la deuxième source d’alimentation électrique pour la rendre compatible avec la tension d’alimentation de la charge électrique et avec le niveau de tension de la première source.
Dans la présente demande, les termes « bras de commutation » et « éléments de commutation » sont donc associés à la première source d’alimentation électrique, et les termes « branches de commutation » et « organes de commutation » sont donc associés à la deuxième source d’alimentation électrique. Bien que les termes soient différents, leurs composants peuvent être du même type ou de type différent.
De ce fait, le système de conversion comprend un onduleur pour transformer une source de tension continue en tension alternative (et inversement) et un module DC/DC apte à surélever la tension d’une des sources : l’onduleur et le module DC/DC ne sont pas indépendants l’un de l’autre mais sont au contraire intégrés dans un seul et même étage de conversion. De ce fait, le rendement de l’étage DC/DC n’est pas indépendant de celui de l’onduleur. Cette architecture imbriquée de l’étage DC/DC et de l’onduleur permet ainsi d’augmenter le rendement du système de conversion de puissance électrique et de mutualiser les fonctions électriques des convertisseurs DC/DC et DC/AC.
Lorsque la première source d’alimentation électrique est déconnectée (physiquement), le système de conversion agit comme un onduleur avec un étage DC/DC de type « Boost » apte à surélever la tension du bus continu pour la rendre compatible avec la tension d’alimentation de la charge électrique multi-phasée.
De plus, chacun des organes de commutation est pilotable en ouverture et en fermeture et réversible et les deux organes de commutation d’une même branche sont montés en tête bêche. Par « organes de commutation montés en tête bêche », on entend que les organes de commutation sont montés en sens inverse (ou opposé) : par exemple, lorsque les organes de commutation sont des IGBT, les deux organes de commutation d’une même branche de commutation peuvent être montés de manière à avoir leurs collecteurs communs ou leurs émetteurs communs ; lorsque les organes de commutation sont des MOSFET, les deux organes de commutation d’une même branche de commutation peuvent être montés de manière à avoir leurs drains communs ou leurs sources communes. Pouvoir contrôler l’ouverture et la fermeture des organes de commutation permet de connecter ou non la deuxième source d’alimentation électrique et de la protéger en permettant une déconnexion électrique totale de la deuxième source, sans nécessiter de déconnexion physique de cette deuxième source d’alimentation électrique. De plus, comme les organes de commutation sont réversibles, il est possible de récupérer l’énergie de la charge électrique pour recharger la deuxième source d’alimentation électrique. Par ailleurs, en commandant les deux organes de commutation d’une même branche de la même manière (tous les deux ouverts ou tous les deux fermés), l’architecture peut être totalement réversible vis-à-vis de la deuxième source d’alimentation électrique. En commandant les deux organes de commutation d’une même branche de manière indépendante l’un de l’autre (à certains moments à minima l’un peut être fermé et l’autre ouvert), l’architecture peut ne plus être rendue réversible, ce qui peut être utile lorsqu’il n’est pas possible de recharger la deuxième source d’alimentation électrique (une pile à combustible ou un panneau photovoltaïque par exemple).
En outre, monter les deux organes de commutation d’une même branche de commutation en tête bêche permet d’ajouter des modes de charge ou de décharge inductive en dehors des états de séquence nulles de la commande des N bras de commutation.
Le système de conversion selon l’invention comporte ainsi N bras de commutation, de préférence trois bras de commutation, un module de transformation de la tension avec N branches de commutation (de préférence trois branches lorsque le système comprend trois bras de commutation), deux phases (ou bornes) d’entrée continue, chaque phase d’entrée continue correspondant à l’une des deux sources d’alimentation électrique, et N phases de sorties alternatives pour la sortie (ou l’entrée) multi-phasée (trois phases de sorties alternatives pour la sortie triphasée).
La masse (ou référence de potentiel) peut être avantageusement connectée à une borne de la première source d’alimentation électrique et à une borne de la deuxième source d’alimentation électrique
Le système de conversion selon l’invention permet une conversion de l’énergie électrique. Il peut permettre de convertir une tension alternative en une tension continue, on parle alors de redresseur, convertisseur alternatif/continu ou AC/DC. Il peut aussi permettre la conversion inverse en transformant une tension continue en tension alternative : on parle alors d’onduleur ou de variateur ou convertisseur DC/AC. Enfin, le système de conversion selon l’invention peut convertir une tension continue en une tension continue de tension différente, on parle alors de convertisseur DC/DC. En outre, les systèmes de conversion selon l’invention sont réversibles en courant (le courant électrique peut circuler dans les deux sens dans un système dit réversible).
La charge électrique désigne tout système utilisant de l’énergie électrique ou permettant la récupération de l’énergie électrique pour recharger au moins l’une des deux sources d’alimentation électrique. La charge électrique peut être une machine électrique tel qu’un moteur électrique, un générateur électrique, une charge résistive, un réseau électrique, etc.
Le système de conversion selon l’invention est particulièrement avantageux car il permet plusieurs modes de pilotage :
- Avec seulement la première source d’alimentation électrique connectée : dans ce cas, le mode de pilotage correspond à un onduleur de tension simple ;
- Avec seulement la deuxième source d’alimentation électrique connectée : dans ce cas, le mode de pilotage correspond à un onduleur de tension simple avec un étage de conversion DC/DC qui permet de surélever la tension. Ce type de fonctionnement est intéressant lorsque la tension continue de la deuxième source d’alimentation électrique est inférieure à la tension d’alimentation de la charge électrique multi-phasée.
Avec une connexion simultanée aux première et deuxième source d’alimentation électrique qui peuvent être de nature différente et/ou de tension différente. La première source d’alimentation électrique correspond à la source principale et la deuxième source d’alimentation électrique correspond à une source auxiliaire qui sert de soutien à la source principale. Bien évidemment, ce pourrait également être l’inverse.
Un mode de récupération de l’énergie issue de la charge électrique multi-phasée en direction de la première et/ou de la deuxième source d’alimentation électrique. Un mode où la première source d’alimentation électrique permet la recharge de la deuxième source d’alimentation, ou inversement, sans énergie provenant de la charge électrique multi-phasée.
Lorsque tous les organes de commutation du système de conversion sont ouverts, la deuxième source d’alimentation électrique est alors déconnectée électriquement du système de conversion. Le système de conversion fonctionne alors comme un onduleur simple. Ce mode de pilotage peut permettre de protéger ou préserver la deuxième source d’alimentation électrique. Il permet de solliciter ou non la deuxième source d’alimentation électrique simultanément avec la première source d’alimentation électrique.
De préférence, les éléments de commutation des N bras de commutation peuvent comprendre chacun un transistor et une diode montés en parallèle. Le transistor est un interrupteur dont l’ouverture et la fermeture sont pilotables par un moyen de commande électronique. Pour des éléments de commutation de type IGBT (transistor bipolaire à grille isolée de l’anglais « Insulated Gate Bipolar Transistor »), le transistor a un sens de passage du courant unidirectionnel lorsqu’il est en position fermée. Pour rendre l’élément de commutation réversible, une diode est ajoutée en parallèle pour permettre le passage du courant dans le sens opposé à celui du sens passant dans le transistor. Pour d’autres éléments de commutation, tels que des MOSFET, comme des MOSFET SiC ou GaN HEMT, la diode est intrinsèquement existante dans le composant et les composants fonctionnent dans les deux sens quand ils sont fermés.
Avantageusement, chaque organe de commutation peut comprendre un transistor et une diode montés en parallèle. Ainsi, l’ouverture et la fermeture du transistor sont pilotables par un moyen de commande électronique. Le transistor a un sens de passage du courant unidirectionnel lorsqu’il est en position fermée. Pour rendre l’élément de commutation réversible, une diode est ajoutée en parallèle pour permettre le passage du courant dans le sens opposé à celui du sens passant dans le transistor.
L’utilisation de deux organes de commutation en série sur chaque branche de commutation et composés chacun d’un transistor et d’une diode et montés en tête bêche permet de rendre les trois branches de commutation activement pilotable et complètement réversibles en courant.
Conformément à une caractéristique de l’invention, les transistors (qui sont des interrupteurs commandés) des organes de commutation et/ou les transistors des éléments de commutation peuvent être des commutateurs de type MOSFET (acronyme anglais de « Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor » qui se traduit par transistor à effet de champ à structure métal-oxyde-semi-conducteur) et/ou IGBT (transistor bipolaire à grille isolée de l’anglais « Insulated Gate Bipolar Transistor »). Les MOSFET peuvent notamment être des MOSFET SiC (carbure de silicium) ou GaN HEMT (« High electron mobility transistor » en Nitrure de Gallium).
Selon une configuration de l’invention, le circuit de montage peut comprendre uniquement la première source d’alimentation électrique directement connectée en parallèle des N bras de commutation. En d’autres termes, les bornes de la première source d’alimentation sont connectées directement à chaque extrémité des bras de commutation (et donc de la capacité). En d’autres termes, la première source d’alimentation électrique est connectée au bus continu. Cette solution est par exemple adaptée lorsque la première source d’alimentation électrique a une tension suffisante pour le fonctionnement de la charge électrique multi-phasée.
La figure 2 illustre, de manière schématique et non limitative un premier mode de réalisation du système de conversion selon l’invention.
Le système présenté comprend un système de conversion, deux sources d’alimentation électriques S1 et S2 et une charge électrique triphasée M.
Le système de conversion comprend trois bras de commutation A, B, et C en parallèle de la première source d’alimentation S1 . La masse est connectée à une première borne 23 de la première source d’alimentation S1 , aux premières extrémités des trois bras de commutation A, B et C et à la première borne 21 de la deuxième source d’alimentation S2. La deuxième borne 22 de la première source d’alimentation S1 est connectée aux autres extrémités des trois bras de commutation A, B et C.
Un condensateur 12 est également monté en parallèle de la première source d’alimentation S1 et des trois bras de commutation A, B et C entre la masse et la deuxième borne 22 de la première source d’alimentation S1 .
Les trois bras de commutation A, B, C comprennent chacun un demi-bras supérieur et un demi-bras inférieur montés en série l’un par rapport à l’autre et connectés entre eux par un point milieu, respectivement Pha, Phb et Phc.
Les demi-bras supérieurs de chacun des trois bras de commutation A, B et C comprennent chacun, entre le point milieu Pha, Phb, Phc et la deuxième borne 22 de la première source d’alimentation électrique S1 un élément de commutation Ka1, Kb1, Kc1.
Les demi-bras inférieurs de chacun des trois bras de commutation A, B et C comprennent chacun, entre le point milieu Pha, Phb, Phc et la masse connectée à la première borne 23 de la première source d’alimentation électrique S1 un élément de commutation Ka2, Kb2, Kc2. Chaque élément de commutation Ka1, Ka2, Kb1, Kb2, Kc1 et Kc2 comprend un transistor (interrupteur commandable) et une diode montés en parallèle. Les transistors peuvent être des IGBT ou des MOSFET comme des MOSFET SiC ou des HEMT GaN par exemple.
Les points milieux Pha, Phb, et Phc sont connectés chacun à une phase de la charge électrique de manière à fournir ou à récupérer une énergie (ou puissance) électrique triphasée.
Par ailleurs, la deuxième borne 20 de la deuxième source d’alimentation électrique S2 est connecté à un inducteur 10, l’autre borne de l’inducteur étant connecté à un circuit comprenant trois branches de commutation D, E, F en parallèle. Chacune des trois branches de commutation D, E, F comporte deux organes de commutation, Km1, Kn1, Km2, Kn2, Km3, Kn3 qui sont composés chacun d’un transistor et d’une diode en parallèle. Les transistors peuvent être des IGBT ou des MOSFET, comme des MOSFET SiC ou des HEMT GaN par exemple. L’inducteur 10, la deuxième source d’alimentation électrique S2 et les trois branches de commutation D, E, F forment un module de transformation de la tension MT, représenté par le cadre à gauche en traits mixtes, pour surélever ou interfacer la tension du bus continu, connecté à la deuxième source d’alimentation électrique. La deuxième borne 20 de la deuxième source d’alimentation électrique S2 forme le point de jonction du module de transformation de la tension.
Le circuit de montage CM représenté par le cadre à droite en traits mixtes est ici constitué uniquement par la première source d’alimentation S1 .
Les deux organes de commutation montés en série sur une même branche de commutation D, E, F sont montés en tête bêche c’est-à-dire de manière inversée : par exemple, lorsque les organes de commutation sont des IGBT, les deux organes de commutation d’une même branche de commutation peuvent être montés de manière à avoir leurs collecteurs communs ou leurs émetteurs communs ; lorsque les organes de commutation sont des MOSFET, les deux organes de commutation d’une même branche de commutation peuvent être montés de manière à avoir leurs drains communs ou leurs sources communes .
La diode des organes de commutation Km1, Km2, Km3 est passante en sens opposé de la diode des organes de commutation Kn1, Kn2, Kn3 de la même branche de commutation.
Par exemple, si la deuxième source d’alimentation électrique S2 est une pile à combustible, il suffit d’appliquer une commande nulle aux transistors des organes de commutation Km1, Km2 et Km3 pour rendre non réversible l’architecture. Si la deuxième source d’alimentation électrique est une batterie, les commandes des organes de commutation Km1, Km2 et Km3 sont par exemple identiques aux commandes des organes de commutation Kn1, Kn2 et Kn3 pour rendre l’architecture totalement réversible.
Alternativement, le circuit de montage peut comprendre : - un bras de commutation supplémentaire (un (N+1 )-ème bras de commutation) en parallèle des N bras de commutation et le bras de commutation supplémentaire peut comprendre au moins deux dispositifs de commutation en série et connectés entre eux par un point intermédiaire,
- un deuxième inducteur, connecté au point milieu du bras de commutation supplémentaire, et
- la première source d’alimentation électrique connectée entre le deuxième inducteur et la masse du système de conversion.
Par exemple, si le système comprend trois bras de commutation et trois branches de commutation (donc si N est égal à trois), le circuit de montage peut comprendre un quatrième bras de commutation en parallèle des trois bras de commutation et le quatrième bras de commutation peut comprendre au moins deux dispositifs de commutation en série et connectés entre eux par un point intermédiaire. De plus, les dispositifs de commutation peuvent être pilotables en ouverture et en fermeture et réversibles et un deuxième inducteur peut être connecté entre le point intermédiaire et un point de connexion destiné à être connecté à une borne de la première source d’alimentation électrique. Il agit ainsi comme un étage DC/DC dit « Boost ». Cette architecture permet de surélever la tension de la première source d’alimentation, notamment lorsque la tension de la première source d’alimentation ne suffit pas à un fonctionnement normal et correct de la charge électrique multi-phasée.
De préférence, le circuit de montage peut comprendre la première source d’alimentation électrique, qui peut notamment être une source de tension continue, connectée entre le point de connexion et la masse, elle-même pouvant être connectée à une des deux bornes de la deuxième source d’alimentation électrique.
De manière avantageuse, le système de conversion peut comprendre la deuxième source d’alimentation électrique, qui peut notamment être une source de tension continue, connectée entre le premier inducteur du module de transformation de la tension, au niveau du point de jonction, et la masse (connectée à une borne de la première source d’alimentation électrique). Par l’utilisation du premier inducteur, il est possible de surélever la tension du bus continu pour interfacer la deuxième source d’alimentation électrique.
Le système de conversion ainsi constitué peut donc s’adapter à différentes sources d’alimentation électrique qui peuvent être connectées à la charge électrique de manière séparée ou simultanée. De plus, les sources peuvent être indépendantes l’une de l’autre et donc la première source d’alimentation électrique et la deuxième source d’alimentation électrique peuvent être de nature différente et/ou de tension différente. Par des sources de nature différente, on entend des sources d’alimentation de technologie différente qui ont des caractéristiques distinctes et indépendantes (tension, courant, durée de charge etc..). Par exemple, un panneau photovoltaïque, une batterie électrochimique, un supercondensateur ou une pile à combustible sont des sources différentes. De ce fait, le système de conversion offre une grande adaptabilité à différentes sources d’énergie et de multiples solutions de fonctionnement, et ce dans un espace réduit.
La figure 3 illustre, de manière schématique et non limitative un deuxième mode de réalisation du système de conversion selon l’invention.
Le système présenté comprend un système de conversion, deux sources d’alimentation électriques S1 et S2 et une charge électrique triphasée M.
Le système de conversion comprend trois bras de commutation A, B, et C et une première source d’alimentation S1 . La masse est connectée à une première borne 23 de la première source d’alimentation S1 , aux premières extrémités des trois bras de commutation A, B et C et à la première borne 21 de la deuxième source d’alimentation S2. La deuxième borne 22 de la première source d’alimentation S1 est connectée à un deuxième inducteur 11 qui est aussi connecté au point intermédiaire Phd d’un quatrième bras de commutation G. Le quatrième bras de commutation G est monté en parallèle des trois bras de commutation A, B et C et du condensateur 12. Le quatrième bras de commutation G comprend un demi-bras supérieur et un demi-bras inférieur montés en série l’un par rapport à l’autre et connectés entre eux par le point intermédiaire Phd.
Le demi-bras inférieur comprend un dispositif de commutation Kx 2 entre le point intermédiaire Phd et la masse connectée à la première borne 23 de la première source d’alimentation électrique S1.
Le demi-bras supérieur comprend un dispositif de commutation KX 1 entre le point intermédiaire Phd et l’autre extrémité du bras de commutation G (extrémité non connectée à la masse).
Les dispositifs de commutation KX 1 et Kx 2 comprennent chacun un transistor (interrupteur commandable) et une diode en parallèle. Les transistors peuvent être des IGBT ou des MOSFET, comme des MOSFET SiC ou des GaN HEMT par exemple.
Les trois bras de commutation A, B, C comprennent chacun un demi-bras supérieur et un demi-bras inférieur montés en série l’un par rapport à l’autre et connectés entre eux par un point milieu, respectivement Pha, Phb et Phc.
Les demi-bras inférieurs de chacun des trois bras de commutation A, B et C comprennent chacun, entre le point milieu Pha, Phb, Phc et la masse connectée à la première borne 23 de la première source d’alimentation électrique S1 un élément de commutation Ka 2, Kb 2, Kc 2.
Les demi-bras supérieurs de chacun des trois bras de commutation A, B et C comprennent chacun, entre le point milieu Pha, Phb, Phc et l’autre extrémité des bras de commutation A, B et C (extrémité non connectée à la masse) un élément de commutation Ka 1, Kb 1, Kc 1. Chaque élément de commutation Ka 1, Ka 2, Kb 1, Kb 2, KC 1 et Kc 2 comprend un transistor (interrupteur commandable) et une diode en parallèle. Les transistors peuvent être des IGBT ou des MOSFET, comme des MOSFET SiC ou des HEMT GaN par exemple.
Les points milieux Pha, Phb, et Phcsont connectés chacun à une phase de la charge électrique de manière à fournir ou à récupérer une tension électrique triphasée.
Par ailleurs, la deuxième borne 20 de la deuxième source d’alimentation électrique S2 forme un point de jonction du module de transformation MT de la tension qui est connecté à un inducteur 10, l’autre borne de l’inducteur étant connecté à un circuit comprenant trois branches de commutation D, E, F en parallèle. Chacune des trois branches de commutation D, E, F comporte deux organes de commutation, Km 1 , Kn 1 , Km 2, Kn 2, Km 3, Kn 3 qui sont composés chacun d’un transistor et d’une diode en parallèle. Les transistors peuvent être des MOSFET ou des IGBT.
Les deux organes de commutation montés en série sur une même branche de commutation D, E, F sont montés en tête bêche c’est-à-dire de manière inversée : la diode des organes de commutation Km 1, Km 2, Km 3 est passante en sens opposé de la diode des organes de commutation Kn 1, Kn 2, Kn 3 de la même branche de commutation.
L’inducteur 10, la deuxième source d’alimentation électrique S2 et les trois branches de commutation D, E, F forment un module de transformation de la tension MT, représenté par le cadre à gauche en traits mixtes, pour surélever ou interfacer la tension du bus continu, connecté à la deuxième source d’alimentation électrique. La deuxième borne 20 de la deuxième source d’alimentation électrique S2 forme le point de jonction du module de transformation de la tension.
Le circuit de montage CM représenté par le cadre à droite en traits mixtes est ici constitué par le quatrième bras de commutation G tel que décrit, par le deuxième inducteur 1 1 relié au point intermédiaire Phd du quatrième bras de commutation G et par la première source d’alimentation électrique S1.
De préférence, l’une des première et deuxième sources d’alimentation électrique peut être un moyen de stockage électrochimique d’énergie électrique tel qu’une batterie et l’autre des première et deuxième sources d’alimentation électrique peut être une pile à combustible, un supercondensateur ou un panneau photovoltaïque. Alternativement, les première et deuxième sources d’alimentation électrique peuvent être de deux types différents parmi un moyen de stockage électrochimique tel qu’une batterie, une pile à combustible, un supercondensateur et un panneau photovoltaïque. La combinaison d’une pile à combustible avec une batterie permet de gérer l’énergie électrique qui transite vers la charge selon des modes de fonctionnement adaptés à la technologie des organes de stockage. Par exemple, la pile à combustible peut fournir une puissance moyennée à la charge tandis que la batterie peut être utilisée en tampon de puissance, c’est-à-dire pour fournir des pics de puissance dynamiques. Ainsi, le système peut fonctionner dans différentes situations de fonctionnement et est capable de s’adapter à différentes sources énergétiques.
Selon une variante avantageuse de l’invention, les dispositifs de commutation peuvent comprendre chacun un transistor et une diode en parallèle. Ainsi, l’ouverture et la fermeture du transistor sont pilotables par un moyen de commande électronique. Le transistor a un sens de passage du courant unidirectionnel lorsqu’il est en position fermée. Pour rendre le dispositif de commutation réversible, une diode est ajoutée en parallèle pour permettre le passage du courant dans le sens opposé à celui du sens passant dans le transistor.
Conformément à une caractéristique de l’invention, les transistors (qui sont des interrupteurs commandés) des dispositifs de commutation peuvent être des commutateurs de type MOSFET (acronyme anglais de « Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor » qui se traduit par transistor à effet de champ à structure métal-oxyde-semi-conducteur) et/ou IGBT (transistor bipolaire à grille isolée de l’anglais « Insulated Gate Bipolar Transistor »), Les MOSFET peuvent notamment être des MOSFET SiC (carbure de silicium) ou GaN HEMT (« High electron mobility transistor » en Nitrure de Gallium).
Selon un mode de réalisation avantageux de l’invention, le système de commande peut être configuré pour commander les éléments de commutation de chacun des N bras de commutation de manière opposée, l’ouverture d’un des deux éléments de commutation en série de chaque bras de commutation impliquant la fermeture de l’autre desdits deux éléments de commutation en série de ce bras de commutation. En d’autres termes, les ouvertures/fermetures de l’un des éléments de commutation d’un même bras de commutation sont complémentaires des ouvertures/fermetures de l’autre des éléments de commutation de ce même bras de commutation. Ainsi, il est possible de transformer la tension continue en tension alternative et inversement.
De préférence, les commutateurs (les transistors par exemple) des éléments de commutation, des organes de commutation et des dispositifs de commutation peuvent être commandés par une méthode de modulation de largeur d’impulsion (MLI ou en anglais PWM pour « Puise Width Modulation »). Le principe général de cette méthode de modulation est qu'en appliquant une succession d'états discrets pendant des durées bien choisies, on peut obtenir en moyenne sur une certaine durée n'importe quelle valeur intermédiaire. Préférentiellement, le système de conversion peut comprendre un système de commande pour piloter les ouvertures/fermetures des éléments de commutations et pour piloter les ouvertures/fermetures des organes de commutation en fonction des états des éléments de commutation. Autrement dit, les états des organes de commutation ne sont pas découplés (ou décorrélés) des états des éléments de commutation mais au contraire sont dépendants des états des éléments de commutation (ou corrélés à ces états). Ainsi, les états d’ouverture et de fermeture des organes de commutations dépendent des états d’ouverture et de fermeture des éléments de commutations. De cette manière, on peut contrôler la charge et la décharge du premier inducteur, la décharge du premier inducteur correspondant à la charge de la capacité. Selon une mise en oeuvre de l’invention, le système de commande peut être configuré pour commander la fermeture des organes de commutation des branches de commutation reliés à un point milieu d’un des bras de commutation lorsque l’élément de commutation de ce bras de commutation connecté à la masse est fermé ou lorsque les éléments de commutation des N bras de commutation (donc de tous les bras de commutation) connectés à la masse sont ouverts. Ainsi, on commande en fermeture les deux organes de commutation d’une branche de commutation relié au point milieu d’un bras de commutation :
- Si l’élément de commutation de ce bras de commutation qui est connecté à la masse
(reliée à la deuxième source d’alimentation électrique et à la première source d’alimentation électrique) est fermé ;
- Ou si les éléments de commutation des N bras de commutation qui sont connectés à la masse (reliée à la première et à la deuxième sources d’alimentation électrique) sont ouverts.
De préférence, le système de commande peut être configuré pour commander la fermeture des organes de commutation des branches de commutation reliés à un point milieu d’un des bras de commutation uniquement dans les cas suivants :
- Soit lorsque l’élément de commutation de ce bras de commutation connecté à la masse est fermé .
- Soit lorsque les éléments de commutation des N bras de commutation (donc de tous les bras de commutation) connectés à la masse sont ouverts.
Ainsi, le système de commande ne ferme l’organe de commutation de la branche reliée à un certain point milieu uniquement :
- si l’élément de commutation reliée à la masse, sur le bras de commutation reliée à ce certain point milieu, est fermé ou
- si tous les éléments de commutation connectés à la masse sont ouverts.
Ainsi, dans tous les autres cas, le système de contrôle conserve l’organe de commutation ouvert, notamment lorsque l’élément de commutation reliée à la masse de la branche reliée au certain point milieu est ouvert et qu’un autre élément de commutation reliée à la masse (d’une autre branche) est fermé.
De ce fait, le système de commande permet de contrôler à la fois les ouvertures et les fermetures des organes de commutation.
Dans cette configuration, lorsque N est égal à trois pour une charge électrique triphasée, le système peut disposer de sept états de charge de l’inducteur et d’un seul état de décharge de l’inducteur qui correspond au mode où les organes de commutations sont ouverts lorsque les trois éléments de commutation des trois bras de commutation connectés à la masse sont ouverts.
Lorsque les N éléments de commutation des bras de commutation qui sont connectés à la masse (les N autres éléments de commutation des bras de commutation étant connectés au circuit de montage de la première source d’alimentation électrique) sont dans un même état, c’est-à-dire qu’ils sont tous ouverts ou qu’ils sont tous fermés, on parle de séquence nulle de commande.
La séquence nulle de commande du système de conversion correspond aux instants de la commande du système de conversion pendant lesquels aucun courant différentiel ne transite vers la charge électrique. La puissance prélevée sur les sources d’alimentation électrique est donc nulle pendant ces séquences. Une première séquence nulle est obtenue lorsque les éléments de commutation connectés à la borne positive des bras de commutation sont tous fermés (et donc que les éléments de commutations connectés à la masse sont tous ouverts, les éléments de commutation d’un même bras étant complémentaires). Une deuxième séquence nulle est obtenue lorsque les éléments de commutation connectés à la masse sont tous fermés (et donc que les éléments de commutation connectés à la borne positive des bras de commutation sont tous ouverts).
Les figures 4 et 5 illustrent, de manière schématique et non limitative, les 8 états possibles du système de conversion de puissance électrique selon le mode de réalisation de la figure 2 et suivant un exemple de configuration de contrôle du système de commande.
La figure 4 illustre quatre états possibles (schéma a), b) c) et d)) et la figure 5 illustre les quatre autres états possibles (schéma a), b), c), d)).
Sur les différents schémas, la ou les flèches indiquent le passage du courant dans les différents bras/ branches. Par convention, le courant ne passe pas dans les autres branches/bras (l’un des interrupteurs empêchant le passage du courant).
Selon l’exemple de contrôle du système de commande illustré, les éléments de commutation d’un même bras de commutation sont commandés de manière complémentaire :
- Si l’un de Ka 1 et Ka 2 est ouvert, l’autre de Ka 1 et Ka 2 est fermé. - Si l’un de Kb 1 et Kb 2 est ouvert, l’autre de Kb 1 et Kb 2 est fermé.
- Si l’un de KC 1 et Kc 2 est ouvert, l’autre de KC 1 et Kc 2 est fermé.
Par ailleurs, les organes de commutation Km 1, Kn 1, Km 2, Kn 2, Km 3, Kn 3 sont commandés en fonction des états des éléments de commutation du bras de commutation par lequel la branche sur laquelle ils se trouvent sont reliés via le point milieu. Les organes de commutation Km 1 et Kn 1 sont fermés lorsque :
- Ka 2 est fermé (voir schéma d) de la figure 4, schémas a), b) et c) de la figure 5) ;
- Ka 2, Kb 2 et Kc 2 sont tous les trois ouverts simultanément (schéma d) de la figure 5).
Les organes de commutation Km 2 et Kn 2 sont fermés lorsque :
- Kb 2 est fermé (voir schémas a) et c) de la figure 4, schémas a) et c) de la figure 5) ;
- Ka 2, Kb 2 et Kc 2 sont tous les trois ouverts simultanément (schéma d) de la figure 5).
Les organes de commutation Km 3 et Kn 3 sont fermés lorsque :
- Kc 2 est fermé (voir schémas a) et b) de la figure 4, schémas b) et c) de la figure 5) ;
- Ka 2, Kb 2 et Kc 2 sont tous les trois ouverts simultanément (schéma d) de la figure 5).
Dans les autres conditions, les organes de commutation sont ouverts.
Les schémas c) et d) de la figure 5 correspondent à des états de séquence nulle où aucune énergie n’est transférée ou récupérée de la charge électrique M.
Les schémas a), b), c) et d) de la figure 4 ainsi que les schémas a), b) et c) de la figure 5 correspondent à des états de charge du premier inducteur 10. Le schéma d) de la figure 5 correspond au seul état de décharge du premier inducteur 10, qui correspond à un état de charge du condensateur 12.
La figure 6 illustre, de manière schématique et non limitative, la génération des commandes des organes de commutation Km 1 et Kn 1 en fonction des états des éléments de commutation de Ka 1, Kb 1 et Kb 2, tel que décrit précédemment et correspondant aux commandes des figures 4 et 5.
Les organes de commutation Km 1 et Kn 1 sont fermés lorsque :
- Ka 2 est fermé donc quand Ka 1 est ouvert (voir schéma d) de la figure 4, schémas a), b) et c) de la figure 5) ;
- Ka 2, Kb 2 et Kc 2 sont tous les trois ouverts simultanément (schéma d) de la figure 5) qui par complémentarité correspondant à un état où les éléments de commutations Ka 1, Kb 1 et Kc1 sont fermés simultanément.
Sur la figure, une commande égale à 1 correspond à un état fermé et une commande égale à zéro correspond à un état ouvert.
Les trois graphes supérieurs présentent les états de commande C1 des éléments de commutation respectivement de Kb 1, KC 1 et Ka 1 des figures 4 et 5 en fonction du temps T. Le graphe inférieur présente les états de commande C2 des organes de commutation Km 1 et Kn 1 des figures 4 et 5 en fonction du temps T. On observe que les organes de commutation Km 1 et Kn 1 sont fermés uniquement lorsque les trois interrupteurs Ka 1, Kb 1 et KC 1 sont fermés simultanément (Sit1 ) ou lorsque Ka 1 est ouvert (Sit2). Les courbes Km 1 et Kn 1 sont confondues.
La figure 7 illustre, de manière schématique et non limitative, la génération des commandes des organes de commutation Km 1 et Kn 1 en fonction des états des éléments de commutation de Ka 1, Kb 1 et Kc 1, telle que décrite précédemment et correspondant aux commandes des figures 4 et 5.
Les organes de commutation Km 1 et Kn 1 sont fermés lorsque :
- Ka 2 est fermé donc quand Ka 1 est ouvert (voir schéma d) de la figure 4, schémas a), b) et c) de la figure 5) ;
- Ka 2, Kb 2 et Kc 2 sont tous les trois ouverts simultanément (schéma d) de la figure 5) qui par complémentarité correspondant à un état où les éléments de commutations Ka 1, Kb1 et KC1 sont fermés simultanément.
Sur la figure, une commande égale à 1 correspond à un état fermé et une commande égale à zéro correspond à un état ouvert.
Les trois graphes supérieurs présentent les états de commande C1 des éléments de commutation respectivement Ka 1, Kb 1 et KC 1 des figures 4 et 5 en fonction du temps T.
Le quatrième graphe présente les états de commande C2 des organes de commutation Km 1 et Kn 1 des figures 4 et 5 en fonction du temps T Les courbes Km 1 et Kn 1 sont confondues. On observe que les organes de commutation Km 1 et Kn 1 sont fermés uniquement lorsque les trois interrupteurs Ka 1, Kb 1 et KC 1 sont fermés simultanément (Sit1 ) ou lorsque Ka 1 est ouvert (Sit2). La figure 7 diffère de la figure 6 en ce que les séquences de changements d’état des éléments de commutation Ka 1, Kb 1 et KC 1 ne sont pas régulièrement répartis à intervalle régulier comme c’est le cas de la figure 6. En effet, sur la figure 7, la durée pour laquelle les trois éléments de commutation Ka 1, Kb 1 et KC 1 sont fermés est plus longue sur celle où Ka 1 seul est fermé, elle- même plus longue que celle où Ka 1 et Kb 1 sont fermés simultanément.
Le graphe inférieur représente le courant II dans le premier inducteur en fonction du temps T. Il résulte des différents états de commandes des éléments de commutation et des organes de commutation.
On observe une succession d’états de charge Ch du premier inducteur (augmentation de l’intensité du courant II au cours du temps T dans le premier inducteur) et d’états de décharge DCh du premier inducteur (diminution de l’intensité du courant II au cours du temps T dans le premier inducteur). Les deux états de séquence nulle correspondant aux états où Ka 1, Kb 1 et KC 1 sont tous ouverts ou sont tous fermés correspondent à des états où les organes de commutation Km 1 et Kn 1 sont fermés.
La décharge du premier inducteur DCh a lieu uniquement lorsque les trois éléments de commutation Ka 1, Kb 1 et KC 1 sont fermés (par conséquent, Ka 2, Kb 2 et Kc 2 sont ouverts et tous les organes de commutations sont fermés).
La charge du premier inducteur Ch a lieu dans tous les autres états de commande.
La génération des commandes présentées en figures 4 à 7 n’est pas restrictive et d’autres générations des commandes des organes de commutation en fonction des états des éléments de commutation sont envisageables sans sortir du cadre de l’invention. Par exemple, on peut envisager des états de commande des organes de commutation où les deux organes de commutation d’une même branche de commutation sont commandés de manière différente l’un de l’autre (ils peuvent par exemple ne pas être toujours tous les deux ouverts ou tous les deux fermés en même temps).
Le système de conversion selon l’invention permet de piloter des machines électriques, pour tous types d’application, en particulier pour des machines électriques tournant à de très hautes vitesses avec un rendement de du système de conversion (convertisseur) élevé.
Le système de conversion selon l’invention peut être prévu pour une utilisation embarquée, en particulier au sein d’un véhicule, notamment terrestre, aéronautique ou naval.
L’invention concerne aussi un système d’entraînement comprenant au moins un moyen de stockage électrochimique d’énergie électrique (tel qu’une batterie), une pile à combustible et une machine électrique multi-phasée, de préférence triphasée. Le système d’entraînement comprend un système de conversion de puissance électrique tel que décrit précédemment pour convertir l’énergie électrique du moyen de stockage électrochimique d’énergie électrique et/ou de la pile à combustible en énergie électrique alternative multi-phasée pour la machine électrique multi-phasée (triphasée de préférence). Inversement, il est possible de recharger le moyen de stockage électrochimique d’énergie électrique (une batterie notamment) à partir de la charge électrique multi-phasée qui agit alors comme une génératrice électrique.
En outre, l’invention concerne encore un véhicule comprenant un système d’entraînement tel que décrit précédemment ou un système de conversion de puissance électrique comme présenté préalablement. Le système de conversion et le système d’entraînement selon l’invention sont également adaptés à toutes applications embarquées ou stationnaires. Les éléments de commutation, les organes de commutation et les dispositifs de commutation peuvent être des commutateurs. La distinction de leur terminologie a pour vocation dans ce texte à distinguer ces éléments en fonction de leur position dans le système.
Exemple
Le système de conversion de la figure 2 selon l’invention a été modélisé avec une première source d’alimentation électrique de tension continue de 80V et une deuxième source d’alimentation électrique de tension continue de 30V.
La charge électrique est une machine électrique triphasée de puissance de 10 kW et de 400A.
La première source d’alimentation électrique est une source dite « tampon de puissance ». Elle permet de générer la puissance transitoire et a ainsi un effet dynamique.
La deuxième source d’alimentation électrique est une source dite d’« énergie ». Elle permet de fournir une puissance moyenne, avec de faibles transitoires. C’est le courant inductif de la deuxième source d’alimentation qui est régulé via les commandes des organes de commutation.
Les résultats des simulations numériques sont donnés en figure 8 et présentent la répartition de puissance entre la première source d’alimentation électrique et la deuxième source d’alimentation électrique selon la stratégie de gestion d’énergie considérée à titre d’exemple. Le graphe montre également les courants triphasés ia, ib, ic de la machine électrique triphasée, obtenus ici pour une vitesse de rotation de la machine électrique de 5000 tours/min avec quatre paires de pôles.
Sur le graphe supérieur, Pm représente la puissance de la machine électrique triphasée ; PS1 , la puissance de la première source d’alimentation électrique et PS2, la puissance de la deuxième source d’alimentation électrique. Les courbes représentent la variation de la puissance P1 en W en fonction du temps T en secondes.
Sur le graphe inférieur, on peut observer les courants triphasés ia, ib et ic suivant la variation de l’intensité en Ampère en fonction du temps T en secondes.
On remarque que la première source d’alimentation agit en tant que tampon de puissance avec une dynamique plus rapide, et que la deuxième source d’alimentation électrique agit en tant que source d’énergie avec une dynamique plus lente. L’invention permet donc bien d’obtenir la puissance attendue de la machine électrique, en optimisant le rôle de chacune des sources d’alimentation électrique. Bien entendu, le rôle de chacune des deux sources d’alimentation pourrait être inversée, la première source d’alimentation agissant alors en tant que source d’énergie et la deuxième source d’alimentation agissant en tant que tampon de puissance.

Claims

Revendications
1 .Système de conversion de puissance électrique comprenant N bras de commutation (A, B, C) en parallèle d’un circuit de montage (CM) d’une première source d’alimentation électrique (S1), N étant supérieur ou égal à trois, de préférence N est égal à trois, chacun des N bras de commutation (A, B, C) comprenant au moins deux éléments de commutation (Ka 1, Ka 2, Kb 1, Kb 2, Kc 1, Kc 2) en série et connectés entre eux en un point milieu (Pha, Phb, Phc), les éléments de commutation (Ka 1, Ka 2, Kb 1, Kb 2, Kc 1, Kc 2) étant pilotables en ouverture et en fermeture et réversibles, chaque point milieu (Pha, Phb, Phc) de chacun des N bras de commutation (A, B, C) formant une phase pour la connexion à une charge électrique multi-phasée (M), le système de conversion de puissance comprenant une capacité (12) montée en parallèle desdits N bras de commutation (A, B, C), caractérisé en ce que le système de conversion de puissance comprend un module de transformation (MT) de la tension entre un point de jonction destiné à être connecté à une borne d’une deuxième source d’alimentation électrique (S2) et chacun des N points milieux (Pha, Phb, Phc), le module de transformation (MT) comprenant un premier inducteur (10) connecté audit point de jonction et à un circuit comprenant N branches de commutation (D, E, F) en parallèle, chaque branche de commutation (D, E, F) comprenant deux organes de commutation (Km 1 , Km 2, Km 3, Kn 1 , Kn 2, Kn 3) en série et étant connectée à un point milieu distinct (Pha, Phb, Phc) d’un des N bras de commutation (A, B, C), chacun desdits organes de commutation (Km 1, Km 2, Km3, Kn 1, Kn 2, Kn 3) étant pilotable en ouverture et en fermeture et réversible, les deux organes de commutation (Km 1, Km 2, Km 3, Kn 1, Kn 2, Kn 3) d’une même branche étant montés en tête bêche.
2. Système de conversion de puissance électrique selon la revendication 1 , pour lequel les éléments de commutation (Ka 1, Ka 2, Kb 1, Kb 2, Kc 1, Kc 2) des N bras de commutation (A, B, C) comprennent chacun un transistor et une diode montés en parallèle.
3. Système de conversion de puissance électrique selon l’une des revendications précédentes, pour lequel chaque organe de commutation (Km 1, Km 2, Km 3, Kn 1, Kn 2, Kn 3) comprend un transistor et une diode montés en parallèle.
4. Système de conversion de puissance électrique selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le circuit de montage (CM) comprend la première source d’alimentation électrique (S1 ) , de préférence de tension continue.
5. Système de conversion de puissance électrique selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le système de conversion comprend ladite deuxième source d’alimentation électrique (S2), de préférence de tension continue, connectée entre ledit premier inducteur (10) et la masse.
6. Système de conversion de puissance électrique selon les revendications 4 et 5, pour lequel la première source d’alimentation électrique (S1 ) et la deuxième source d’alimentation électrique (S2) sont de nature différente et/ou de tension différente.
7. Système de conversion de puissance électrique selon la revendication 6, pour lequel l’une desdites première et deuxième sources d’alimentation électrique (S1 , S2) est un moyen de stockage électrochimique d’énergie électrique tel qu’une batterie, et pour lequel l’autre desdites première et deuxième sources d’alimentation électrique est une pile à combustible.
8. Système de conversion de puissance électrique selon l’une des revendication 4 à 7, pour lequel la première source d’alimentation électrique (S1 ) est directement connectée en parallèle desdits N bras de commutation (A, B, C).
9. Système de conversion de puissance électrique selon l’une des revendications 1 à 7, pour lequel le circuit de montage (CM) comprend un bras de commutation supplémentaire (G) en parallèle desdits N bras de commutation (A, B, C), ledit bras de commutation supplémentaire (G) comprenant au moins deux dispositifs de commutation (Kx 1, Kx 2) en série et connectés entre eux par un point intermédiaire (Phd), les dispositifs de commutation (Kx 1, Kx 2) étant pilotables en ouverture et en fermeture et réversibles, un deuxième inducteur (11 ) étant connecté entre le point intermédiaire (Phd) et un point de connexion (22) destiné à être connecté à une borne de la première source d’alimentation électrique (S1 ).
10. Système de conversion de puissance électrique selon la revendication 9, pour lequel ladite première source d’alimentation électrique (S1 ) , de préférence de tension continue, est connectée entre le point de connexion (22) et la masse.
1 1. Système de conversion de puissance électrique selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le système de conversion comprend un système de commande pour piloter les ouvertures/fermetures des éléments de commutations (Ka 1, Ka 2, Kb1, Kb 2, Kc 1, Kc 2) et pour piloter les ouvertures/fermetures des organes de commutation (Km 1, Km 2, Km 3, Kn 1, Kn 2, Kn 3) en fonction des états des éléments de commutation (Ka 1, Ka 2, Kb 1, Kb 2, Kc 1, Kc 2).
12. Système de conversion de puissance électrique selon la revendication 11 , pour lequel le système de commande est configuré pour commander la fermeture des organes de commutation (Km 1, Km 2, Km 3, Kn 1, Kn 2, Kn 3) des branches de commutation (D, E, F) reliés à un point milieu d’un des bras de commutation (A, B, C) lorsque l’élément de commutation (de ce bras de commutation connecté à la masse est fermé ou lorsque les éléments de commutation des N bras de commutation connectés à la masse sont ouverts.
13. Système de conversion de puissance électrique selon l’une des revendications 1 1 ou 12, pour lequel le système de commande est configuré pour commander les éléments de commutation (Ka 1, Ka 2, Kb 1, Kb 2, Kc 1, Kc 2) de chacun des N bras de commutation de manière opposée, l’ouverture d’un des deux éléments de commutation en série de chaque bras de commutation impliquant la fermeture de l’autre desdits deux éléments de commutation en série de ce bras de commutation.
14. Système d’entraînement comprenant au moins un moyen de stockage électrochimique d’énergie électrique tel qu’une batterie, une pile à combustible et une machine électrique multi-phasée, de préférence triphasée, le système d’entraînement comprenant un système de conversion de puissance électrique selon l’une des revendications précédentes pour convertir l’énergie électrique dudit moyen de stockage électrochimique d’énergie électrique et/ou de ladite pile à combustible en énergie électrique alternative multi-phasée pour ladite machine électrique multi- phasée ou inversement.
15. Véhicule comprenant un système d’entraînement selon la revendication 14 ou un système de conversion de puissance électrique selon l’une des revendications 1 à
PCT/EP2022/081358 2021-11-25 2022-11-09 Convertisseur d'energie electrique apte a etre connecte a deux sources d'alimentation et apte a la recuperation d'energie Ceased WO2023094165A1 (fr)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP22814083.6A EP4437648A1 (fr) 2021-11-25 2022-11-09 Convertisseur d'energie electrique apte a etre connecte a deux sources d'alimentation et apte a la recuperation d'energie

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2112503A FR3129544A1 (fr) 2021-11-25 2021-11-25 Convertisseur d’énergie électrique apte à être connecté à deux sources d’alimentation et apte à la récupération d’énergie
FRFR2112503 2021-11-25

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023094165A1 true WO2023094165A1 (fr) 2023-06-01

Family

ID=80225320

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2022/081358 Ceased WO2023094165A1 (fr) 2021-11-25 2022-11-09 Convertisseur d'energie electrique apte a etre connecte a deux sources d'alimentation et apte a la recuperation d'energie

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP4437648A1 (fr)
FR (1) FR3129544A1 (fr)
WO (1) WO2023094165A1 (fr)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1615325A2 (fr) * 2004-07-07 2006-01-11 Nissan Motor Co., Ltd. Conversion de puissance et véhicule
US20110115294A1 (en) 2009-11-18 2011-05-19 Gm Global Technology Operations, Inc. Dual voltage-source inverter system and method
FR2985615A1 (fr) * 2012-01-06 2013-07-12 Commissariat Energie Atomique Systeme d'alimentation d'une charge alternative par plusieurs sources de tension continue
US20140117770A1 (en) 2012-10-25 2014-05-01 Mcmaster University Power converter
WO2021104621A1 (fr) * 2019-11-27 2021-06-03 Abb Schweiz Ag Groupe motopropulseur embarqué pour vga

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1615325A2 (fr) * 2004-07-07 2006-01-11 Nissan Motor Co., Ltd. Conversion de puissance et véhicule
US20110115294A1 (en) 2009-11-18 2011-05-19 Gm Global Technology Operations, Inc. Dual voltage-source inverter system and method
FR2985615A1 (fr) * 2012-01-06 2013-07-12 Commissariat Energie Atomique Systeme d'alimentation d'une charge alternative par plusieurs sources de tension continue
US20140117770A1 (en) 2012-10-25 2014-05-01 Mcmaster University Power converter
WO2021104621A1 (fr) * 2019-11-27 2021-06-03 Abb Schweiz Ag Groupe motopropulseur embarqué pour vga

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PANGULOORI RAKESH: "Achieve Bidirectional Control and Protection Through Back-to-Back Connected eFuse Devices", TEXAS INSTRUMENTS, 31 December 2017 (2017-12-31), pages 1 - 10, XP055831917, Retrieved from the Internet <URL:https://www.ti.com/lit/an/slva948/slva948.pdf> [retrieved on 20210813] *

Also Published As

Publication number Publication date
FR3129544A1 (fr) 2023-05-26
EP4437648A1 (fr) 2024-10-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3568905B1 (fr) Chargeur de batterie d&#39;accumulateurs électriques bidirectionnel
EP2142397B1 (fr) Dispositif et procede de commande d&#39;un circuit de derivation de puissance, vehicule hybride l&#39;ayant
EP2079148B1 (fr) Circuit electrique
EP3748831A1 (fr) Un convertisseur et son systeme de controle de courant
WO2010057892A1 (fr) Dispositif electrique combine d&#39;alimentation et de charge
EP2941811B1 (fr) Systeme comprenant une batterie formee de modules de batterie, et procede de connexion ou de deconnexion d&#39;un module de batterie correspondant
WO2022214745A1 (fr) Dispositif de creation d&#39;un bus de tension continue pour un systeme electrique polyphase, vehicule automobile et generateur a energie renouvelable comprenant un tel dispositif
FR2961972A1 (fr) Dispositif electrique d&#39;entrainement d&#39;un equipement mecanique et procede associe
EP3412500B1 (fr) Procédé d échange d énergie électrique entre un réseau électrique véhiculant une grandeur électrique continue ou alternative et une unité de stockage d énergie électrique pour véhicule hybride ou électrique
FR2987512B1 (fr) Circuit de charge d&#39;une installation d&#39;alimentation en energie et son procede d&#39;application
EP2801150B1 (fr) Systeme d&#39;alimentation d&#39;une charge alternative par plusieurs sources de tension continue
WO2023094165A1 (fr) Convertisseur d&#39;energie electrique apte a etre connecte a deux sources d&#39;alimentation et apte a la recuperation d&#39;energie
EP4382343A1 (fr) Système d&#39;alimentation électrique alimentant une charge électrique via une tension polyphasée et en outre un réseau auxiliaire via une composante homopolaire de ladite tension, installation électrique associée
FR3074984A1 (fr) Convertisseur continu-continu avec pre-charge d’un premier reseau electrique a partir d’un deuxieme reseau electrique
FR2987511A1 (fr) Dispositif de prise de tension continue pour une installation de stockage d&#39;energie et procede pour generer une tension continue a partir d&#39;une installation de stockage d&#39;energie
EP4026243B1 (fr) Association de transistors
FR3056037A1 (fr) Systeme de transfert de puissance electrique
WO2025141145A1 (fr) Convertisseur d&#39;énergie électrique avec élément(s) piézoélectrique(s) et système électronique de conversion d&#39;énergie électrique associé
FR2865868A1 (fr) Dispositif d&#39;alimentation d&#39;un actionneur a aimant permanent
EP4430742A1 (fr) Procédé de pilotage d&#39;une machine électrique tournante à l&#39;état passif
WO2025078736A1 (fr) Dispositif de stockage d&#39;energie pour une batterie a onduleur distribue comportant un circuit secondaire de by-pass
FR3162324A1 (fr) Procédé de recharge d’une batterie par une source de tension inférieure à celle de la batterie et véhicule correspondant
FR3153294A1 (fr) Systeme d’alimentation electrique comprenant une pile a combustible
WO2024042277A1 (fr) Ensemble de recharge d&#39;une batterie electrique de traction
FR3007908A1 (fr) Dispositif de conversion d&#39;energie electrique multifonction

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22814083

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2022814083

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2022814083

Country of ref document: EP

Effective date: 20240625