FR2996700A1 - Convertisseur courant continu/courant continu pour un vehicule - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un convertisseur courant continu/courant continu (1) pour un véhicule comprenant une inductance (3), un commutateur (7), un comparateur à hystérésis (9) pour produire un signal de commutation pour piloter le commutateur (7) afin de générer un courant traversant l'inductance (3) et un régulateur (11) pour fournir à une borne du au comparateur (9) une tension de régulation du courant traversant l'inductance (3). Le convertisseur caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif d'arrêt de génération de courant (15) apte à modifier une valeur d'une tension appliquée à une autre borne du comparateur afin d'arrêter la commutation du commutateur (7).

Description

CONVERTISSEUR COURANT CONTINU/COURANT CONTINU POUR UN VEHICULE La présente invention concerne de manière générale un convertisseur courant continu/courant continu (DC/DC) de tension et plus particulièrement un convertisseur courant continu/courant continu abaisseur de tension, un convertisseur courant continu/courant continu élévateur de tension et un convertisseur courant continu/courant continu réversible pour un véhicule. Les convertisseurs abaisseur de tension et élévateur de tension présentent en général des difficultés à s'arrêter correctement lors de l'atteinte d'une consigne en tension, ou lorsque le courant de consigne est quasi-nul, ou lorsque le courant de charge est faible (quelques ampères) si bien que la régulation du convertisseur devient instable. En outre, pour les convertisseurs à fréquence fixe, le rapport cyclique de commande des commutateurs atteint en général une valeur limite basse telle que l'asservissement n'est plus réalisé, ce qui entraine une dérive positive et croissante de la tension de sortie du convertisseur.

De plus, des émissions conduites et rayonnées sont présentes sur un spectre large en radiofréquence et une conformité aux normes exigées est par conséquent difficile à atteindre. Le brevet FR2966294 décrit un procédé de recharge d'un module supercondensateur par un convertisseur de tension DC/DC au sein d'un dispositif de maintien de la tension du réseau de bord d'un véhicule correspondant à dispositif d'arrêt et de redémarrage automatique d'un moteur thermique. Le brevet FR2722738 décrit un dispositif de commande pour une automobile hybride utilisant un moteur électrique d'entraînement et un 25 moteur à combustion interne. L'énergie produite par le moteur électrique d'entraînement est appliquée à un générateur par l'intermédiaire d'un onduleur de sorte que le générateur entraîne le moteur à combustion interne afin de lui appliquer une force de freinage. L'énergie produite pendant le freinage qui ne peut être absorbée par une batterie saturée lorsque le véhicule parcourt une descente peut être utilisée pour freiner le véhicule.

Un but de la présente invention est de répondre aux inconvénients mentionnés ci-dessus et, en particulier, de proposer un convertisseur qui assure un arrêt correct du convertisseur lors de l'atteinte d'une consigne en tension. Pour cela un premier aspect de l'invention concerne un convertisseur 10 courant continu/courant continu pour un véhicule comprenant : - une inductance ; - un commutateur ; - un comparateur à hystérésis pour produire un signal de commutation pour piloter le commutateur afin de générer un 15 courant traversant l'inductance ; - un régulateur pour fournir à une borne du au comparateur une tension de régulation du courant traversant l'inductance ; caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif d'arrêt de génération de courant apte à modifier une valeur d'une tension appliquée à une autre 20 borne du comparateur afin d'arrêter la commutation du commutateur. Un tel convertisseur s'arrête correctement lors de l'atteinte d'une consigne en tension et assure que la régulation du convertisseur ne devient pas instable, que la tension de sortie du convertisseur ne dérive pas et que les émissions conduites et rayonnées sont présentes sur un spectre faible en 25 radiofréquence permettant une conformité aux normes exigées. De manière très avantageuse, le dispositif d'arrêt de génération de courant est apte à ajouter une tension de décalage à une tension représentative du courant traversant l'inductance appliquée à une entrée inverseuse du comparateur.

Une réalisation particulièrement intéressante consiste en ce que le dispositif d'arrêt de génération de courant est disposé entre une entrée inverseuse du comparateur et des moyens fournissant une tension représentative du courant traversant l'inductance.

De manière avantageuse, le dispositif d'arrêt de génération de courant inclut un additionneur et des moyens fournissant une fraction d'une tension d'alimentation générale du convertisseur. De manière avantageuse, l'additionneur est apte à additionner la fraction d'une tension d'alimentation générale du convertisseur à la tension 10 représentative du courant traversant l'inductance, et à fournir le résultat à l'entrée inverseuse du comparateur. De manière très avantageuse, il comprend en outre des moyens pour déterminer la valeur de la tension à fournir par les moyens fournissant une fraction d'une tension d'alimentation générale du convertisseur sur la base 15 de la valeur de la tension de régulation fournie par le régulateur. De manière très avantageuse, il comprend des moyens pour réguler les moyens fournissant une fraction d'une tension d'alimentation générale du convertisseur à la valeur de tension déterminée. De manière très avantageuse, les moyens pour fournir une fraction de 20 la tension d'alimentation générale du convertisseur comprennent un pont diviseur de deux résistances. Dans une réalisation particulièrement intéressante, le convertisseur est un convertisseur élévateur de tension ou un convertisseur abaisseur de tension ou un convertisseur réversible. 25 Selon un deuxième aspect, la présente l'invention concerne un véhicule automobile comprenant un convertisseur tel que défini ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, dans lesquels : - la Figure 1 illustre un convertisseur courant continu/courant continu abaisseur de tension selon la présente invention ; - la Figure 2 illustre un dispositif d'arrêt de génération de courant selon la présente invention ; - la Figure 3a illustre le défaut des convertisseurs connus dans l'art antérieur qui ne s'arrête pas correctement lorsqu'une consigne en tension atteint une valeur proche de OV ; - la Figure 3b illustre l'amélioration apportée par le convertisseur selon la présente invention qui s'arrête correctement lorsqu'une consigne en tension atteint une valeur proche de OV ; - la Figure 4 illustre un exemple de réalisation du dispositif d'arrêt selon la présente invention ; - la Figure 5 illustre un convertisseur courant continu/courant continu élévateur de tension selon la présente invention ; et - la Figure 6 illustre un convertisseur courant continu/courant continu réversible selon la présente invention. La Figure 1 illustre un convertisseur courant continu/courant continu abaisseur de tension pour un véhicule selon la présente invention. Le convertisseur fonctionne en mode courant. Le convertisseur 1 comprend une inductance 3, une diode 5, un commutateur 7, un comparateur à hystérésis 9 pour produire un signal de commutation pour piloter le commutateur 7 afin de générer un courant traversant l'inductance 3 et un régulateur 11 pour fournir à une entrée non-inverseuse du comparateur 9 une tension de régulation VREG du courant traversant l'inductance 3. Le convertisseur 1 inclut des moyens 13 pour fournir une tension Vu (une image du courant IL1) représentative du courant IL1 traversant l'inductance 3 à une entrée inverseuse du comparateur 9. Les moyens 13 comprennent un convertisseur linéaire courant / tension de gain R. Le convertisseur 1 comprend en outre un premier et un second condensateur de filtrage C1, C2.

Comme illustré sur la Figure 1, le convertisseur est relié à un premier stockeur d'énergie électrique ST1 par l'intermédiaire d'une borne d'entrée E et à un deuxième stockeur d'énergie électrique ST2 par l'intermédiaire d'une borne de sortie S. Les stockeurs d'énergie électrique ST1 et ST2 sont reliés à une masse M. Le premier stockeur d'énergie électrique ST1 est, par exemple, une batterie telle qu'une batterie électrochimique et le deuxième stockeur d'énergie électrique ST2 est, par exemple, un supercondensateur ou une batterie ou charges. Le commutateur 7 est relié électriquement d'un côté à la borne d'entrée E et de l'autre côté en série avec l'inductance 3 qui est reliée de l'autre côté à la borne de sortie S. La diode 5 est reliée électriquement du côté cathode entre le commutateur 7 et l'inductance 3 et elle est reliée électriquement du côté anode à la masse M. Le comparateur à hystérésis 9 est relié électriquement au commutateur 7 afin de transmettre un signal de commutation dont le rapport cyclique permettra la fermeture et l'ouverture du commutateur 7. Le comparateur à hystérésis 9 reçoit à son entrée non-inverseuse la tension Vu représentative du courant lu traversant l'inductance 3 et à son entrée inverseuse une tension de régulation VREG fournie par le régulateur 11.

Le régulateur 11 est apte à recevoir un signal de rétroaction en tension d'une tension de sortie Vout du convertisseur et un signal de consigne. Le régulateur 11 est apte à déterminer une valeur de tension de régulation VREG à partir de la valeur de la tension de sortie Vout et de la valeur du signal de consigne Vconsigne. La tension de régulation VREG est fournie au comparateur à hystérésis 9 et le courant traversant l'inductance 3 est régulé à la valeur de la tension de régulation VREG. Le premier condensateur de filtrage Cl est raccordé électriquement d'un côté entre le commutateur 7 et la borne d'entrée E et de l'autre côté à la masse M. Le second condensateur de filtrage C2 est raccordé électriquement d'un côté entre l'inductance 3 et la borne de sortie S et de l'autre côté à la masse M. Le convertisseur selon la présente invention comprend en outre un dispositif d'arrêt de génération de courant 15 apte à modifier la valeur de la tension appliquée à l'entrée inverseuse du comparateur à hystérésis 9 afin d'arrêter la commutation du commutateur 7 et la génération du courant IL1 traversant l'inductance 3. Le dispositif d'arrêt de génération de courant 15 est disposé entre l'entrée inverseuse du comparateur et les moyens 13 fournissant une tension 15 représentative du courant traversant l'inductance 3. La Figure 2 illustre les détails du dispositif d'arrêt de génération de courant 15 selon la présente invention. Le dispositif d'arrêt de génération de courant 15 inclut un additionneur 17 et des moyens 19 fournissant une fraction d'une tension d'alimentation générale (par exemple Vcc = +5V) du 20 convertisseur. Les moyens 19 pour fournir une fraction de la tension d'alimentation générale comprennent, par exemple, un pont diviseur de deux résistances. L'additionneur 17 est relié à l'entrée inverseuse du comparateur et est apte à additionner une tension de décalage, qui est la fraction (par exemple 25 0.5V) de la tension d'alimention générale, à la tension Vu représentative du courant traversant l'inductance. L'additionneur 17 fournit le résultat à l'entrée inverseuse du comparateur. La tension résultante obtenue sur l'entrée inverseuse du comparateur 9 est égale à (R X IL1) + 0.5 V. Lorsque la tension VREG est inférieure à cette tension résultante (R X IL1) + 0.5 V, le comparateur 9 passe à l'état bas (0 volt), générant l'arrêt du commutateur 7 du convertisseur. La Figure 3a illustre le défaut des convertisseurs connus dans l'art antérieur qui ne s'arrêtent pas correctement lorsque la tension de régulation VREG atteint une valeur proche de OV. Lorsque VREG atteint une valeur proche de OV, un courant IL1 est toujours produit par l'inductance 3. Le courant ne s'annule pas et le convertisseur fonctionne toujours alors que le fonctionnement souhaité est l'arrêt définitif. Le système de régulation est instable.

En revanche, la Figure 3b illustre l'amélioration apportée par le convertisseur selon la présente invention qui s'arrête correctement lorsque VREG atteint une valeur proche de OV (courant lu=0) car le courant s'annule grâce à l'application de la tension de décalage par le dispositif d'arrêt de génération de courant 15. Le système de régulation est maintenant stable.

La Figure 4 illustre un exemple de réalisation du dispositif d'arrêt de génération de courant 15 selon la présente invention. La présente invention s'applique également à un convertisseur courant continu/courant continu élévateur de tension tel qu'illustré dans la Figure 5. Le convertisseur courant continu/courant continu élévateur de tension diffère du convertisseur abaisseur de tension (tel qu'illustré dans la Figure 1) en ce que l'inductance 3 est relié électriquement d'un côté à la borne d'entrée E et de l'autre côté en série avec le côté anode de la diode 5. Le côté cathode de la diode 5 est relié à la borne de sortie S. Le commutateur 7 est relié électriquement d'un côté entre la diode 5 et l'inductance 3 et de l'autre côté à la masse M. Comme pour le convertisseur abaisseur de tension, le dispositif d'arrêt de génération de courant 15 est disposé entre l'entrée inverseuse du comparateur 9 et les moyens 13 fournissant une tension représentative du courant IL1 traversant l'inductance 3.

En outre, la présente invention s'applique également à un convertisseur courant continu/courant continu réversible 100 tel qu'illustré dans la Figure 6. Le convertisseur 100 comprend une inductance 103, une première et 5 une deuxième diode D1, D2, un premier et un deuxième commutateur S1, S2, un générateur 109 tel qu'un comparateur à hystérésis pour produire un signal de commutation pour piloter le commutateur S1 ou S2 afin de générer un courant traversant l'inductance 103 et un régulateur 111 pour fournir à une entrée non-inverseuse du comparateur 109 une tension de régulation 10 VREG du courant traversant l'inductance 103. Le convertisseur comprend en outre le dispositif d'arrêt de génération de courant 15 selon la présente invention et un commutateur 117. Le convertisseur 100 inclut des moyens 113 pour fournir une tension Vu (une image du courant IL1) représentative du courant IL1 traversant 15 l'inductance 103 à une entrée inverseuse du comparateur 109. Les moyens 113 comprennent un convertisseur linéaire courant / tension de gain R. Le convertisseur 100 comprend en outre un premier et un second condensateur de filtrage C100, C200. Comme illustré sur la Figure 6, le convertisseur 100 est relié à un 20 premier stockeur d'énergie électrique ST100 par l'intermédiaire d'une première borne E100 et à un deuxième stockeur d'énergie électrique ST200 par l'intermédiaire d'une deuxième borne S100. Les stockeurs d'énergie électrique ST100 et ST200 sont reliés à une masse M. Lorsque le convertisseur 100 fonctionne en tant que convertisseur abaisseur de tension, 25 le premier stockeur d'énergie électrique ST100 est, par exemple, une batterie telle qu'une batterie électrochimique et le deuxième stockeur d'énergie électrique ST200 est, par exemple, un supercondensateur ou une batterie ou charges. Lorsque le convertisseur 100 fonctionne en tant que convertisseur élévateur de tension, le deuxième stockeur d'énergie électrique ST200 est, 30 par exemple, une batterie telle qu'une batterie électrochimique et le premier stockeur d'énergie électrique ST100 est, par exemple, un supercondensateur ou une batterie ou charges. Le commutateur S2 est relié électriquement d'un côté à la première borne E100 et de l'autre côté en série avec l'inductance 103 qui est reliée de l'autre côté à la deuxième borne S100. La diode D2 est disposée en parallèle avec le commutateur S2. La cathode de la diode D2 est reliée électriquement à la première borne E100 et l'anode de la diode D2 est reliée électriquement à l'inductance 103. La diode D1 est disposée en parallèle avec le commutateur S1, La 10 cathode de la diode D1 est raccordée entre le commutateur S2 et l'inductance 103 et l'anode de la diode D1 est reliée électriquement à la masse M. Le comparateur à hystérésis 109 est relié électriquement au commutateur S1 par l'intermédiaire du commutateur 117 afin de transmettre 15 un signal de commutation dont le rapport cyclique permettra la fermeture et l'ouverture du commutateur S1. Le comparateur à hystérésis 109 est relié électriquement au commutateur S2 par l'intermédiaire du commutateur 117 afin de transmettre un signal de commutation dont le rapport cyclique permettra la fermeture et l'ouverture du commutateur S2. 20 Le commutateur 117 est apte à recevoir un signal SENS (par exemple, fourni par des moyens de commande externes) pour effectuer un changement du mode abaisseur de tension au mode élévateur de tension (ou vice versa). Par exemple, le commutateur 117 est apte à adopter la configuration 25 d'un convertisseur abaisseur de tension lorsque la valeur du signal SENS est égale à OV (un niveau logique 0) en ouvrant le commutateur S1 et en fournissant un signal de commutation HS au commutateur S2. Dans ce cas, la première borne E100 est une borne d'entrée de tension et la deuxième borne S100 est une borne de sortie de tension. Le commutateur 117 est en 30 outre apte à adopter la configuration d'un convertisseur élévateur de tension -10- lorsque la valeur du signal SENS est égale à 5V (un niveau logique 1) en ouvrant le commutateur S2 et en fournissant un signal de commutation LS au commutateur 51. Dans ce cas, la première borne E100 est une borne de sortie de tension et la deuxième borne S100 est une borne d'entrée de tension. Le comparateur à hystérésis 109 reçoit à son entrée non-inverseuse une tension de régulation du régulateur 111. Le régulateur 111 est apte à recevoir des signaux de rétroaction en tension d'une tension de sortie Vout A et Vout B du convertisseur et un signal de consigne Vconsigne. Le régulateur 111 est apte à recevoir le signal SENS et à sélectionner le signal de rétroaction en tension d'une tension de sortie Vout B lorsque la valeur du signal SENS est égale à OV (un niveau logique 0) et à sélectionner le signal de rétroaction en tension d'une tension de sortie Vout A lorsque la valeur du signal SENS est égale à 5V (un niveau logique 1).

Le régulateur 111 est apte à déterminer une valeur de tension de régulation VREG à partir de la valeur de la tension de sortie Vout A ou Vout B et de la valeur du signal de consigne Vconsigne. Le premier condensateur de filtrage Cl est raccordé électriquement d'un côté entre le commutateur S2 et la première borne E100 et de l'autre côté à la masse M. Le second condensateur de filtrage C2 est raccordé électriquement d'un côté entre l'inductance 103 et la deuxième borne S100 et de l'autre côté à la masse M. Le dispositif d'arrêt de génération de courant 15 est disposé entre l'entrée inverseuse du comparateur 109 et les moyens 113 fournissant une tension représentative du courant IL1 traversant l'inductance 103. Les moyens 113 fournissant une tension représentative du courant IL1 traversant l'inductance 103 sont aptes à recevoir le signal SENS et à fournir une valeur absolue (positive ou nulle) de la tension Vu au dispositif d'arrêt de génération de courant 15.30 Grace à la présente invention, la régulation en tension et courant est stable pour des valeurs de consigne (VREG) proche de OV. La tension de sortie ne dérive pas car le convertisseur est à l'arrêt et stable. Lorsque le courant de consigne est quasi-nul, ou lorsque le courant de charge est faible (quelque ampères) (VREG proche de 0), alors le convertisseur abaisseur de tension ou éleveur de tension travaille à des fréquences très basses puis s'arrête. Les émissions conduites et rayonnées sont alors présentes sur un spectre faible en radiofréquence. La conformité aux normes est alors plus facile à atteindre.

On comprendra que diverses modifications et / ou améliorations évidentes pour l'homme du métier peuvent être apportées aux différents modes de réalisation de l'invention décrits dans la présente description sans sortir du cadre de l'invention défini par les revendications annexées.

Claims (8)

1. REVENDICATIONS1. Convertisseur courant continu/courant continu (1 ;100) pour un véhicule comprenant : - une inductance (3) ; - un commutateur (7) ; - un comparateur à hystérésis (9) pour produire un signal de commutation pour piloter le commutateur (7) afin de générer un courant traversant l'inductance (3) ; - un régulateur (11) pour fournir à une borne du au comparateur (9) une tension de régulation du courant traversant l'inductance (3) ; caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif d'arrêt de génération de courant (15) apte à modifier une valeur d'une tension appliquée à une autre borne du comparateur afin d'arrêter la commutation du commutateur (7).
2. 2. Convertisseur (1 ; 100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'arrêt de génération de courant (15) est apte à ajouter une tension de décalage à une tension représentative du courant traversant l'inductance (3) appliquée à une entrée inverseuse du comparateur (9).
3. 3. Convertisseur (1 ;100) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé 20 en ce que le dispositif d'arrêt de génération de courant (15) est disposé entre une entrée inverseuse du comparateur (9) et des moyens (13) fournissant une tension (Vu) représentative du courant traversant l'inductance (3).
4. 4. Convertisseur (1 ;100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif d'arrêt de génération 25 de courant (15) inclut un additionneur (17) et des moyens (19) fournissant une fraction d'une tension d'alimentation générale du convertisseur.
5. 5. Convertisseur (1 ;100) selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'additionneur (17) est apte à additionner la fraction d'une tension d'alimentation générale du convertisseur à la tension représentative du-13- courant traversant l'inductance (3), et à fournir le résultat à l'entrée inverseuse du comparateur (9).
6. 6. Convertisseur (1 ;100) selon l'une quelconque des revendications 4 à 5, caractérisé en ce que les moyens (19) pour fournir une 5 fraction de la tension d'alimentation générale du convertisseur comprennent un pont diviseur de deux résistances.
7. 7. Convertisseur (1 ;100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le convertisseur est un convertisseur élévateur de tension (1) ou un convertisseur abaisseur de 10 tension (1) ou un convertisseur réversible (100).
8. 8. Véhicule automobile comprenant le convertisseur (1 ; 100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.