FR3137025A1 - Ensemble de recharge d’une batterie electrique de traction - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un ensemble de recharge (20) d’une batterie électrique de traction (4) par une station de recharge (19) fournissant un réseau électrique continu (2) et un réseau électrique alternatif (1) multi-phasé, l’ensemble de recharge (20) comportant la batterie électrique de traction (4), un chargeur embarqué (3) relié, d’une part, au réseau électrique alternatif (1) et au réseau électrique continu (2) fourni par la station de recharge (19) et, d’autre part, à la batterie électrique de traction (4), le chargeur embarqué (3) étant configuré pour pouvoir transformer en une haute tension continue (HV+, HV-) une tension alternative fournie par ledit réseau électrique alternatif (1) ou une tension continue fournie par le réseau électrique continu (2) afin d’alimenter ladite batterie électrique de traction (4) avec la haute tension continue (HV+, HV-) ainsi transformée, et plusieurs commutateurs (5, 6, 11, 15) électriques configurés pour pouvoir sélectionner un chemin de couplage électrique entre la station de recharge (19) et la batterie électrique de traction (4). Fig. 1
Description
Le contexte technique de la présente invention est celui des véhicules automobiles électrifiés et de leurs organes de recharge électrique. Plus particulièrement, l’invention a trait à un ensemble de recharge électrique pour de tels véhicules automobiles électrifiés.
De manière connue, les batteries électriques de traction des véhicules automobiles électrifiés ont besoin d’être régulièrement rechargées afin de disposer d’une énergie électrique suffisante pour alimenter une machine électrique générant un couple moteur sur un arbre de roues de tels véhicules automobiles. Bien entendu, il existe de nombreuses batteries électriques de traction, dont certaines sont rechargeables par l’intermédiaire d’une tension continu de 400 V et d’autres qui sont rechargeables par l’intermédiaire d’une tension continu de 800 V. De telles batteries électriques de traction sont aussi rechargeables au travers d’un réseau électrique alternatif, monophasé ou multi-phasé.
Du côté du véhicule automobile, il est nécessaire de disposer d’un ensemble de recharge suffisamment versatile pour pouvoir s’adapter aux différents types de stations de recharge ainsi qu’aux différents modes de recharge électrique. De tels ensembles de recharge permettent ainsi de relier, directement ou indirectement, la batterie électrique de traction à la station de recharge et d’organiser, si nécessaire, une transformation électrique de la tension fournie par la station de recharge.
Le contexte de la présente invention adresse plus particulièrement le problème de la recharge rapide de la batterie électrique de traction, à l’aide de la tension continue fournie par la station de recharge. En particulier, la recharge rapide d’un véhicule automobile électrifié disposant d’une batterie électrique de traction 800V, se fait par l’intermédiaire d’une station de recharge rapide 800V : une tension continue de 800V est alors appliquée directement aux bornes de la batterie électrique de traction 800V dudit véhicule automobile. A contrario, la recharge rapide d’un véhicule automobile électrifié disposant d’une batterie électrique de traction 400V, se fait par l’intermédiaire d’une station de recharge rapide 400V : une tension continue de 400V est alors appliquée directement aux bornes de la batterie électrique de traction 400V dudit véhicule automobile.
Ainsi, avec les ensemble de recharge connus, la recharge rapide d’un véhicule automobile électrifié disposant d’une batterie électrique de traction 800V, ne peut pas se faire par une station de recharge 400V, la tension disponible aux bornes de ladite station de recharge étant inférieure à 800V, le courant délivré est nul ou insuffisant. De manière comparable, la recharge rapide d’un véhicule automobile électrifié disposant d’une batterie électrique de traction 400V, ne peut pas se faire par une station de charge 800V, la tension disponible aux bornes de ladite station de recharge étant bien trop élevée par rapport à celle de la batterie électrique de traction.
La présente invention a pour objet de proposer un nouvel ensemble de recharge afin de répondre au moins en grande partie aux problèmes précédents et de conduire en outre à d’autres avantages.
Un autre but de l’invention est de proposer des facultés étendues de recharges des batteries électriques de traction.
Un autre but de l’invention est de permettre d’utiliser indifféremment une station de recharge 400V ou 800V avec un véhicule automobile électrifié et équipé d’une batterie électrique de traction 400V pour réaliser une charge rapide via une tension continue haute tension fournie par la station de recharge.
Un autre but de l’invention est de permettre de recharger, par l’intermédiaire d’un réseau électrique alternatif monophasé ou multi-phasé fourni par la station de recharge, les batteries électriques de traction de type 400V ou 800V de n’importe quel véhicule automobile électrifié.
Selon un premier aspect de l’invention, on atteint au moins l’un des objectifs précités avec un ensemble de recharge d’une batterie électrique de traction par une station de recharge fournissant un réseau électrique continu et un réseau électrique alternatif multi-phasé, l’ensemble de recharge comportant :
- la batterie électrique de traction ;
- un chargeur embarqué relié, d’une part, au réseau électrique alternatif et au réseau électrique continu fourni par la station de recharge et, d’autre part, à la batterie électrique de traction, le chargeur embarqué étant configuré pour pouvoir transformer en une haute tension continue une tension alternative fournie par ledit réseau électrique alternatif ou une tension continue fournie par le réseau électrique continu afin d’alimenter ladite batterie électrique de traction avec la haute tension continue ainsi transformée ;
- un premier commutateur configuré pour établir une liaison électrique ou une isolation électrique entre une ligne de haute tension positive fournie par le réseau électrique continu de la station de recharge et une borne positive de la batterie électrique de traction ;
- un deuxième commutateur configuré pour établir une liaison électrique ou une isolation électrique entre une ligne de référence continue fournie par le réseau électrique continu de la station de recharge et une borne négative de la batterie électrique de traction ;
- un troisième commutateur et un quatrième commutateur permettant d’établir une liaison électrique ou une isolation électrique entre le réseau électrique continu et un pont de puissance primaire d’un transformateur d’un convertisseur isolé du chargeur embarqué.
Dans le contexte de l’invention, chaque commutateur prend la forme d’un interrupteur, au sens fonctionnel du terme. Chaque commutateur comporte ainsi une première borne et une deuxième borne, chaque commutateur étant configuré pour établir une liaison électrique entre la première borne et la deuxième borne, ou pour isoler électriquement la première borne de la deuxième borne. En d’autres termes, chaque commutateur est configuré pour pouvoir prendre un premier état – dit état fermé – dans lequel il établit une liaison électrique entre la première borne et la deuxième borne, et un deuxième état – dit état ouvert – dans lequel il découple électriquement la première borne de la deuxième borne. Chaque commutateur est pilotable sélectivement de sorte à pouvoir être configuré dans l’un ou l’autre de ses états.
Dans le contexte de l’invention, un véhicule automobile électrifié est du type d’un véhicule automobile électrique ou hybride. D’une manière générale, la chaîne de traction d’un tel véhicule automobile électrifié est mise en rotation par la machine électrique, alimentée électriquement par la batterie électrique de traction, afin de générer un couple moteur servant à la mise en mouvement du véhicule automobile. Complémentairement ou alternativement, la machine électrique est configurée pour récupérer une énergie mécanique sur la chaîne de traction et la convertir en énergie électrique en produisant ainsi un couple de freinage sur ladite chaîne de traction.
Dans le contexte de l’invention, la batterie électrique de traction est configurée pour fournir une énergie électrique à une machine électrique générant un couple moteur sur la chaîne de traction du véhicule automobile. A titre d’exemple non limitatif, la batterie électrique de traction est du type d’une batterie électrique haute tension permettant de générer une tension continue de 400V ou 800V.
Dans le contexte de l’invention, le chargeur embarqué comporte notamment un convertisseur de tension alternative en une tension continue. En particulier, le chargeur embarqué est configuré notamment pour redresser une tension électrique alternative fournie par la station de recharge afin de recharger la batterie électrique de traction. Le chargeur embarqué permet ainsi de convertir un courant alternatif pouvant être fourni par la station de recharge en un courant continu qui permet, in fine, de recharger la batterie électrique de traction.
Complémentairement, le convertisseur isolé du chargeur embarqué est du type d’un convertisseur de tension continue en tension continue. En particulier, le chargeur embarqué est configuré pour amplifier une tension électrique continue fournie par la station de recharge afin de recharger la batterie électrique de traction. Le chargeur embarqué permet ainsi de convertir un courant continu pouvant être fourni par la station de recharge en un courant continu qui permet, in fine, de recharger la batterie électrique de traction.
Ainsi, dans le contexte de la présente invention, l’ensemble de recharge conforme au premier aspect de l’invention permet d’établir au moins :
– un premier chemin de couplage dans lequel la batterie électrique de traction est couplée électriquement à la station de recharge par l’intermédiaire du chargeur embarqué et via le réseau électrique continu afin de réaliser une recharge rapide. Dans ce cas, le premier commutateur est configuré dans sont état ouvert afin d’isoler la ligne de haute tension positive fournie par le réseau électrique continu de la station de recharge et la borne positive de la batterie électrique de traction ; et le deuxième commutateur est configuré dans son état fermé afin d’établir une liaison électrique entre la ligne de référence continue fournie par le réseau électrique continu de la station de recharge et la borne négative de la batterie électrique de traction ; et le troisième commutateur est configuré dans son état fermé pour relier la ligne de haute tension positive au pont de puissance primaire du transformateur ; et le quatrième commutateur est configuré dans son état fermé pour relier la ligne de haute tension re référence au pont de puissance primaire du transformateur ;
– un deuxième chemin de couplage dans lequel la batterie électrique de traction est couplée électriquement à la station de recharge par l’intermédiaire du chargeur embarqué et via le réseau électrique alternatif afin de réaliser une recharge dite lente. Dans ce cas, le premier commutateur et le deuxième commutateurs sont configurés dans leur état ouvert afin respectivement d’isoler la ligne de haute tension positive de la station de recharge et la borne positive de la batterie électrique de traction et d’isoler la ligne de référence continue de la station de recharge et la borne négative de la batterie électrique de traction. En outre, le troisième commutateur et le quatrième commutateur sont aussi configurés dans leur état ouvert afin respectivement d’isoler la ligne de haute tension positive et le pont de puissance primaire du transformateur, et d’isoler la ligne de haute tension re référence et le pont de puissance primaire du transformateur.
De manière astucieuse, dans le cas du premier chemin de couplage, le transformateur du convertisseur isolé est adapté en fonction du type de station de recharge et du type de batterie électrique de traction :
- Si la tension aux bornes de la station de recharge rapide est de l’ordre de 400V et que la batterie électrique de traction est du type d’une batterie 800V, alors le pont de puissance du transformateur du convertisseur isolé est piloté comme un pont complet, afin de pouvoir transformer la tension 400 V en une tension 800V aux bornes du secondaire du transformateur, lorsque ledit transformateur présente un rapport de transformation de 2. En revanche, si la batterie électrique de traction est du type d’une batterie 400V, alors le rapport de transformation du transformateur du convertisseur isolé est adapté à 1 de manière à pouvoir ajuster la transformation de tension à la batterie électrique de traction ;
- Si la tension aux bornes de la station de recharge rapide est de l’ordre de 800V et que la batterie électrique de traction est du type d’une batterie 400V, alors le pont de puissance du transformateur du convertisseur isolé est piloté comme un demi-pont, afin de toujours obtenir une tension de 400V au bornes du primaire du transformateur, et de la transformer en une tension 400V aux bornes du secondaire du transformateur, lorsque ledit transformateur présente un rapport de transformation de 1.
La ligne de haute tension positive est configurée pour transporter un courant continu et une tension continue, préférentiellement un fort courant continu – typiquement de plusieurs Ampères – et une haute tension continue – typiquement de 400 V ou 800V par exemple.
La ligne de référence continue est une ligne électrique à un potentiel électrique de référence, par exemple égal à 0 V.
La ligne de haute tension positive continue et la ligne de référence continue proviennent de la station de recharge, via une prise de recharge. De manière avantageuse, un dispositif de connexion de l’ensemble de recharge conforme au premier aspect de l’invention permet de raccorder électriquement l’ensemble de recharge électrique à la station de recharge par l’intermédiaire d’au moins une phase électrique du réseau électrique alternatif. Le dispositif de connexion comporte en outre une ligne de masse et une ligne haute tension analogues à respectivement la ligne de haute tension positive et la ligne de référence continue de la station de recharge. Le dispositif de connexion est destiné à être connecté à la prise de recharge provenant de la station de recharge afin d’établir une connexion électrique entre la station de recharge et la batterie électrique de traction.
Dans le contexte de la présente invention, la station de recharge est préférentiellement du type d’une station de recharge 400 V ou 800 V. En particulier, de manière astucieuse, l’ensemble de recharge conforme au premier aspect de l’invention permet de coupler électriquement et de manière indifférente une station de recharge 400 V ou 800 V à la batterie électrique de traction afin de la recharger à ladite station de recharge.
Ainsi, l’ensemble de recharge électrique conforme au premier aspect de l’invention permet de recharger une batterie électrique de traction à l’aide d’une station de recharge et en permettant de définir plusieurs chemin d’amplification de tension, afin par exemple de recharger la batterie électrique de traction via une tension continue ou une tension alternative délivrée par la station de recharge.
Plus particulièrement, l’invention conforme à son premier aspect permet de manière astucieuse d’augmenter la puissance du convertisseur isolé en augmentant la fréquence de travail dudit convertisseur isolé, sans avoir à modifier le transformateur utilisé. Cette configuration avantageuse permet ainsi de tirer partie des composants utilisés dans le chargeur embarqué et de les utiliser d’une manière optimale.
L’ensemble de recharge conforme au premier aspect de l’invention comprend avantageusement au moins un des perfectionnements ci-dessous, les caractéristiques techniques formant ces perfectionnements pouvant être prises seules ou en combinaison :
- le troisième commutateur est configuré pour relier ou isoler la ligne de haute tension positive au pont de puissance primaire du transformateur, et le quatrième commutateur est configuré pour relier ou isoler la ligne de haute tension re référence au pont de puissance primaire du transformateur ;
- le chargeur embarqué comporte un filtre passe-bas de sortie situé dans une position intermédiaire entre le convertisseur isolé et la batterie électrique de traction, le filtre passe-bas de sortie comportant (i) un premier inducteur reliant un pont de puissance secondaire du transformateur du convertisseur isolé et la borne positive de la batterie électrique de traction, (ii) un deuxième inducteur reliant le pont de puissance secondaire du transformateur du convertisseur isolé et la borne négative de la batterie électrique de traction, (iii) un troisième inducteur reliant la ligne de haute tension positive et le troisième commutateur. Chaque inducteur permet ainsi d’atténuer les variations de courant et/ou de tension dont une fréquence dépasse une valeur seuil. A contrario, toutes les variations de courant et/ou de tension dont une fréquence est inférieure à la valeur seuil sont transmises sans atténuation. Le filtre passe-bas de sortie est situé entre une sortie du chargeur embarqué et la batterie électrique de traction. En particulier, le filtre passe-bas de sortie est placé en parallèle du pont de puissance secondaire du convertisseur isolé ;
- une première borne du troisième commutateur est connectée au troisième inducteur du filtre passe-bas de sortie, et une deuxième borne dudit troisième commutateur est connectée à une première ligne d’amplification du chargeur embarqué ;
- la deuxième borne du troisième commutateur est connectée à la première ligne d’amplification entre le pont de puissance primaire du convertisseur isolé et un circuit de correction d’un facteur de puissance du chargeur embarqué. Dans le contexte de l’invention, le circuit de correction est configuré pour pouvoir modifier une phase et/ou une forme de la tension alternative fournie par le réseau électrique alternatif via la station de recharge afin d’optimiser le fonctionnement de l’ensemble de recharge conforme au premier aspect de l’invention et son couplage électrique à ladite station de recharge. Complémentairement ou alternativement, le circuit de correction comporte un convertisseur de tension alternative en une tension continue, permettant ainsi de convertir la tension alternative fournie par le réseau électrique alternatif via la station de recharge en une haute tension continue nécessaire à la recharge de la batterie électrique de traction. Le circuit de correction est situé dans une position intermédiaire entre la station de recharge et le convertisseur isolé. En particulier, le circuit de correction est branché en parallèle du pont de puissance primaire du convertisseur isolé ;
- le troisième commutateur est logé dans un filtre capacitif situé en amont du convertisseur isolé relativement à la batterie électrique de traction ;
- selon une première variante de réalisation, le quatrième commutateur est placé en dérivation du transformateur du convertisseur isolé, sur une deuxième ligne d’amplification du chargeur embarqué. Une première borne du quatrième commutateur est connectée au pont de puissance primaire du convertisseur isolé et une deuxième borne dudit quatrième commutateur est connectée au pont de puissance secondaire dudit convertisseur isolé. De manière avantageuse, dans cette première variante de réalisation, le quatrième commutateur est logé dans le convertisseur isolé. Cette configuration avantageuse permet ainsi de limiter un encombrement de l’ensemble de recharge conforme au premier aspect de l’invention ;
- selon une deuxième variante de réalisation, le filtre passe-bas de sortie comporte un quatrième inducteur reliant la ligne de référence continue et le quatrième commutateur.
- dans la deuxième variante de réalisation, une première borne du quatrième commutateur est connectée au quatrième inducteur du filtre passe-bas de sortie, et une deuxième borne dudit quatrième commutateur est connectée à une deuxième ligne d’amplification du chargeur embarqué.
- dans la deuxième variante de réalisation, la deuxième borne du quatrième commutateur est connectée à la deuxième ligne d’amplification entre le pont de puissance primaire du transformateur du convertisseur isolé et le circuit de correction du chargeur embarqué ;
- de manière avantageuse, dans cette deuxième variante de réalisation, le quatrième commutateur est logé dans le chargeur embarqué. En particulier, le quatrième commutateur est situé en dehors du convertisseur isolé. Cette configuration avantageuse permet ainsi de limiter un encombrement de l’ensemble de recharge conforme au premier aspect de l’invention ;
- dans le contexte de la présente invention, le premier commutateur et/ou le deuxième commutateur et/ou le troisième commutateur et/ou le quatrième commutateur sont du type d’un transistor, et préférentiellement du type d’un transistor bipolaire à grille isolée ou d’un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde. Alternativement, le premier commutateur et/ou le deuxième commutateur et/ou le troisième commutateur et/ou le quatrième commutateur sont du type d’un relais mécanique. Dans le contexte de l’invention, toutes les configurations sont envisageables : tous les commutateurs pouvant être du type d’un transistor, ou tous les commutateurs pouvant être du type d’un relais mécanique, ou une première partie des commutateurs pouvant être du type d’un transistor et une deuxième parie des commutateurs pouvant être du type d’un relais mécanique.
L’invention conforme à son premier aspect permet aussi de limiter le nombre de commutateurs utilisés pour piloter le chargeur embarqué et pour établir un couplage électrique entre la station de recharge et la batterie électrique de traction, lors d’une charge rapide. En effet, pour établir une telle connexion, il n’est désormais nécessaire que de piloter le troisième et le quatrième commutateur.
Cette simplification conduit à une réduction des volumes dans le chargeur embarqué ou par ledit chargeur embarqué, surtout dans le cas où les commutateurs sont du type de relais mécaniques.
Selon un deuxième aspect de l’invention, il est proposé un procédé de pilotage d’un ensemble de recharge conforme au premier aspect de l’invention ou selon l’un quelconque de ses perfectionnements, dans lequel une fréquence de travail du chargeur embarqué est supérieure à 200 kHz, préférentiellement comprise entre 200 kHz et 500 kHz.
Dans le contexte de la présente invention, la fréquence de travail est celle du convertisseur isolé, et plus particulièrement encore, celle du pont de puissance primaire.
Selon un troisième aspect de l’invention, il est proposé un véhicule automobile comportant un ensemble de recharge conforme au premier aspect de l’invention ou selon l’un quelconque de ses perfectionnements.
Des modes de réalisation variés de l’invention sont prévus, intégrant selon l’ensemble de leurs combinaisons possibles les différentes caractéristiques optionnelles exposées ici.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore au travers de la description qui suit d’une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés d’autre part, sur lesquels :
Bien entendu, les caractéristiques, les variantes et les différentes formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres, selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. On pourra notamment imaginer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites par la suite de manière isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieur.
En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont combinables entre eux si rien ne s’oppose à cette combinaison sur le plan technique.
Sur les FIGURES, les éléments communs à plusieurs FIGURES conservent la même référence.
En référence aux FIGURES 1 à 2, l’ensemble de recharge 20 selon l’invention permet d’établir une connexion électrique avec une station de recharge 19 externe au véhicule électrique auquel l’ensemble de recharge 20 est associé. La connexion électrique établie est définie au travers de l’ensemble de recharge 20 parmi plusieurs chemins de couplage. Parmi ces chemins de couplage, on distingue notamment :
– un premier chemin de couplage permettant de charger une batterie électrique de traction 4 à l’aide d’une tension continue fournie par un réseau électrique continu 2 mis à disposition par la station de recharge 19. Ce type de recharge est appelée recharge rapide ;
– un deuxième chemin de couplage permettant de charger la batterie électrique de traction 4 à l’aide d’une tension alternative fournie par un réseau électrique alternatif 1 mis à disposition par la station de recharge 19. Ce type de recharge est appelée recharge lente.
Dans les exemples visibles sur les FIGURES, un tel ensemble de recharge 20 comporte :
- la batterie électrique de traction 4 ;
- un chargeur embarqué 3 relié, d’une part, au réseau électrique alternatif 1 et au réseau électrique continu 2 fourni par la station de recharge 19 et, d’autre part, à la batterie électrique de traction 4, le chargeur embarqué 3 étant configuré pour pouvoir transformer en une haute tension continue HV+, HV- la tension alternative fournie par ledit réseau électrique alternatif 1 ou la tension continue fournie par le réseau électrique continu 2 afin d’alimenter ladite batterie électrique de traction 4 avec la haute tension continue HV+, HV- ainsi transformée ;
– un dispositif de commutation comportant un ou plusieurs commutateurs 5, 6, 11, 15 configurés pour établir une liaison électrique ou isoler électriquement certaines parties du chargeur embarqué 3 et/ou de l’ensemble de recharge 20, de sorte à pouvoir établir l’un des chemins de couplage électrique entre la station de recharge 19 et la batterie électrique de traction 4.
Dans les exemples de réalisation illustrés sur les FIGURES, la station de recharge 19 permet d’alimenter le chargeur embarqué 3 en une tension continue ou une tension alternative.
La tension alternative est fournie par le réseau électrique alternatif 1 de type monophasé ou multi-phasé, permettant à la station de recharge 19 de délivrer à l’ensemble de recharge 20 au moins une tension alternative. Plus particulièrement, le réseau électrique alternatif 1 comporte par exemple une première ligne de phase électrique P1 et/ou une deuxième ligne de phase électrique P2 et/ou une troisième ligne de phase électrique P3 et/ou une ligne de neutre.
La tension continue est fournie par le réseau électrique continu 2, permettant à la station de recharge 19 de délivrer à l’ensemble de recharge 20 une tension continue par exemple égale ou sensiblement égale à 400 V ou 800 V. Plus particulièrement, le réseau électrique continu 2 comporte une ligne de haute tension positive DC+ et une ligne de référence continue DC-.
De manière avantageuse, la station de recharge 19 est connectée électriquement à un dispositif de connexion électrique permettant de raccorder l’ensemble de recharge 20 électrique à la station de recharge 19, soit au travers du réseau électrique alternatif 1, soit au travers du réseau électrique continu 2.
Les commutateurs 5, 6, 11, 15 du dispositif de commutation sont choisis parmi ceux du type d’un relais mécanique ou d’un transistor. En particulier, lorsque l’un des commutateur est du type d’un transistor, alors il est préférentiellement du type d’un transistor bipolaire à grille isolée ou d’un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde. Bien entendu, tous les commutateurs 5, 6, 11, 15 formant le dispositif de commutation peuvent être du type d’un transistor, ou tous les commutateurs 5, 6, 11, 15 formant le dispositif de commutation peuvent être du type d’un relais mécanique, ou une première partie des commutateurs 5, 6, 11, 15 formant le dispositif de commutation peuvent être du type d’un transistor et une deuxième parie des commutateurs 5, 6, 11, 15 formant le dispositif de commutation peuvent être du type d’un relais mécanique.
Plus particulièrement, dans les exemples de réalisation illustrés sur les FIGURES le chargeur embarqué 3 comporte :
– un filtre passe-bas d’entrée 7 configuré pour atténuer les variations hautes fréquence de courant alternatif ou de tension alternative, c’est-à-dire celles qui sont supérieures à une valeur seuil caractéristique du filtre passe-bas d’entrée 7. Le filtre passe-bas d’entrée 7 est relié électriquement à la station de recharge 19 via le dispositif de connexion électrique, non représenté sur les FIGURES ;
– un circuit de correction 8 configuré pour pouvoir modifier une phase et/ou une forme de la tension alternative fournie par le réseau électrique alternatif 1 via la station de recharge 19 afin d’optimiser le fonctionnement de l’ensemble de recharge 20 conforme au premier aspect de l’invention et son couplage électrique à ladite station de recharge 19. Complémentairement ou alternativement, le circuit de correction 8 comporte un convertisseur de tension alternative en une tension continue, permettant ainsi de convertir la tension alternative fournie par le réseau électrique alternatif 1 via la station de recharge 19 en une haute tension continue HV+, HV- nécessaire à la recharge de la batterie électrique de traction 4. A titre d’exemple non limitatif, le circuit de correction 8 comporte ainsi un redresseur 81 permettant de redresser chacune des au moins une ligne de phase électrique fournie par la station de recharge 19. Le circuit de correction 8 est placé en parallèle du filtre passe-bas d’entrée 7, de sorte que le filtre passe-bas d’entrée 7 est situé dans une position intermédiaire entre la station de recharge 19 et ledit circuit de correction 8 ;
– un filtre capacitif 9 connecté en parallèle du circuit de correction 8, de sorte que le circuit de correction 8 est situé dans une position Filtre capacitif intermédiaire entre le filtre passe-bas d’entrée 7 et le connecteur de courant continu 9 ;
– un convertisseur isolé 12 configuré pour transformer, c’est-à-dire atténuer ou, préférentiellement, amplifier une tension continue en une haute tension continue HV+, HV- permettant de charger la batterie électrique de traction 4. De manière avantageuse, le convertisseur isolé 12 comporte un transformateur 13 piloté par un pont de puissance primaire 13P raccordé à un enroulement primaire du transformateur 13, et par un pont de puissance secondaire 13S raccordé à un enroulement secondaire dudit transformateur 13. Le convertisseur isolé 12 est placé en parallèle du filtre capacitif 9, de sorte que le filtre capacitif 9 est situé dans une position intermédiaire entre le circuit de correction 8 et le convertisseur isolé 12 ;
– un filtre passe-bas de sortie 14 configuré pour atténuer les variations hautes fréquence de la haute tension continue HV+, HV- sortant du chargeur embarqué 3 et entrant dans la batterie électrique de traction 4, c’est-à-dire celles qui sont supérieures à une valeur seuil caractéristique du filtre passe-bas d’entrée 7. Le filtre passe-bas de sortie 14 est placé en parallèle du convertisseur isolé 12, de sorte que le convertisseur isolé 12 est situé dans une position intermédiaire entre le filtre capacitif 9 et le filtre passe-bas de sortie 14. En outre, le filtre passe-bas de sortie 14 est situé dans une position intermédiaire entre le convertisseur isolé 12 et la batterie électrique de traction 4.
Comme visible sur les FIGURES, le filtre passe-bas d’entrée 7 comporte une première inductance LE1, une deuxième inductance LE2, une troisième inductance LE3 et éventuellement une quatrième inductance reliant respectivement la première ligne de phase électrique P1, la deuxième ligne de phase électrique P2, la troisième ligne de phase électrique P3, et éventuellement la ligne de neutre au circuit de correction 8.
Le redresseur 81 du circuit de correction 8 comporte un pont de transistor qui redresse chacune des lignes de phase électrique P1, P2, P3 afin de convertir une tension alternative fournie par chacune des lignes de phase électrique P1, P2, P3 en une haute tension continue HV+, HV- permettant de recharger la batterie électrique de traction 4.
Le filtre capacitif 9 comporte notamment une capacité qui s’étend en parallèle du circuit de correction 8.
Le pont de puissance primaire 13P du convertisseur isolé 12 comporte :
- une première branche formée d’un premier transistor 131 et d’un deuxième transistor 132 reliés entre eux par leur borne drain et leur borne source et reliés en outre, respectivement à une première borne d’un condensateur, pour la borne source du premier transistor 131, et à une première borne d’une inductance, pour la borne source du deuxième transistor 132. La seconde borne du condensateur est reliée à une première borne de l’enroulement primaire du transformateur 13. La seconde borne de l’inductance est reliée à une deuxième borne de l’enroulement primaire du transformateur 13 ; et
- une deuxième branche formée d’un troisième transistor 133 et d’un quatrième transistor 134 reliés entre eux par leur borne source. Les bornes drain du troisième transistor 133 et du quatrième transistor 134 sont reliés respectivement à la première borne du condensateur, pour la borne drain du troisième transistor 133, et à la première borne de l’inductance, pour la borne drain du quatrième transistor 134. En outre, le troisième transistor 133 et le quatrième transistor 134 sont reliés respectivement par leur borne source et drain et reliés en outre, au niveau de ces bornes à une première borne du condensateur. La seconde borne du condensateur est reliée à une première borne de l’enroulement primaire du transformateur 13.
Le transformateur 13 du convertisseur isolé 12 comporte préférentiellement un rapport d’enroulement égal à 0,5. Eventuellement, le rapport d’enroulement du transformateur 13 peut être adaptatif en fonction des besoins de transformation du convertisseur isolé 12.
Le pont de puissance secondaire 13S du convertisseur isolé 12 comporte :
- une première branche formée de deux transistors reliés entre eux par leur borne drain et leur borne source et reliés en outre, au niveau de ces bornes B+, B- reliées entre elles, à l’une des bornes B+, B- de l’enroulement secondaire du transformateur 13 ; et
- une deuxième branche formée de deux transistors reliés entre eux par leur borne drain et leur borne source et reliés en outre, au niveau de ces bornes B+, B- reliées entre elles, à l’autre des bornes B+, B- de l’enroulement secondaire du transformateur 13.
Le pilotage du transformateur 13, du pont de puissance primaire 13P et du pont de puissance secondaire 13S permet ainsi de réaliser la transformation DC/DC afin de produire, en sortie du convertisseur isolé 12, la haute tension continue HV+, HV- nécessaire au rechargement de la batterie électrique de traction 4.
Comme visible sur les FIGURES, le filtre passe-bas de sortie 14 comporte :
- un premier inducteur LS1 reliant le convertisseur isolé 12 à la première ligne de haute tension HV+ alimentant la borne positive B+ de la batterie électrique de traction 4 ;
- un deuxième inducteur LS2 reliant le convertisseur isolé 12 à la deuxième ligne de haute tension HV- alimentant la borne négative B- de la batterie électrique de traction 4 ;
- un troisième inducteur LS3 reliant la ligne de haute tension positive DC+ fournie par la station de recharge 19 au filtre capacitif 9 ; et éventuellement,
- un quatrième inducteur LS4 reliant la deuxième ligne de haute tension HV- alimentant la borne négative B- de la batterie électrique de traction 4 au connecteur de courant continu 9.
Complémentairement, la présente invention prévoit en outre d’incorporer dans le dispositif de commutation de l’ensemble de recharge 20 tel que décrit ci-dessus un ou plusieurs commutateurs 5, 6, 11, 15 permettant d’établir une connexion électrique entre la batterie électrique de traction 4 et la station de recharge 19 selon un chemin de couplage prédéterminé. Les FIGURES illustrent plusieurs exemples de réalisation de l’ensemble de recharge 20, dans lesquels des variations du dispositif de commutation sont proposées.
Dans les FIGURES 1 et 2, le dispositif de commutation comporte :
- un premier commutateur 5 configuré pour établir une liaison électrique ou une isolation électrique entre la ligne de haute tension positive DC+ fournie par le réseau électrique continu 2 de la station de recharge 19 et la borne positive B+ de la batterie électrique de traction 4 ;
- un deuxième commutateur 6 configuré pour établir la liaison électrique ou une isolation électrique entre une ligne de référence continue DC- fournie par le réseau électrique continu 2 de la station de recharge 19 et la borne négative B- de la batterie électrique de traction 4 ;
- un troisième commutateur 11 et un quatrième commutateur 15 permettant d’établir une liaison électrique ou une isolation électrique entre le réseau électrique continu 2 et le pont de puissance primaire 13P du transformateur 13 du convertisseur isolé 12 du chargeur embarqué 3. En particulier, le troisième commutateur 11 établit une liaison électrique ou une isolation électrique entre la ligne de haute tension positive DC+ et une première ligne d’amplification A1 du chargeur embarqué 3, et le quatrième commutateur 15 établit une liaison électrique ou une isolation électrique entre la deuxième ligne de haute tension HV- et une deuxième ligne d’amplification A2 du chargeur embarqué 3.
Dans les FIGURES 1 et 2, le troisième commutateur 11 est avantageusement embarqué et logé dans le filtre capacitif 9. Une première borne du troisième commutateur 15 est connectée au troisième inducteur LS3 du filtre passe-bas de sortie 14, et une deuxième borne dudit troisième commutateur 11 est connectée à la première ligne d’amplification A1 du chargeur embarqué 3, prise au niveau du filtre capacitif 9.
Dans la , le filtre passe-bas de sortie 14 comporte le quatrième inducteur LS4 reliant la ligne de référence continue DC- et le quatrième commutateur 15. Ainsi, une première borne du quatrième commutateur 15 est connectée au quatrième inducteur LS4 du filtre passe-bas de sortie 14, et une deuxième borne dudit quatrième commutateur 15 est connectée à la deuxième ligne d’amplification A2 du chargeur embarqué 3, et plus particulièrement entre le pont de puissance primaire 13P du transformateur 13 du convertisseur isolé 12 et le circuit de correction 8 du chargeur embarqué 3. Le quatrième commutateur 15 est avantageusement logé dans le chargeur embarqué 3, en dehors du convertisseur isolé 12.
Dans la , le filtre passe-bas de sortie 14 ne comporte que le premier inducteur LS1, le deuxième inducteur LS2 et le troisième inducteur LS3. Le quatrième commutateur 15 est alors placé en dérivation directe du transformateur 13 du convertisseur isolé 12, sur la deuxième ligne d’amplification A2 du chargeur embarqué 3, de sorte qu’une première borne du quatrième commutateur 15 est connectée au pont de puissance primaire 13P du convertisseur isolé 12 et une deuxième borne dudit quatrième commutateur 15 est connectée au pont de puissance secondaire 13S dudit convertisseur isolé 12, dans le prolongement direct du troisième inducteur LS3 du filtre passe-bas de sortie 14. Le quatrième commutateur 11 est alors avantageusement logé dans le convertisseur isolé 12.
Dans les paragraphes suivants, la recharge rapide de la batterie électrique de traction 4 va maintenant être expliquée au regard de la présente invention. pour rappel, la recharge rapide de la batterie électrique de traction 4 est assurée par le réseau électrique continu 2 fourni par la station de recharge 19.
Pour ce faire, le réseau électrique alternatif 1 de la station de recharge 19 est déconnecté de l’ensemble de recharge 20. En outre, le premier commutateur 5 est configuré dans son état ouvert et le deuxième commutateur 6 est configuré dans son état fermé. Enfin, le troisième commutateur 11 et le quatrième commutateur 15 sont configurés dans leur état fermé de manière à relier électriquement le filtre capacitif 9 au réseau électrique continu 2 fourni par la station de recharge 19, via la ligne de haute tension positive DC+ et la ligne de référence continue DC-. Ainsi, la convertisseur isolé 12 est correctement alimenté en énergie électrique, via le réseau électrique continu 2 fourni par la station de recharge 19, via la ligne de haute tension positive DC+ et la ligne de référence continue DC-.
En fonction du type de station de recharge 19, une tension continue de 400V ou 800V est ainsi amenée aux bornes B+, B- du pont de puissance primaire 13P du convertisseur isolé 12. Consécutivement, il est possible de faire fonctionner le convertisseur isolé 12 à sa pleine puissance, par exemple 50 kW, ce qui est ainsi nettement supérieure à la puissance de fonctionnement dudit convertisseur isolé 12 lorsque ce dernier est utilisé lors d’une charge lente au travers du réseau électrique alternatif 1, généralement comprise entre 11 kW et 22 kW.
Une fréquence de travail du chargeur embarqué 3, et plus particulièrement celle du convertisseur isolé 12, et plus particulièrement encore, celle du pont de puissance primaire 13P, est supérieure à 200 kHz, voire comprise entre 200 kHz et 500 kHz.
De manière astucieuse, l’invention vise aussi à piloter le pont de puissance primaire 13P en fonction du type de station de recharge 19 connectée à la batterie électrique de traction 4 et de son type. Ainsi :
- si la batterie électrique de traction 4 est une batterie électrique 800 Vet si la station de recharge 19 est configurée pour délivrer, en charge rapide, une tension continue de 400 Ventre la ligne de haute tension positive DC+ et la ligne de référence continue DC-, alors le pont de puissance primaire 13P est piloté de manière à ce qu’il fonctionne comme un pont complet. Dans ce cas, la tension de 400V en sortie du pont de puissance primaire 13P est ensuite transformée par le transformateur 13, et au travers de son rapport d’enroulement de 2, de manière telle que, au niveau du pont de puissance secondaire 13S du convertisseur isolé 12, on trouve bien aux bornes B+, B- de la batterie électrique de traction 4 une tension de 800V ;
- si la batterie électrique de traction 4 est une batterie électrique 400 V et la station de recharge 19 est configurée pour délivrer, en charge rapide, une tension continue de 800 V entre la ligne de haute tension positive DC+ et la ligne de référence continue DC-, alors le pont de puissance primaire 13P est piloté de manière à ce qu’il fonctionne comme un demi-pont. Dans ce cas, la tension de 800V alimentant le pont de puissance primaire 13P est divisée par 2 par ledit pont de puissance primaire 13P de sorte à ce que, en sortie dudit pont de puissance primaire 13P, une tension de 400V puisse ensuite être transformée par le transformateur 13, et au travers de son rapport d’enroulement de 1, de manière telle que, au niveau du pont de puissance secondaire 13S du convertisseur isolé 12, on trouve bien aux bornes B+, B- de la batterie électrique de traction 4 une tension de 400V.
Il est ainsi possible de charger n’importe quel type de batterie électrique de traction 4 avec n’importe quel type de station de recharge 19.
En synthèse, l’invention concerne un ensemble de recharge 20 d’une batterie électrique de traction 4 par une station de recharge 19 fournissant un réseau électrique continu 2 et un réseau électrique alternatif 1 multi-phasé, l’ensemble de recharge 20 comportant (i) la batterie électrique de traction 4, (ii) un chargeur embarqué 3 relié, d’une part, au réseau électrique alternatif 1 et au réseau électrique continu 2 fourni par la station de recharge 19 et, d’autre part, à la batterie électrique de traction 4, le chargeur embarqué 3 étant configuré pour pouvoir transformer en une haute tension continue HV+, HV- une tension alternative fournie par ledit réseau électrique alternatif 1 ou une tension continue fournie par le réseau électrique continu 2 afin d’alimenter ladite batterie électrique de traction 4 avec la haute tension continue HV+, HV- ainsi transformée, et (iii) plusieurs commutateurs 5, 6, 11, 15 électriques configurés pour pouvoir sélectionner un chemin de couplage électrique entre la station de recharge 19 et la batterie électrique de traction 4.
Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention. Notamment, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l’invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. En particulier toutes les variantes et modes de réalisation décrits précédemment sont combinables entre eux.
Claims (10)
- Ensemble de recharge (20) d’une batterie électrique de traction (4) par une station de recharge (19) fournissant un réseau électrique continu (2) et un réseau électrique alternatif (1) multi-phasé, l’ensemble de recharge (20) comportant :
- la batterie électrique de traction (4) ;
- un chargeur embarqué (3) relié, d’une part, au réseau électrique alternatif (1) et au réseau électrique continu (2) fourni par la station de recharge (19) et, d’autre part, à la batterie électrique de traction (4), le chargeur embarqué (3) étant configuré pour pouvoir transformer en une haute tension continue (HV+, HV-) une tension alternative fournie par ledit réseau électrique alternatif (1) ou une tension continue fournie par le réseau électrique continu (2) afin d’alimenter ladite batterie électrique de traction (4) avec la haute tension continue (HV+, HV-) ainsi transformée ;
- un premier commutateur (5) configuré pour établir une liaison électrique ou une isolation électrique entre une ligne de haute tension positive (DC+) fournie par le réseau électrique continu (2) de la station de recharge (19) et une borne positive (B+) de la batterie électrique de traction (4) ;
- un deuxième commutateur (6) configuré pour établir une liaison électrique ou une isolation électrique entre une ligne de référence continue (DC-) fournie par le réseau électrique continu (2) de la station de recharge (19) et une borne négative (B-) de la batterie électrique de traction (4) ;
caractérisé en ce que le chargeur embarqué (3) comporte en outre :
- un troisième commutateur (11) et un quatrième commutateur (15) permettant d’établir une liaison électrique ou une isolation électrique entre le réseau électrique continu (2) et un pont de puissance primaire (13P) d’un transformateur (13) d’un convertisseur isolé (12) du chargeur embarqué (3). - Ensemble de recharge (20) selon la revendication précédente, dans lequel le chargeur embarqué (3) comporte un filtre passe-bas de sortie (14) situé dans une position intermédiaire entre le convertisseur isolé (12) et la batterie électrique de traction (4), le filtre passe-bas de sortie (14) comportant :
- un premier inducteur (LS1) reliant un pont de puissance secondaire (13S) du transformateur (13) du convertisseur isolé (12) et la borne positive (B+) de la batterie électrique de traction (4) ;
- un deuxième inducteur (LS2) reliant le pont de puissance secondaire (13S) du transformateur (13) du convertisseur isolé (12) et la borne négative (B-) de la batterie électrique de traction (4) ;
- un troisième inducteur (LS3) reliant la ligne de haute tension positive (DC+) et le troisième commutateur (11). - Ensemble de recharge (20) selon la revendication précédente, dans lequel une première borne du troisième commutateur (11) est connectée au troisième inducteur (LS3) du filtre passe-bas de sortie (14), et une deuxième borne dudit troisième commutateur (11) est connectée à une première ligne d’amplification (A1) du chargeur embarqué (3).
- Ensemble de recharge (20) selon la revendication précédente, dans lequel le troisième commutateur (15) est logé dans un filtre capacitif (9) situé en amont du convertisseur isolé (12) relativement à la batterie électrique de traction (4).
- Ensemble de recharge (20) selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel le quatrième commutateur (15) est placé en dérivation du transformateur (13) du convertisseur isolé (12), sur une deuxième ligne d’amplification (A2) du chargeur embarqué (3).
- Ensemble de recharge (20) selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel le filtre passe-bas de sortie (14) comporte un quatrième inducteur (LS4) reliant la ligne de référence continue (DC-) et le quatrième commutateur (15).
- Ensemble de recharge (20) selon la revendication précédente, dans lequel une première borne du quatrième commutateur (15) est connectée au quatrième inducteur (LS4) du filtre passe-bas de sortie (14), et une deuxième borne dudit quatrième commutateur (15) est connectée à une deuxième ligne d’amplification (A2) du chargeur embarqué (3).
- Ensemble de recharge (20) selon la revendication précédente, dans lequel la deuxième borne du quatrième commutateur (15) est connectée à la deuxième ligne d’amplification (A2) entre le pont de puissance primaire (13P) du transformateur (13) du convertisseur isolé (12) et le circuit de correction (8) du chargeur embarqué (3).
- Procédé de pilotage (30) d’un ensemble de recharge (20) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une fréquence de travail du chargeur embarqué (3) est supérieure à 200 kHz, préférentiellement comprise entre 200 kHz et 500 kHz.
- Véhicule automobile comportant un ensemble de recharge (20) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| US20160214493A1 (en) * | 2015-01-28 | 2016-07-28 | Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft | High-voltage charge booster and method for charging a direct current traction battery at a direct current charging pillar and corresponding electric vehicle |
| DE102017213682A1 (de) * | 2017-08-07 | 2019-02-07 | Continental Automotive Gmbh | Akkuladevorrichtung für ein Kraftfahrzeug, Verfahren zum Betreiben einer kraftfahrzeugseitigen Akkuladevorrichtung, Hochvoltbordnetz und Verwendung einer Akkuladevorrichtung |
| DE102018006810A1 (de) * | 2018-08-28 | 2019-02-28 | Daimler Ag | Energiewandler zum energietechnischen Koppeln eines Gleichspannungsbordnetzes mit einer Wechselspannungs- oder einer Gleichspannungsenergiequelle |
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2022
- 2022-06-24 FR FR2206326A patent/FR3137025A1/fr active Pending
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