Véhicule automobile électrique ou hybride muni d'un convertisseur DC-DC pour la charge et la traction, et procédé correspondant L'invention concerne la charge de batteries de véhicules automobiles du type électrique ou hybride rechargeable, et l'alimentation de machines électriques de ces véhicules.Electric or hybrid motor vehicle equipped with a DC-DC converter for charging and traction, and corresponding method The invention relates to the charging of motor vehicle batteries of the electric or plug-in type, and the supply of electric machines thereof. vehicles.
Les batteries embarquées dans les véhicules automobiles du type électrique ou hybride rechargeable peuvent en général être chargées par un raccordement à un réseau d'alimentation électrique. On peut utiliser un chargeur externe au véhicule pour cette charge, ou un chargeur embarqué dans le véhicule. Pour obtenir un système permettant la charge utilisant peu de composants, ayant un faible encombrement et ayant un faible coût, il a été proposé d'utiliser certains composants de la chaîne de traction, en particulier certains composants électroniques de puissance utilisés au sein du véhicule. Aussi, certains chargeurs existants peuvent être connectés aussi bien sur un réseau monophasé qu'un réseau triphasé. On connaît de l'état de la technique antérieur le document WO 2010063921 qui décrit la charge d'une batterie à partir d'une tension alternative monophasée fournie par l'onduleur utilisé pour la traction du véhicule. L'onduleur forme un étage redresseur élévateur de tension (boost) et un étage abaisseur de tension (buck) permettant d'adapter les tensions. Cette solution a pour inconvénient d'être limitée à une charge à partir d'un réseau d'alimentation monophasé. De plus, ce document propose d'utiliser des enroulements de la machine électrique comme inductances, tant du côté du réseau d'alimentation électrique que du côté de la batterie. Cela a pour inconvénient de causer des vibrations non voulues de la machine électrique. On connaît également le document JP 2002/293499 qui décrit un hacheur de type « boost » (élévateur de tension) qui est utilisé en mode « buck » (abaisseur de tension) pendant la charge. La solution présentée dans ce document a pour inconvénient d'utiliser un pont de diodes supplémentaires pour redresser la tension du réseau d'alimentation électrique. On connaît également le document US2010/0097031 qui décrit un système de traction pour véhicule possédant deux dispositifs de stockage d'énergie, un convertisseur DC/DC, un onduleur, et une machine électrique. Un pont à diodes ou au moins deux bras d'un convertisseur DC/DC sont utilisés pour redresser la tension alternative du réseau et assurer la charge d'au moins un dispositif de stockage d'énergie. Le système décrit dans ce document utilisant plusieurs contacteurs n'est pas adapté pour une charge rapide triphasée. Enfin, on connaît le document US 2009/0103341 qui décrit un convertisseur DC/DC utilisant une unique inductance, et qui est utilisé pour la traction et pour la charge de la batterie basse tension ou haute tension d'un véhicule hybride rechargeable. La solution décrite dans ce document a pour inconvénient d'utiliser un redresseur supplémentaire pour redresser la tension alternative du réseau d'alimentation électrique. Ce redresseur n'est pas utilisé pendant la traction.Onboard batteries in motor vehicles of the electric or rechargeable hybrid type can generally be charged by a connection to a power supply network. You can use a charger external to the vehicle for this charge, or a charger embedded in the vehicle. To obtain a low-cost, low-cost, low-cost charging system, it has been proposed to use certain components of the power train, particularly certain power electronics used within the vehicle. Also, some existing chargers can be connected both on a single-phase network and a three-phase network. It is known from the state of the prior art WO 2010063921 which describes the charging of a battery from a single-phase AC voltage supplied by the inverter used for traction of the vehicle. The inverter forms a voltage boost stage (boost) and a voltage buck stage (buck) to adapt voltages. This solution has the disadvantage of being limited to a load from a single-phase power supply network. In addition, this document proposes using windings of the electric machine as inductors, both on the side of the power supply network and on the side of the battery. This has the disadvantage of causing unwanted vibration of the electric machine. Also known is JP 2002/293499 which describes a "boost" chopper (voltage booster) which is used in "buck" mode (voltage step-down) during charging. The solution presented in this document has the disadvantage of using an additional diode bridge to rectify the voltage of the power supply network. Also known is US2010 / 0097031 which describes a vehicle traction system having two energy storage devices, a DC / DC converter, an inverter, and an electric machine. A diode bridge or at least two arms of a DC / DC converter are used to rectify the AC voltage of the network and ensure the charging of at least one energy storage device. The system described in this document using multiple contactors is not suitable for fast three-phase charging. Finally, document US 2009/0103341 discloses a DC / DC converter using a single inductor, and which is used for traction and for charging the low voltage or high voltage battery of a rechargeable hybrid vehicle. The solution described in this document has the disadvantage of using an additional rectifier to rectify the AC voltage of the power supply network. This rectifier is not used during traction.
Au vu de ce qui précède, la présente invention a pour but de palier au moins en partie les inconvénients procurés par les techniques antérieures et, en particulier, d'obtenir une charge de la batterie utilisant peu de composants et qui est adaptée à plusieurs types de réseau d'alimentation électrique.In view of the foregoing, the present invention aims to overcome at least in part the disadvantages afforded by the prior art and, in particular, to obtain a charge of the battery using few components and which is suitable for several types. power supply network.
L'invention a donc pour objet un véhicule automobile du type électrique ou hybride comportant une batterie d'alimentation électrique pour alimenter une machine électrique d'un groupe motopropulseur électrique au moyen d'un étage onduleur connecté à la machine électrique.The invention therefore relates to a motor vehicle of the electric or hybrid type having a power supply battery for powering an electric machine of an electric powertrain by means of an inverter stage connected to the electric machine.
Selon une caractéristique générale, le véhicule comporte un étage convertisseur DC-DC connecté entre la batterie et l'étage onduleur, l'étage convertisseur DC-DC étant configuré pour : - alimenter en énergie électrique l'étage onduleur à partir de l'énergie stockée dans la batterie d'alimentation électrique lors de phases de traction (ou lors de phases de propulsion pour un véhicule à propulsion), et - alimenter en énergie électrique la batterie d'alimentation électrique lors de phase de charge de la batterie à partir d'un raccordement de l'étage convertisseur DC-DC à un réseau d'alimentation électrique ou lors de phases de freinage régénératif à partir de l'énergie électrique fournie par l'étage onduleur. Le véhicule comporte en outre un circuit de raccordement muni de trois entrées pour une connexion à un réseau d'alimentation électrique monophasé ou triphasé. Ainsi, contrairement aux solutions selon l'art antérieur, c'est directement à l'étage convertisseur DC-DC que l'on raccorde un réseau d'alimentation électrique lors de phases de charge de la batterie. Ce sont donc les composants du convertisseur DC-DC qui sont utilisés pour à la fois redresser et adapter la tension. Bien entendu, on pourra choisir un convertisseur DC-DC adapté pour l'application, c'est-à-dire adapté pour les différents types de réseau d'alimentation électrique. En outre, en alimentant en énergie électrique l'étage onduleur lors de phases de traction, le convertisseur DC-DC peut délivrer à l'étage onduleur une tension qui ne dépend pas de l'état de charge de la batterie. On obtient donc une charge de la batterie et une alimentation de la machine électrique qui utilisent peu de composants.According to a general characteristic, the vehicle comprises a DC-DC converter stage connected between the battery and the inverter stage, the DC-DC converter stage being configured to: - supply electrical energy to the inverter stage from the energy stored in the power supply battery during traction phases (or during propulsion phases for a propulsion vehicle), and - supplying electrical energy to the battery pack during charging phase of the battery from a connection of the DC-DC converter stage to a power supply network or during regenerative braking phases from the electrical energy supplied by the inverter stage. The vehicle further comprises a connection circuit having three inputs for connection to a single-phase or three-phase power supply network. Thus, unlike the solutions according to the prior art, it is directly to the DC-DC converter stage that a power supply network is connected during charging phases of the battery. It is therefore the components of the DC-DC converter that are used to both straighten and adapt the voltage. Of course, it will be possible to choose a DC-DC converter adapted for the application, that is to say adapted for the different types of power supply network. In addition, by supplying electrical energy to the inverter stage during traction phases, the DC-DC converter can deliver to the inverter stage a voltage that does not depend on the state of charge of the battery. This results in a charge of the battery and a power supply of the electric machine that use few components.
L'étage convertisseur DC-DC peut comporter un premier sous- étage convertisseur DC-DC et un deuxième sous-étage convertisseur DC-DC. Un tel étage convertisseur nécessite un nombre réduit de composants supplémentaires par rapport aux convertisseurs selon la technique antérieure. De ce fait, cet étage convertisseur DC-DC est peu encombrant. A titre indicatif, on pourra utiliser un premier sous-étage convertisseur DC-DC muni d'au moins trois branches et un deuxième sous-étage convertisseur DC-DC muni d'au moins une branche, chacune des branches étant munie de deux interrupteurs ayant des diodes intrinsèques. Le circuit de raccordement peut être configuré pour raccorder en parallèle le premier sous-étage convertisseur DC-DC et le deuxième sous-étage convertisseur DC-DC entre la batterie et l'étage onduleur lors de phases de traction et lors de phases de freinage régénératif. A titre indicatif, le circuit de raccordement peut comporter plusieurs interrupteurs, par exemple des thyristors, des triacs, des relais, ou encore des contacteurs. Le circuit de raccordement permet simplement de modifier avec peu de composants le comportement du convertisseur DC-DC. Le circuit de raccordement peut en outre être configuré pour raccorder en cascade le premier sous-étage convertisseur DC-DC et le deuxième sous-étage convertisseur DC-DC entre la batterie et une entrée de raccordement à un réseau d'alimentation électrique lors de phases de charge de la batterie. Ainsi, c'est le premier sous-étage convertisseur DC-DC qui opère en tant que redresseur, ce qui peut par exemple être mis en oeuvre en utilisant les diodes antiparallèles des interrupteurs des branches du sous-étage convertisseur DC-DC. L'étage convertisseur DC-DC peut comporter un nombre M de branches au moins égal à 4 comportant chacune des moyens de commutation. On obtient une distribution de la puissance sur les M phases, ce qui permet un meilleur échange thermique. On obtient ainsi un convertisseur plus facilement modulable, et une réduction du coût total du convertisseur qui peut utiliser des composants de calibre plus faible. Enfin, on a aussi une réduction des pertes par commutation dans le cas d'une conduction discontinue.The DC-DC converter stage may comprise a first DC-DC converter sub-stage and a second DC-DC converter sub-stage. Such a converter stage requires a reduced number of additional components compared to the converters according to the prior art. As a result, this DC-DC converter stage is compact. By way of indication, it is possible to use a first DC-DC converter sub-stage provided with at least three branches and a second DC-DC converter sub-stage provided with at least one branch, each of the branches being provided with two switches having intrinsic diodes. The connection circuit can be configured to connect in parallel the first DC-DC converter sub-stage and the second DC-DC converter sub-stage between the battery and the inverter stage during traction phases and during regenerative braking phases. . As an indication, the connection circuit may comprise several switches, for example thyristors, triacs, relays, or even contactors. The connection circuit simply allows to modify with few components the behavior of the DC-DC converter. The connection circuit can also be configured to connect in cascade the first DC-DC converter sub-stage and the second DC-DC converter sub-stage between the battery and a connection input to a power supply network during phases. charging the battery. Thus, it is the first DC-DC converter sub-stage which operates as a rectifier, which can for example be implemented using the antiparallel diodes of the branch switches of the DC-DC converter sub-stage. The DC-DC converter stage may comprise a number M of branches at least equal to 4 each comprising switching means. A power distribution is obtained on the M phases, which allows a better heat exchange. This provides a more easily convertible converter, and a reduction in the total cost of the converter that can use components of lower caliber. Finally, there is also a reduction of switching losses in the case of discontinuous conduction.
A titre indicatif, en utilisant un étage convertisseur DC-DC muni de deux sous-étages convertisseurs DC-DC, avec respectivement un nombre p et un nombre q de branches (p+q étant égal à M), on peut utiliser au moins trois branches dans le premier sous-étage (p>3), et au moins une branche dans le deuxième sous-étage (q>1).As an indication, using a DC-DC converter stage provided with two DC-DC converter sub-stages, with respectively a number p and a number q of branches (p + q being equal to M), it is possible to use at least three branches in the first sub-stage (p> 3), and at least one branch in the second sub-stage (q> 1).
Le véhicule peut comprendre des moyens de commande des moyens de commutation, les moyens de commande des moyens de commutation étant configurés pour faire commuter les moyens de commutation lors de phases de traction ou de freinage régénératif avec un même rapport cyclique. Les moyens de commande peuvent être configurés pour activer un nombre N de branches en fonction d'une puissance requise. On optimise ainsi le rendement. Avec par exemple un même rapport cyclique pour toutes les branches activées, chaque branche est parcourue avec un même courant moyen, et l'ondulation des courants en entrée et en sortie de l'étage convertisseur DC-DC sont réduites parce que les commandes sont toutes décalées d'un déphasage de 27t/N. Les moyens de commande des moyens de commutation peuvent en outre comporter un capteur de courant dans chaque branche pour élaborer un rapport cyclique de commutation pour chaque branche. On obtient ainsi une meilleure précision. En variante, les moyens de commande des moyens de commutation comportent en outre un capteur de courant pour mesurer le courant total en sortie de l'étage convertisseur DC-DC pour élaborer un rapport cyclique de commutation pour toutes les branches. Dans cette variante, un unique capteur de courant est suffisant. Les moyens de commande peuvent être en outre configurés pour faire commuter les moyens de commutation du deuxième sous- étage convertisseur DC-DC, lors de phases de charge, de manière à ce que le deuxième sous-étage convertisseur DC-DC fonctionne en étage redresseur, et le premier sous-étage convertisseur DC-DC fonctionne en étage abaisseur. L'invention a également pour objet un procédé de charge et d'alimentation au sein d'un véhicule automobile du type électrique ou hybride, le véhicule comportant une batterie d'alimentation électrique et une machine électrique d'un groupe motopropulseur électrique connecté à un étage onduleur.The vehicle may comprise means for controlling the switching means, the control means of the switching means being configured to switch the switching means during traction phases or regenerative braking with the same duty cycle. The control means can be configured to activate a number N of branches according to a required power. This optimizes the yield. With, for example, the same duty cycle for all the activated branches, each branch is traversed with the same average current, and the ripple of the currents at the input and at the output of the DC-DC converter stage are reduced because the controls are all shifted by a phase shift of 27t / N. The control means of the switching means may further comprise a current sensor in each branch to develop a switching duty cycle for each branch. This gives a better accuracy. In a variant, the control means of the switching means further comprise a current sensor for measuring the total current at the output of the DC-DC converter stage in order to produce a switching duty cycle for all the branches. In this variant, a single current sensor is sufficient. The control means can be further configured to switch the switching means of the second DC-DC converter sub-stage during charging phases so that the second DC-DC converter sub-stage operates as a rectifier stage. , and the first DC-DC converter sub-stage operates in a step-down mode. The subject of the invention is also a charging and powering method in a motor vehicle of the electric or hybrid type, the vehicle comprising a power supply battery and an electric machine of an electric powertrain connected to a power unit. inverter stage.
Selon une caractéristique générale, le procédé comprend une étape de conversion DC-DC comportant : - l'alimentation en énergie électrique de l'étage onduleur à partir de l'énergie stockée dans une batterie d'alimentation électrique lors de phases de traction, et - l'alimentation en énergie électrique de la batterie d'alimentation électrique lors de phases de charge de la batterie à partir d'un raccordement de l'étage convertisseur DC-DC à un réseau d'alimentation électrique ou lors de phases de freinage à partir de l'énergie électrique fournie par l'étage onduleur. Lors de phases de traction et lors de phases de freinage régénératif, on peut raccorder en parallèle un premier sous-étage convertisseur DC-DC de l'étage convertisseur DC-DC et un deuxième sous-étage convertisseur DC-DC de l'étage convertisseur DC-DC, entre la batterie et l'étage onduleur. Lors de phases de charge de la batterie, on peut raccorder en cascade le premier sous-étage convertisseur DC-DC et le deuxième sous-étage convertisseur DC-DC entre la batterie et une entrée de raccordement à un réseau d'alimentation électrique.According to a general characteristic, the method comprises a DC-DC conversion step comprising: the supply of electrical energy to the inverter stage from the energy stored in a power supply battery during traction phases, and - The electrical power supply of the power supply battery during charging phases of the battery from a connection of the DC-DC converter stage to a power supply network or during braking phases to from the electrical energy supplied by the inverter stage. During traction phases and during regenerative braking phases, a first DC-DC converter sub-stage of the DC-DC converter stage and a second DC-DC converter sub-stage of the converter stage can be connected in parallel. DC-DC, between the battery and the UPS stage. During charging phases of the battery, the first DC-DC converter sub-stage and the second DC-DC converter sub-stage can be cascaded between the battery and a connection input to a power supply network.
On peut commander les moyens de commutation lors de phases de traction ou de freinage régénératif avec un même rapport cyclique, l'étage convertisseur DC-DC pouvant comporter un nombre M au moins égal à 4 de branches comportant chacune des moyens de commutation.The switching means can be controlled during traction or regenerative braking phases with the same duty cycle, the DC-DC converter stage possibly having a number M at least equal to 4 branches each comprising switching means.
On peut activer un nombre N de branches en fonction d'une puissance requise. Chaque branche pouvant être commandée avec un déphasage de 27c/N. On peut mesurer le courant dans chaque branche et on élabore un rapport cyclique de commutation pour chaque branche.A number N of branches can be activated according to a required power. Each branch can be ordered with a phase shift of 27c / N. The current in each branch can be measured and a switching duty cycle for each branch is developed.
On peut mesurer le courant total en sortie de l'étage convertisseur DC-DC et on peut élaborer un rapport cyclique de commutation pour toutes les branches. On peut commander les moyens de commutation du deuxième sous-étage convertisseur DC-DC, lors de phases de charge, de manière à ce que le deuxième sous-étage convertisseur DC-DC fonctionne en étage redresseur, et le premier sous-étage convertisseur DC-DC fonctionne en étage abaisseur. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faire en référence aux dessins annexés sur lesquels : les figures 1 à 5 illustrent schématiquement un convertisseur DC-DC disposé entre une batterie et un onduleur qui alimente une machine électrique selon un mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, on a représenté une batterie 1 embarquée au sein d'un véhicule automobile du type électrique ou hybride, à laquelle on a raccordé un dispositif de charge et d'alimentation 2 lui-même raccordé à une machine électrique 3 d'un groupe motopropulseur électrique du véhicule automobile assurant la traction du véhicule et également la récupération d'énergie lors de phases de freinage régénératif. Le dispositif de charge et d'alimentation 2 comporte ici un étage onduleur 4 configuré pour alimenter la machine électrique avec trois phases de courants, à partir de l'énergie délivrée par la batterie 1. En outre, un étage convertisseur DC-DC 5 est placé entre la batterie 1 et l'étage onduleur 4. L'étage convertisseur DC-DC 5 est configuré pour : - alimenter en énergie électrique l'étage onduleur à partir de l'énergie stockée dans la batterie d'alimentation électrique lors de phases de traction, et - alimenter en énergie électrique la batterie d'alimentation électrique lors de phase de charge de la batterie à partir d'un raccordement de l'étage convertisseur DC-DC à un réseau d'alimentation électrique ou lors de phases de freinage régénératif à partir de l'énergie électrique fournie par l'étage onduleur. En outre, un condensateur 6 a été connecté entre l'étage convertisseur DC-DC 5 et l'étage onduleur 4.The total current at the output of the DC-DC converter stage can be measured and a switching duty cycle for all the branches can be developed. The switching means of the second DC-DC converter sub-stage can be controlled during charging phases, so that the second DC-DC converter sub-stage operates as a rectifier stage, and the first DC converter sub-stage. -DC operates in step-down mode. Other objects, features and advantages of the invention will appear on reading the following description, given solely by way of nonlimiting example, and with reference to the appended drawings in which: FIGS. 1 to 5 schematically illustrate a converter DC-DC arranged between a battery and an inverter that powers an electric machine according to one embodiment of the invention. In FIG. 1, a battery 1 is shown embedded in a motor vehicle of the electric or hybrid type, to which a charging and supply device 2 connected to an electric machine 3 has been connected. an electric powertrain of the motor vehicle ensuring the traction of the vehicle and also the energy recovery during regenerative braking phases. The charging and supply device 2 here comprises an inverter stage 4 configured to supply the electric machine with three current phases, from the energy delivered by the battery 1. In addition, a DC-DC converter stage 5 is placed between the battery 1 and the inverter stage 4. The DC-DC converter stage 5 is configured to: - supply electrical energy to the inverter stage from the energy stored in the power supply battery during phases traction, and - supply electrical energy to the battery power supply during charging phase of the battery from a connection of the DC-DC converter stage to a power supply network or during braking phases regenerative from the electrical energy supplied by the inverter stage. In addition, a capacitor 6 has been connected between the DC-DC converter stage 5 and the inverter stage 4.
Sur la figure 2, on a représenté de manière plus détaillée le dispositif de charge et d'alimentation 2 fonctionnant lors d'une phase de traction. L'étage convertisseur DC-DC 5 comporte un premier sous-étage convertisseur DC-DC 7 et un deuxième sous-étage convertisseur DC-DC 8. Le premier sous-étage convertisseur DC-DC 7 est connecté par deux premières bornes 71 et 72 en parallèle à la batterie, et par deux deuxièmes bornes 73 et 74 en parallèle au condensateur 6. Le deuxième sous-étage convertisseur DC-DC 8 est connecté par trois premières bornes 81, 82, et 83 à la borne de la batterie connectée à la première borne 71 du premier sous-étage convertisseur DC-DC 7 au moyen d'un circuit de raccordement 9. Le deuxième sous-étage convertisseur DC-DC 8 est également connecté par deux deuxièmes bornes 84 et 85 en parallèle au condensateur 6.In Figure 2, there is shown in more detail the charging device and power supply 2 operating during a traction phase. The DC-DC converter stage 5 comprises a first DC-DC converter sub-stage 7 and a second DC-DC converter sub-stage 8. The first DC-DC converter sub-stage 7 is connected by two first terminals 71 and 72. in parallel with the battery, and by two second terminals 73 and 74 in parallel with the capacitor 6. The second DC-DC converter sub-stage 8 is connected by three first terminals 81, 82, and 83 to the terminal of the battery connected to the first terminal 71 of the first DC-DC converter sub-stage 7 by means of a connection circuit 9. The second DC-DC 8 converter sub-stage is also connected by two second terminals 84 and 85 in parallel to the capacitor 6.
Le circuit de raccordement 9 comporte trois interrupteurs 10, 11 et 12 respectivement reliés chacun d'une part à une entrée du deuxième sous-étage convertisseur DC-DC et d'autre part à un point de connexion électrique en communication électrique avec la borne de la batterie connectée à la première borne 71 du premier sous-étage convertisseur DC-DC 7. Sur cette figure 2, les trois interrupteurs 10, 11 et 12 sont fermés, ce qui correspond à une configuration permettant la traction du véhicule par la machine électrique 3. On peut noter que les deux sous-étages convertisseurs DC-DC 7 et 8 fonctionnent ici en parallèle, et ils sont tous les deux alimentés par la batterie pour eux-mêmes alimenter l'étage onduleur 6. Aussi, l'utilisation de l'étage convertisseur DC-DC 5 permet de maintenir une tension d'alimentation de l'étage onduleur continue pour tout niveau de charge de la batterie, en fonctionnant en mode hacheur-élévateur.The connection circuit 9 comprises three switches 10, 11 and 12 respectively connected on the one hand to an input of the second DC-DC converter sub-stage and on the other hand to an electrical connection point in electrical communication with the control terminal. the battery connected to the first terminal 71 of the first DC-DC converter sub-stage 7. In this FIG. 2, the three switches 10, 11 and 12 are closed, which corresponds to a configuration allowing the vehicle to be pulled by the electric machine 3. It may be noted that the two substages DC-DC converters 7 and 8 operate here in parallel, and they are both powered by the battery to themselves feed the inverter stage 6. Also, the use of the DC-DC converter stage 5 makes it possible to maintain a supply voltage of the continuous inverter stage for any level of charge of the battery, operating in chopper-boost mode.
Plus précisément, les deux sous-étages convertisseurs DC-DC 7 et 8 fonctionnent en mode hacheur-élévateur. De ce fait, on peut avantageusement dimensionner la machine électrique 3 pour ce niveau de tension constant en sortie de l'étage convertisseur DC-DC et pour un courant plus faible en sortie de l'étage onduleur 4. On peut également noter que les pertes par conduction dans l'onduleur sont réduites et son rendement est plus élevé. Toutefois, il peut alors être nécessaire d'augmenter le nombre de spires de la machine électrique 3 pour maintenir la même force magnétomotrice. A titre d'exemple, pour une batterie 1 ayant une tension à ses bornes variant entre 250V et 410V, la tension de sortie de l'étage convertisseur DC-DC 5 peut être de l'ordre de 500V, ce qui permet de réduire le niveau de courant en sortie de l'onduleur par un facteur 2 (par rapport à un système sans étage convertisseur DC-DC), ce qui peut nécessiter de doubler le nombre de spires pour une force magnétomotrice égale. Sur la figure 3, on a représenté de manière plus détaillée l'étage convertisseur DC-DC 5. Le premier sous-étage convertisseur DC-DC 7 comporte trois connexions électriques reliées à la première borne 71, ces connexions étant représentées schématiquement par leur inductance 701. Ces trois connexions sont connectées au point central de branches de convertisseur DC-DC chacune munie de deux interrupteurs 702 et de diodes 703, ici des transistors bipolaires à grille isolée 702 munis de diodes intrinsèque 703. Dans chaque branche, l'un des transistors bipolaire à grille isolée 702 a son collecteur relié à la deuxième borne 73 du premier sous-étage convertisseur DC-DC 7. L'autre transistor bipolaire à grille isolée 702, qui est en série avec le premier transistor bipolaire à grille isolée, a son émetteur relié à la deuxième borne 74 du premier sous- étage convertisseur DC-DC 7. Le deuxième sous-étage convertisseur DC-DC 8 comporte également trois connexions électriques représentées par leur inductance 801. Ces trois connexions sont connectées au point central de branches de convertisseur DC-DC chacune munie de deux interrupteurs 802 et de diodes 803, ici des transistors bipolaires à grille isolée 802 munis de diodes intrinsèques 803. Dans chaque branche, l'un des transistors bipolaire à grille isolée 802 a son collecteur relié à la deuxième borne 73 du premier sous-étage convertisseur DC-DC 7. L'autre transistor bipolaire à grille isolée 802, qui est en série avec le premier transistor bipolaire à grille isolée, a son émetteur relié à la deuxième borne 74 du premier sous-étage convertisseur DC-DC 7.Specifically, the two substages DC-DC converters 7 and 8 operate in chopper-boost mode. Therefore, it is advantageous to dimension the electric machine 3 for this constant voltage level at the output of the DC-DC converter stage and for a lower current at the output of the inverter stage 4. It can also be noted that the losses conduction in the inverter are reduced and its efficiency is higher. However, it may then be necessary to increase the number of turns of the electric machine 3 to maintain the same magnetomotive force. By way of example, for a battery 1 having a voltage at its terminals varying between 250V and 410V, the output voltage of the DC-DC converter stage 5 can be of the order of 500V, which makes it possible to reduce the current level at the output of the inverter by a factor of 2 (compared to a system without a DC-DC converter stage), which may require doubling the number of turns for an equal magnetomotive force. FIG. 3 shows in greater detail the DC-DC converter stage 5. The first DC-DC converter sub-stage 7 comprises three electrical connections connected to the first terminal 71, these connections being represented schematically by their inductance. 701. These three connections are connected to the central point of DC-DC converter branches each provided with two switches 702 and diodes 703, here insulated gate bipolar transistors 702 provided with intrinsic diodes 703. In each branch, one of the insulated gate bipolar transistors 702 has its collector connected to the second terminal 73 of the first DC-DC converter sub-stage 7. The other insulated gate bipolar transistor 702, which is in series with the first insulated gate bipolar transistor, has its transmitter connected to the second terminal 74 of the first DC-DC converter sub-stage 7. The second DC-DC 8 converter sub-stage also comprises three The three connections are connected to the central point of DC-DC converter branches each provided with two switches 802 and diodes 803, here insulated gate bipolar transistors 802 provided with intrinsic diodes 803. In each branch, one of the insulated gate bipolar transistors 802 has its collector connected to the second terminal 73 of the first DC-DC converter sub-stage 7. The other insulated gate bipolar transistor 802, which is in series with the first transistor bipolar with insulated gate, its transmitter connected to the second terminal 74 of the first DC-DC converter sub-stage 7.
L'étage convertisseur DC-DC 5 comporte ici six branches indépendantes, les inductances de liaison 701 et 801 de chacune de ces branches sont identiques. Lors d'une phase de traction, l'étage convertisseur DC-DC 5 assure le transfert de puissance de la batterie 1 vers l'onduleur 4. Lors d'une phase de freinage régénératif, l'étage convertisseur DC-DC 5 assure le transfert de puissance de l'onduleur 4 vers la batterie 1. Lors de phases de traction ou lors de phases de freinage régénératif, on peut commander les interrupteurs ou transistors bipolaires à grille isolée des branches de l'étage convertisseur DC-DC 5 avec des signaux déphasés de 27t/6 (le nombre de branche activées étant égal à 6), avec un même rapport cyclique. Les inductances 701 et 801 sont alors parcourues par un même courant moyen (le courant total divisé par le nombre de branches), ce qui limite les contraintes sur chaque interrupteur et qui augmente la surface d'échange thermique.The DC-DC converter stage 5 here comprises six independent branches, the link inductances 701 and 801 of each of these branches are identical. During a traction phase, the DC-DC converter stage 5 ensures the transfer of power from the battery 1 to the inverter 4. During a regenerative braking phase, the DC-DC converter stage 5 ensures the transfer of power from the inverter 4 to the battery 1. During pulling phases or during regenerative braking phases, it is possible to control the insulated gate bipolar switches or transistors of the branches of the DC-DC converter stage 5 with signals out of phase by 27t / 6 (the number of activated branches being equal to 6), with the same duty cycle. The inductances 701 and 801 are then traversed by the same average current (the total current divided by the number of branches), which limits the constraints on each switch and increases the heat exchange surface.
La fréquence d'ondulation du courant en entrée de l'étage convertisseur DC-DC 5, en traction, est égale à la fréquence de découpage multipliée par le nombre de branches, ce qui permet de réduire l'ondulation de la tension de sortie et du courant d'entrée. La valeur de la capacité du condensateur 6 peut ainsi être réduite, ce qui augmente la densité de puissance du convertisseur. On peut noter que l'on peut alors observer une distribution de la puissance sur plusieurs phases et donc une meilleure répartition des échanges thermiques. On obtient aussi un convertisseur DC-DC plus modulaire et facilement modifiable, et dont le coût peut être réduit compte tenu du fait que des composants de calibre plus faible peuvent être utilisés. Enfin, on a une réduction des pertes par commutation en cas de fonctionnement en conduction discontinue.The ripple frequency of the input current of the DC-DC converter stage 5, in traction, is equal to the switching frequency multiplied by the number of branches, which makes it possible to reduce the ripple of the output voltage and of the input current. The capacitance value of the capacitor 6 can thus be reduced, which increases the power density of the converter. It can be noted that we can then observe a power distribution over several phases and therefore a better distribution of heat exchanges. A more modular and easily modifiable DC-DC converter is also obtained, the cost of which can be reduced in view of the fact that smaller-sized components can be used. Finally, there is a reduction in switching losses in the case of discontinuous conduction operation.
A titre d'exemple, chaque sous-étage convertisseur DC-DC peut fournir une puissance de 22kW, on obtient donc, lors d'une phase de traction, en sortie de l'étage convertisseur DC-DC 44kW. Pour commander les interrupteurs de chacun des sous-étages convertisseurs DC-DC 7 et 8 de l'étage convertisseur DC-DC 5, on peut utiliser un unique capteur de courant pour mesurer le courant en sortie de la batterie 1 pour ensuite calculer un rapport cyclique commun à tous les interrupteurs. En variante, on peut utiliser un capteur de courant par branche pour tenir compte des variations des pertes dans chaque branche. Le calcul des rapports cycliques et la commande des interrupteurs peuvent être mis en oeuvre au sein de moyens de commande, par exemple une unité de commande électronique embarquée au sein du véhicule.By way of example, each DC-DC converter sub-stage can provide a power of 22 kW, which results in a pull phase at the output of the DC-DC converter stage 44 kW. To control the switches of each of the DC-DC converter sub-stages 7 and 8 of the DC-DC converter stage 5, a single current sensor can be used to measure the output current of the battery 1 and then calculate a ratio cyclic common to all switches. Alternatively, a current sensor per branch may be used to account for variations in losses in each branch. The calculation of the cyclic ratios and the control of the switches can be implemented within control means, for example an on-board electronic control unit within the vehicle.
Le circuit de raccordement est muni de trois entrées 90, 91 et 92 pour une connexion à un réseau d'alimentation électrique monophasé ou triphasé, comme on va le voir ci-après en se référant aux figures 4 et 5. Sur la figure 4, on a représenté une configuration permettant la charge de la batterie 1 par un raccordement à un réseau d'alimentation électrique. Dans cette configuration, les interrupteurs 10, 11 et 12 sont ouverts. De ce fait, le deuxième sous-étage convertisseur 8 se retrouve disposé en amont avec le premier sous-étage convertisseur 7 (en charge par un réseau d'alimentation électrique, l'onduleur 4 est bloqué). Sur cette figure 4, on a également représenté un réseau d'alimentation électrique triphasé muni de phases 21, 22 et 23 raccordées aux connexions électriques représentées par les inductances 801.The connection circuit is provided with three inputs 90, 91 and 92 for connection to a single-phase or three-phase power supply network, as will be seen hereinafter with reference to FIGS. 4 and 5. In FIG. there is shown a configuration for charging the battery 1 by a connection to a power supply network. In this configuration, the switches 10, 11 and 12 are open. Therefore, the second converter sub-stage 8 is located upstream with the first converter sub-stage 7 (in charge by a power supply network, the inverter 4 is blocked). In this figure 4, there is also shown a three-phase power supply network provided with phases 21, 22 and 23 connected to the electrical connections represented by the inductances 801.
On peut noter que les deux sous-étages convertisseurs DC-DC 7 et 8 mis en cascade lors d'une phase de charge peuvent fournir à la batterie 1 une puissance de 22kW s'ils sont tous les deux dimensionnés pour fournir une telle puissance.It may be noted that the two DC-DC converter sub-stages 7 and 8 cascaded during a charging phase can provide the battery 1 with a power of 22 kW if both are sized to provide such power.
Le deuxième sous-étage convertisseur DC-DC 8 est ici commandé pour former un circuit redresseur avec correction du facteur de puissance pour former un circuit connu sous le nom de « bridgeless boost PFC ». La commande du deuxième sous-étage convertisseur DC- DC 8 peut être obtenue par une commande à modulation de largeur d'impulsion intersective ou vectorielle. A cet effet, on pourra se référer au document « Design, simulation and implementation of a 3-phase boost battery charger » (Sylvain Lechat Sanjuan - Department of Energy and Environment, Division of Electric Power Engineering - Chalmers University of Technology - Gôteborg, Sweden, 2010) ou au document « Generalised simulation and experimental implementation of space vector PWM technique of a three-phase voltage source inverter » (Atif Iqbal et al - International Journal of Engineering, Science and Technology - Vol. 1, No 1, 2010, pp. 1-12).The second DC-DC converter sub-stage 8 is here controlled to form a rectifier circuit with power factor correction to form a circuit known as the "bridgeless boost PFC". The control of the second DC-DC converter sub-stage 8 can be obtained by an intersetric or vector pulse width modulation control. For this purpose, reference may be made to the document "Design, simulation and implementation of a 3-phase boost battery charger" (Sylvain Lechat Sanjuan - Department of Energy and Environment, Division of Electric Power Engineering - Chalmers University of Technology - Gothenburg, Sweden , 2010) or the document "Generalised simulation and experimental implementation of space vector PWM technique of a three-phase voltage source inverter" (Atif Iqbal et al - International Journal of Engineering, Science and Technology - Vol 1, No 1, 2010, pp. 1-12).
On peut noter que la tension en sortie du deuxième sous-étage convertisseur DC-DC 8 peut être contrôlée à une valeur au moins égale au double de la tension crête du réseau d'alimentation électrique (650V(DC) pour une tension efficace phase-neutre de 230V(AC)). Le premier sous-étage convertisseur DC-DC 7 permet quant à lui d'adapter la tension en sortie pour la batterie. L'étage convertisseur DC-DC 5, réversible en courant, assure le transfert de la puissance du réseau d'alimentation électrique 21, 22 et 23 vers la batterie. Aussi, il est possible de fournir de l'énergie de la batterie vers le réseau pendant les heures de pointe.It may be noted that the output voltage of the second DC-DC converter sub-stage 8 can be controlled to a value at least equal to twice the peak voltage of the power supply network (650 V (DC) for a phase-to-phase effective voltage. neutral of 230V (AC)). The first DC-DC converter sub-stage 7 makes it possible to adapt the output voltage for the battery. The converter stage DC-DC 5, reversible in current, ensures the transfer of the power of the power supply network 21, 22 and 23 to the battery. Also, it is possible to supply battery power to the grid during peak hours.
Sur la figure 5, on a représenté une connexion à un réseau d'alimentation électrique monophasé comportant une phase 31. Dans cette configuration, seuls deux bras du deuxième sous-étage convertisseur DC-DC 8 seront commandés. On obtient un redresseur de type « Full bridge boost rectifier ».FIG. 5 shows a connection to a single-phase power supply network comprising a phase 31. In this configuration, only two arms of the second DC-DC converter sub-stage 8 will be controlled. We obtain a rectifier type "Full bridge boost rectifier".
Le circuit de raccordement 9 est néanmoins également configuré pour recevoir trois phases lors d'un raccordement à un réseau d'alimentation triphasé, comme illustré dans l'exemple de la figure 4.The connection circuit 9 is nevertheless also configured to receive three phases when connected to a three-phase supply network, as illustrated in the example of FIG. 4.
L'invention permet d'obtenir des fonctions de redresseur-survolteur et de hacheur-abaisseur facilement au moyen du deuxième sous-étage convertisseur DC-DC 8 et du premier sous-étage convertisseur DC-DC 7. Aucun pont redresseur n'est nécessaire pour la charge à partir d'un réseau d'alimentation électrique qui est mise en oeuvre par un raccordement direct au deuxième sous-étage convertisseur DC-DC 8. L'invention permet également d'obtenir un bon partage de la puissance entre un nombre plus élevé de composants, de bien intégrer l'élévation de tension en traction et la charge, de limiter les perturbations de mode commun dues au couplage entre la machine électrique et le châssis (la charge du véhicule n'utilisant pas la machine électrique), de réduire les perturbations en mode commun due aux capacités parasites entre la borne négative de la batterie et le châssis (ce qui permet de réduire le filtrage), d'éliminer le risque de rotation ou de vibration de la machine électrique pendant la charge, et enfin d'être adaptée pour plusieurs types d'application et de réseau d'alimentations électriques.The invention makes it possible to obtain rectifier-booster and chopper-step-down functions easily by means of the second DC-DC converter sub-stage 8 and the first DC-DC converter sub-stage 7. No rectifier bridge is necessary for charging from a power supply network which is implemented by a direct connection to the second DC-DC converter sub-stage 8. The invention also makes it possible to obtain a good sharing of the power between a number higher components, to properly integrate the voltage rise in tension and the load, to limit the common mode disturbances due to the coupling between the electrical machine and the chassis (the load of the vehicle not using the electric machine), reduce common mode interference due to parasitic capacitances between the negative terminal of the battery and the chassis (which reduces filtering), eliminating the risk of rotation or vibration of the machine Electric during charging, and finally to be suitable for many types of application and network power supplies.
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