FR3044177A1 - Chargeur de batterie embarque dans un vehicule automobile muni d'au moins un moteur electrique - Google Patents

Chargeur de batterie embarque dans un vehicule automobile muni d'au moins un moteur electrique Download PDF

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Abstract

Chargeur de batterie embarqué dans un véhicule automobile muni d'au moins un moteur électrique, le chargeur comprenant un filtre d'entrée (2), un redresseur (3), les inductances de la machine électrique (4), un onduleur (5), le chargeur étant connecté à un réseau d'alimentation électrique (1) par l'intermédiaire du filtre d'entrée (2), et à une batterie (6) par l'intermédiaire de l'onduleur (5). Le chargeur comprend un organe de coupure (7) disposé entre le réseau d'alimentation électrique (1) et le filtre d'entrée (2), en amont du redresseur (3), l'organe de coupure (7) comprenant un organe de sectionnement (8), un organe de détection de courant (9), et un organe de commande (10), l'organe de commande (10) étant apte à commander l'organe de sectionnement (8) en fonction d'au moins une mesure de courant de l'organe de détection de courant (9) et d'au moins un seuil de courant.

Description

Chargeur de batterie embarqué dans un véhicule automobile muni d'au moins un moteur électrique. L’invention a pour domaine technique les chargeurs de batterie embarqués dans des véhicules automobiles, et plus précisément de tels chargeurs sans isolation galvanique entre la batterie et le réseau d’alimentation électrique.
Les topologies de chargeurs sans isolation galvanique permettent de charger les batteries sur réseau monophasé ou triphasé sans transformateur d’isolement.
Les réseaux d’alimentation monophasés ou triphasés comprennent généralement des disjoncteurs de type A ou de type B pour protéger l’utilisateur en cas de défaillance du circuit de charge pouvant conduire à l’établissement d’une tension aux bornes du châssis. Ces disjoncteurs permettent de détecter et de couper des courants avec une composante continue.
Par ailleurs, l’état de l’art relatif aux bornes de recharge au niveau mondial fait apparaître que, dans certains pays, il n’est pas employé un niveau adéquat de disjoncteur différentiel dans ou en amont des bornes de recharge employées pour recharger des véhicules munis d’un chargeur embarqué ayant ce genre de topologie.
Le document FR2987515 décrit un chargeur embarqué pour véhicule électrique ou hybride, comportant des moyens de mesure d’une composante continue d’un courant de fuite, des moyens de comparaison de cette mesure à un seuil minimum, et des moyens de coupure de la charge du véhicule, ou de passage en mode dégradé de cette charge, lorsque ce seuil est franchi. La coupure de la charge utilise l’ouverture des commutateurs du redresseur du chargeur.
Un tel chargeur ne permet pas une coupure du courant de défaut par les commutateurs du chargeur, inadaptés à protéger également le client en cas de courants supérieurs à 100 A. Des courants de défaut pouvant atteindre plusieurs milliers d’ampère de façon transitoire, ces commutateurs peuvent avoir un mode de défaillance induit par le courant de court-circuit non maîtrisé.
Le document EP2595170 décrit un système de coupure d’alimentation notamment pour la charge d’un véhicule électrique, le système étant pourvu d’un transformateur permettant d’analyser différents niveaux de courant de fuite. Des durées sont associées à chaque seuil dépassé et permettent de couper l’alimentation en cas de courant de fuite dangereux pour l’utilisateur. Des contacteurs sont utilisés mais ce document ne mentionne pas de polarité pour ces contacteurs, ni de fusibles. Le système décrit ne comporte qu’un circuit commandé électriquement, dont le pouvoir de coupure n’est pas adapté pour les forts courants supérieurs à 100 A.
Il existe donc une besoin pour un chargeur embarqué de véhicule automobile apte à interrompre la circulation de courants de court-circuit entre deux phases d’alimentation électrique.
Un objet de l’invention est un chargeur de batterie embarqué dans un véhicule automobile muni d’au moins un moteur électrique, le chargeur comprenant un filtre d’entrée, un redresseur, les inductances du moteur électrique, un onduleur, le chargeur étant connecté à un réseau d’alimentation électrique par l’intermédiaire du filtre d’entrée, et à une batterie par l’intermédiaire de l’onduleur.
Le chargeur comprend un organe de coupure disposé entre le réseau d’alimentation électrique et le filtre d’entrée en amont du redresseur. L’organe de coupure comprend un organe de sectionnement, un organe de détection de courant, et un organe de commande, l’organe de commande étant apte à commander l’organe de sectionnement en fonction d’au moins une mesure de courant de l’organe de détection de courant et d’au moins un seuil de courant. L’organe de détection de courant peut comprendre un capteur apte à déterminer un courant de mode commun, un capteur apte à déterminer un courant de terre et au moins un capteur apte à déterminer au moins un courant différentiel. L’organe de sectionnement peut comprendre au moins un fusible ou disjoncteur magnétothermique. L’organe de sectionnement peut comprendre au moins un contacteur d’entrée apte à interrompre un courant continu sous tension continue et un courant alternatif sous tension alternative. L’organe de sectionnement peut comprendre au moins un contacteur d’entrée apte à interrompre un courant alternatif sous tension alternative.
Le chargeur peut comprendre des contacteurs de batterie aptes à découpler la batterie du chargeur en fonction de la comparaison d’au moins une mesure de courant différentiel à un seuil.
Les contacteurs d’entrée de l’organe de sectionnement peuvent être des contacteurs polarisés avec sens de coupure privilégié en composante continue. L’organe de sectionnement peut comprendre au moins une branche de précharge connectée en parallèle d’un contacteur d’entrée, chaque branche de précharge comprenant un relais et une résistance connectés en série, les relais de précharge étant aptes à être fermés antérieurement à la fermeture des contacteurs d’entrée de sorte à limiter le courant initialement admis dans le chargeur. 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 faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre les principaux éléments d’un chargeur de batterie embarqué dans un véhicule automobile, et - la figure 2 illustre les principaux éléments d’un organe de coupure intégré dans un chargeur de batterie embarqué dans un véhicule automobile, et - la figure 3 illustre les principaux éléments d’un chargeur de batterie embarqué dans un véhicule automobile selon un deuxième mode de réalisation.
La figure 1 illustre un chargeur de batterie embarqué dans un véhicule automobile, comprenant un filtre d’entrée 2, un redresseur 3, les inductances de la machine électrique 4, un onduleur 5 et une batterie 6.
Un réseau d’alimentation électrique triphasé 1 est connecté au filtre d’entrée 2.
Le filtre d’entrée 2 comprend une première capacité Cl connectée par une armature à la première phase du réseau d’alimentation triphasé, une deuxième capacité C2 connectée par une armature à la deuxième phase du réseau d’alimentation triphasé, une troisième capacité C3 connectée par une armature à la troisième phase du réseau d’alimentation triphasé, les autres armatures des capacités Cl, C2, C3 étant connectées ensemble.
Le redresseur 3 comprend trois phases d’entrée connectées chacune à la phase correspondante du réseau d’alimentation électrique par l’intermédiaire du filtre d’entrée 2.
La première phase est connectée à une borne d’un troisième interrupteur 13 et à la cathode d’une sixième diode D6, l’anode d’une troisième diode D3 étant connectée à l’autre borne du troisième interrupteur 13.
De façon similaire, la deuxième phase est connectée à une borne d’un premier interrupteur II et à la cathode d’une quatrième diode D4, l’anode d’une première diode DI étant connectée à l’autre borne du premier interrupteur II.
Enfin, la troisième phase est connectée à une borne d’un deuxième interrupteur 12 et à la cathode d’une cinquième diode D5, l’anode d’une deuxième diode D2 étant connectée à l’autre borne du deuxième interrupteur 12.
La cathode de la première diode Dl, la cathode de la deuxième diode D2 et la cathode de la troisième diode D3 sont reliées ensemble à une première sortie du redresseur. L’anode de la quatrième diode D4 est connectée à une borne d’un quatrième interrupteur 14. L’anode de la cinquième diode D5 est connectée à une borne d’un cinquième interrupteur 15. L’anode de la sixième diode D6 est connectée à une borne d’un sixième interrupteur 16. Les autres bornes du quatrième interrupteur 14, du cinquième interrupteur 15 et du sixième interrupteur 16 sont reliées ensemble à une deuxième sortie du redresseur.
La première sortie du redresseur est connectée aux trois inductances Ll, L2, L3 du moteur électrique triphasé.
La première phase du moteur triphasé comprenant la première inductance Ll est connectée à une première phase de l’onduleur 5.
La deuxième phase du moteur triphasé comprenant la deuxième inductance L2 est connectée à une deuxième phase de l’onduleur 5.
La troisième phase du moteur triphasé comprenant la troisième inductance L3 est connectée à une troisième phase de l’onduleur 5.
La première phase de l’onduleur 5 est connectée à l’anode d’une première diode DOl et à une borne d’un premier interrupteur 101, ainsi qu’à la cathode d’une deuxième diode D02 et à une borne d’un deuxième interrupteur 102. Le premier interrupteur 101 et la première diode DOl sont connectés en parallèle. Le deuxième interrupteur 102 et la deuxième diode D02 sont également connectés en parallèle.
De façon similaire, la deuxième phase de l’onduleur est connectée à l’anode d’une troisième diode D03 et à une borne d’un troisième interrupteur 103, ainsi qu’à la cathode d’une quatrième diode D04 et à une borne d’un quatrième interrupteur 104. Le troisième interrupteur 103 et la troisième diode D03 sont connectés en parallèle. Le quatrième interrupteur 104 et la quatrième diode D04 sont également connectés en parallèle.
Enfin, la troisième phase de l’onduleur est connectée à l’anode d’une cinquième diode D05 et à une borne d’un cinquième interrupteur 105, ainsi qu’à la cathode d’une sixième diode D06 et à une borne d’un sixième interrupteur 106. Le cinquième interrupteur 105 et la cinquième diode D05 sont connectés en parallèle. Le sixième interrupteur 106 et la sixième diode D06 sont également connectés en parallèle.
La cathode de la première diode DOl, l’autre borne du premier interrupteur 101, la cathode de la troisième diode D03, l’autre borne du troisième interrupteur 103, la cathode de la cinquième diode D05 et l’autre borne du cinquième interrupteur 105 sont reliées ensemble à une première sortie de l’onduleur. L’anode de la deuxième diode D02, l’autre borne du deuxième interrupteur 102, l’anode de la quatrième diode D04, l’autre borne du quatrième interrupteur 104, l’anode de la sixième diode D06 et l’autre borne du sixième interrupteur 106 sont reliées ensemble avec la deuxième sortie du redresseur 3 à une deuxième sortie de l’onduleur 5.
Les sorties de l’onduleur 5 sont reliées aux bornes d’une batterie 6.
Sur la figure 1, on peut voir qu’un organe de coupure 7 est disposé entre le réseau d’alimentation électrique 1 et le filtre d’entrée 2, en amont du redresseur 3.
La figure 2 illustre plus en détail la structure de l’organe de coupure 7. L’organe de coupure 7 comprend un organe de sectionnement 8, un organe de détection de courant 9, et un organe de commande 10. L’organe de sectionnement 8 comprend au moins un contacteur 8a,8b,8c,8d apte à interrompre un courant continu sous tension continue et/ou un courant alternatif sous tension alternative, et au moins un fusible ou disjoncteur magnétothermique 8e,8f,8g,8h. L’organe de sectionnement comprend un contacteur et un fusible/disjoncteur par phase d’alimentation électrique. Ainsi pour une alimentation biphasée, l’organe de sectionnement comprend deux contacteurs et deux fusibles/disjoncteurs. Pour une alimentation triphasée avec neutre, tel qu’illustré sur la figure 2, l’organe de sectionnement comprend quatre contacteurs et quatre fusibles/disjoncteurs. L’organe de détection de courant 9 comprend un capteur apte à déterminer un courant de mode commun 9a et des capteurs aptes à déterminer les courants différentiels 9c,9d,9e,9f. Le capteur 9a peut également être remplacé par un capteur apte à déterminer un courant de terre 9b. L’organe de commande 10 est apte à commander les contacteurs 8a,8b,8c,8d d’entrée de l’organe de sectionnement 8 en fonction des mesures reçues des capteurs 9a,9b,9c,9d,9e,9f de l’organe de détection de courant 9.
Les contacteurs et les fusibles sont dimensionnés en fonction des courants de défaillance que l’organe de coupure 8 doit pouvoir interrompre.
Ainsi, les fusibles sont dimensionnés avec un gabarit d’ouverture en courant inférieur au gabarit de coupure des contacteurs. Par exemple les contacteurs sont dimensionnés pour couper une composante en courant et tension continue opérant efficacement pour des courants inférieurs à 400 A, et les fusibles sont dimensionnés pour couper des courants supérieurs à 300A. Le contacteur ayant un pouvoir de coupure en courant continu soit dans les deux sens soit dans un seul sens de courant. On dimensionne également les fusibles de sorte que, pour des courants d’amplitude supérieure au courant de coupure des contacteurs, le délai d’ouverture des fusibles soit inférieur à 200 ms.
Les contacteurs sont dimensionnés avec un gabarit d’ouverture en courant alternatif et continu de sorte que la somme du délai de détection et du délai d’ouverture soit inférieure à 200ms pour des courants d’amplitude inférieure au courant de coupure des contacteurs.
Selon un mode de réalisation particulier, les contacteurs de l’organe de sectionnement 8 sont des contacteurs polarisés à un seul sens en courant continu.
On appelle contacteur polarisé avec sens de coupure privilégié en composante continue, un contacteur permettant de couper la composante alternative d’un courant ainsi que la composante continue lorsque celle-ci correspond au sens de coupure privilégié.
En d’autres termes, ces contacteurs sont polarisés dans un sens de courant privilégié pour pouvoir ouvrir un circuit parcouru par un courant de mode différentiel comprenant une composante continue en tension et en courant.
Appliqués à l’organe de sectionnement 8, les contacteurs polarisés avec sens de coupure privilégié sont positionnés sur chaque phase dans le même sens de polarisation. Une telle configuration permet d’interrompre un courant indésirable, par exemple de court-circuit, circulant entre deux phases par l’ouverture d’un seul contacteur.
Par exemple, en se reportant à la figure 2, un courant de court-circuit avec composante continue circulant depuis la première phase vers la deuxième phase peut être stoppé par l’ouverture du contacteur 8b disposé sur la deuxième phase. Une fois le courant annulé, on commande l’ouverture du contacteur 8a de la première phase.
Selon un autre mode de réalisation illustré par la figure 3, le chargeur de batterie comprend un moyen de commande 11 du redresseur, un moyen de commande et de surveillance 12 de la batterie aptes à communiquer ensemble par l’intermédiaire d’un réseau CAN 13. Dans ce mode de réalisation, le chargeur de batterie est également muni d’un organe de coupure 7 et de contacteurs 14a,14b de batterie aptes à découpler la batterie 6 de l’onduleur 5 du chargeur de batterie et aptes à être commandés par le moyen de commande et de surveillance 12 de la batterie.
Ainsi, le second mode de réalisation comprend des contacteurs 8a,8b,8c,8d d’entrée aptes à interrompre uniquement un courant alternatif dépassant un seuil prédéterminé pour chacune des phases d’alimentation de façon similaire au premier mode de réalisation. Les fusibles permettent d’interrompre les très forts courants pouvant mettre les contacteurs 8a,8b,8c,8d d’entrée en défaut.
Toutefois, la coupure des courants continus est assurée par les contacteurs 14a, 14b de batterie. Les contacteurs 4a, 14b sont commandés par le moyen de commande et de surveillance 12 de la batterie en fonction d’un signal de commande reçu d’un comparateur de la valeur d’au moins un courant différentiel à un seuil.
Le comparateur des courants différentiels émet un signal de commande dépendant du résultat de la comparaison à destination du moyen de commande et de surveillance 12 de la batterie par une liaison dédiée ou par l’intermédiaire du bus CAN.
Dans ce mode de réalisation, les contacteurs sont beaucoup plus compacts. La commande des contacteurs est coordonnée avec les contacteurs de batterie qui permettent déconnecter la batterie 6 à haute tension.
Cette ouverture coordonnée de ces actionneurs permet de réduire fortement la taille, le prix et le volume des contacteurs de l’organe de coupure 7.
Ce deuxième mode de réalisation coordonne les contacteurs 8a,8b,8c,8d d’entrée à des fusibles dont le calibre est judicieusement choisi. Ainsi, les contacteurs 8a,8b,8c,8d d’entrée sont capables d’ouvrir les courants jusqu’à une certaine valeur (égale à leur pouvoir de coupure). En cas de défaut induisant de très forts courants, l’ouverture a lieu par les fusibles.
En complément des modes de réalisation décrits ci-dessus, chaque phase d’alimentation peut comprendre au niveau de l’organe de coupure 7 une branche de précharge comprenant connectés en série un relais et une résistance, la branche de précharge étant connectée en parallèle du contacteur 8a,8b,8c,8d d’entrée correspondant.
Au démarrage, les contacteur 8a,8b,8c,8d d’entrée sont ouverts. Lors de l’autorisation de raccordement au réseau d’alimentation électrique, on ferme d’abord les contacteurs de précharge. Le courant est alors limité par les résistances de précharge .Au bout d’une première temporisation (typiquement égale à une seconde), on ferme également les contacteurs d’entrée 8a,8b,8c,8d Au bout d’une seconde temporisation (typiquement égale à 0,1 seconde), les contacteurs de précharge sont ouverts^

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS
    1. Chargeur de batterie embarqué dans un véhicule automobile muni d’au moins un moteur électrique, le chargeur comprenant un filtre d’entrée (2), un redresseur (3), les inductances du moteur électrique (4), un onduleur (5), le chargeur étant connecté à un réseau d’alimentation électrique (1) par l’intermédiaire du filtre d’entrée (2), et à une batterie (6) par l’intermédiaire de l’onduleur (5), caractérisé par le fait qu’il comprend un organe de coupure (7) disposé entre le réseau d’alimentation électrique (1) et le filtre d’entrée (2) en amont du redresseur (3), l’organe de coupure (7) comprenant un organe de sectionnement (8), un organe de détection de courant (9), et un organe de commande (10), l’organe de commande (10) étant apte à commander l’organe de sectionnement (8) en fonction d’au moins une mesure de courant de l’organe de détection de courant (9) et d’au moins un seuil de courant.
  2. 2. Chargeur selon la revendication 1, dans lequel l’organe de détection de courant (9) comprend un capteur apte à déterminer un courant de mode commun (9a), un capteur apte à déterminer un courant de terre (9b) et au moins un capteur apte à déterminer au moins un courant différentiel (9c,9d,9e,9f).
  3. 3. Chargeur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’organe de sectionnement (8) comprend au moins un fusible ou disjoncteur magnétothermique (8e,8f,8g,8h).
  4. 4. Chargeur selon la revendication 3, dans lequel l’organe de sectionnement (8) comprend au moins un contacteur (8a,8b,8c,8d) d’entrée apte à interrompre un courant continu sous tension continue et un courant alternatif sous tension alternative.
  5. 5. Chargeur selon la revendication 3, dans lequel l’organe de sectionnement (8) comprend au moins un contacteur (8a,8b,8c,8d) d’entrée apte à interrompre un courant alternatif sous tension alternative.
  6. 6. Chargeur selon la revendication 5 ensemble la revendication 2, comprenant des contacteurs (14a, 14b) de batterie aptes à découpler la batterie du chargeur en fonction de la comparaison d’au moins une mesure de courant différentiel à un seuil.
  7. 7. Chargeur selon l’une quelconque des revendications 4 ou 5, dans lequel les contacteurs (8a,8b,8c,8d) d’entrée de l’organe de sectionnement (8) sont des contacteurs polarisés avec sens de coupure privilégié en composante continue.
  8. 8. Chargeur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’organe de sectionnement (8) comprend au moins une branche de précharge connectée en parallèle d’un contacteur (8a,8b,8c,8d) d’entrée, chaque branche de précharge comprenant un relais et une résistance connectés en série, les relais de précharge étant aptes à être fermés antérieurement à la fermeture des contacteurs (8a,8b,8c,8d) d’entrée de sorte à limiter le courant initialement admis dans le chargeur.
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