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CA 02865799 2014-08-28
WO 2013/132018 PCT/EP2013/054631
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DISPOSITIF DE CHARGE COMPRENANT UN CONVERTISSEUR DC-DC
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un dispositif de charge comprenant un
convertisseur DC-DC couplé à un convertisseur AC-DC, ce dispositif de
charge étant particulièrement approprié pour une utilisation en tant que
dispositif embarqué dans un véhicule automobile électrique.
ARRIERE-PLAN TECHNIQUE
De nombreux engins mobiles utilisent l'énergie électrique et sont
équipés de batteries, par exemple des véhicules électriques, des nacelles,
des transpalettes... Ces engins comprennent généralement des chargeurs
embarqués, c'est-à-dire des chargeurs de batteries électriques qui sont
montés directement sur les engins mobiles.
La fonction principale de ces chargeurs embarqués est la recharge
des batteries à partir de l'électricité disponible sur le réseau de
distribution
électrique.
Pour des raisons d'autonomie et de rendement, la ou les batteries de
traction (qui sont utilisées pour alimenter le système de traction, c'est-à-
dire
la motorisation, des engins ci-dessus) ont des tensions élevées (par exemple
48 V, 60 V, voire 400 V et plus), alors que l'électronique embarquée
demande une tension plus faible. La tension nominale la plus répandue est
de 12 V : elle correspond aux équipements traditionnellement utilisés dans
l'environnement automobile.
Il est donc nécessaire d'ajouter un convertisseur de tension continu-
continu (DC-DC), qui abaisse la tension de la batterie de traction à la valeur
demandée par les équipements de bord.
Il est avantageux d'intégrer à la fois ce convertisseur DC-DC et les
moyens de charge de la batterie de traction dans un même dispositif de
charge, pour effectuer des gains de volume, de poids, de connectique, de
fiabilité, et pour faciliter l'intégration de ces équipements dans le véhicule
ou
autre engin motorisé.
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De manière classique, il est connu d'utiliser à titre de convertisseur
DC-DC dans un dispositif de charge tel que décrit ci-dessus : soit un circuit
comprenant un transformateur, qui est un équipement lourd et encombrant ;
soit un convertisseur de type abaisseur série (Buck), qui ne comporte pas
d'isolation galvanique et qui représente un risque de sécurité en cas de
défaillance et de mise en court-circuit du commutateur du convertisseur (en
effet, dans cette situation, la tension élevée d'entrée se trouve alors
directement appliquée sur la sortie, ce qui peut endommager les
équipements fonctionnant à basse tension).
lo Il existe
donc un besoin d'améliorer la sécurité d'un dispositif de
charge pour appareil motorisé (et notamment pour véhicule) comprenant un
convertisseur DC-DC, sans recourir à des équipements lourds, encombrants
et / ou coûteux.
RESUME DE L'INVENTION
L'invention concerne en premier lieu un dispositif de charge pour un
appareil motorisé, l'appareil motorisé comprenant une batterie et des
équipements, ledit dispositif de charge comprenant :
¨ un premier module de conversion adapté à convertir un courant
alternatif d'entrée en un courant continu ayant une première
tension ;
¨ un deuxième module de conversion adapté à convertir un courant
continu ayant une première tension en un courant continu ayant
une deuxième tension inférieure à la première tension ;
- un module de commutation connecté au premier module de
conversion, au deuxième module de conversion et adapté à être
connecté à la batterie ;
le module de commutation étant adapté :
¨ dans un mode de charge, à alimenter le deuxième module de
conversion et la batterie par le premier module de conversion ;
¨ dans un mode d'utilisation, à alimenter le deuxième module de
conversion par la batterie ;
le deuxième module de conversion étant adapté à alimenter les
équipements ; et
le deuxième module de conversion comprenant un convertisseur
SEPIC.
Selon un mode de réalisation, la première tension vaut de 24 à 500 V,
de préférence de 45 à 80 V.
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Selon un mode de réalisation, la deuxième tension vaut de 5 à 20 V,
de préférence de 10 à 15 V.
Selon un mode de réalisation, le courant alternatif d'entrée présente
une tension de 80 V à 300 V, de préférence de de 85 à 265 V et / ou une
puissance de 0,5 kW à 10 kW, de préférence de 1 kW à 6 kW.
Selon un mode de réalisation, le convertisseur SEPIC comporte une
entrée, une sortie, et un condensateur assurant une isolation capacitive entre
l'entrée et la sortie, le condensateur présentant de préférence une capacité
de 2 F à 100 F, de manière plus particulièrement préférée de 15 F à
45 F.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de charge de l'invention est
intégré, ou embarqué, dans l'appareil motorisé.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de charge de l'invention
comprend un boîtier, dans lequel sont disposés le premier module de
conversion, le deuxième module de conversion, et le module de
commutation.
L'invention a également pour objet un appareil motorisé comprenant le
dispositif de charge tel que décrit ci-dessus, ainsi que la batterie et les
équipements mentionnés ci-dessus.
Selon un mode de réalisation, l'appareil motorisé est un véhicule.
Selon un mode de réalisation, l'appareil motorisé est un véhicule
automobile à alimentation électrique.
Selon un mode de réalisation, les équipements comprennent un ou
plusieurs équipements choisis parmi une batterie secondaire, des capteurs,
des voyants, un ordinateur de bord, des moyens d'éclairage et un autoradio.
L'invention a également pour objet un procédé d'alimentation
électrique d'équipements d'un appareil motorisé, comprenant la fourniture
d'un courant continu ayant une première tension, la conversion de ce courant
en un courant continu ayant une deuxième tension inférieure à la première
tension, et l'alimentation des équipements avec ce courant continu ayant une
deuxième tension, dans lequel l'étape de conversion est effectuée au moyen
d'un convertisseur SEPIC.
Selon un mode de réalisation, la première tension vaut de 24 à 500 V,
de préférence de 45 à 80 V, et / ou la deuxième tension vaut de 5 à 20 V, de
préférence de 10 à 15V.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend la fourniture d'un
courant alternatif d'entrée et la conversion de celui-ci en le courant continu
de première tension.
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Selon un mode de réalisation, le courant continu de première tension
alimente en outre une batterie de l'appareil motorisé.
Selon un mode de réalisation, le courant alternatif d'entrée présente
une tension de 80 V à 300 V, de préférence de de 85 à 265 V et / ou une
puissance de 0,5 kW à 10 kW, de préférence de 1 kW à 6 kW.
Selon un mode de réalisation (alternatif), le courant continu de
première tension est fourni par une batterie de l'appareil motorisé.
Selon un mode de réalisation, l'appareil motorisé est un véhicule, de
préférence un véhicule automobile à alimentation électrique.
Selon un mode de réalisation, les équipements comprennent un ou
plusieurs équipements choisis parmi une batterie secondaire, des capteurs,
des voyants, un ordinateur de bord, des moyens d'éclairage et un autoradio.
La présente invention permet de surmonter les inconvénients de l'état
de la technique. Elle fournit plus particulièrement un dispositif de charge
pour
appareil motorisé (et notamment pour véhicule) assurant une isolation
capacitive du convertisseur DC-DC et garantissant ainsi la sécurité du
dispositif même en cas de défaillance en court-circuit d'un composant, sans
recourir à des équipements lourds, encombrants et / ou coûteux tels que les
transformateurs.
Ceci est accompli grâce à l'utilisation d'un convertisseur de type
SEPIC. Le terme SEPIC signifie single-ended primary-inductor converter ,
c'est-à-dire convertisseur à inductance primaire simple. L'architecture de
type SEPIC est connue pour les applications de faible puissance (ordinateurs
de bureau...), mais les présents inventeurs ont reconnu que cette
architecture peut être mise à profit dans le cadre d'une application de forte
puissance (par exemple jusqu'à 500 W) telle que la charge d'appareils
motorisés (du type véhicules électriques).
Dans le cadre de l'invention, le convertisseur SEPIC offre un bon
rendement, une structure simple, un fonctionnement fiable et un faible
encombrement.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
La figure 1 représente de manière schématique un dispositif de
charge selon l'invention, intégré dans un appareil motorisé, fonctionnant en
mode de charge.
La figure 2 représente de manière schématique le même dispositif de
charge fonctionnant en mode d'utilisation.
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La figure 3 est un schéma de principe d'un convertisseur SEPIC
utilisé dans le cadre de l'invention.
La figure 4 est un schéma de principe d'un convertisseur AC-DC
susceptible d'être utilisé dans le cadre de l'invention.
5 La figure 5 représente de manière schématique un commutateur
utilisé dans le cadre de l'invention.
DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION
L'invention est maintenant décrite plus en détail et de façon non
limitative dans la description qui suit.
En faisant référence aux figures 1 et 2, un dispositif de charge 2 selon
l'invention est adapté à être monté ou intégré dans un appareil motorisé 8 qui
comprend une batterie 5 et des équipements 7a, 7b, 7c. La batterie 5 est
adaptée à délivrer, et à être chargée par, un courant continu présentant une
première tension, notée Ul. Les équipements 7a, 7b, 7c sont adaptés à être
chargés et / ou à fonctionner avec un courant continu présentant une
deuxième tension notée U2, U2 étant inférieure à Ul.
Selon un mode de réalisation préféré, l'appareil motorisé 8 est un
véhicule, notamment un véhicule automobile, à alimentation électrique. Dans
d'autres modes de réalisation, l'appareil motorisé 8 peut être un engin de
manutention tel qu'une nacelle élévatrice, un chariot élévateur ou un
transpalette.
La batterie 5 représente la batterie de traction du véhicule (ou de
l'engin), c'est-à-dire la batterie responsable de l'alimentation du moteur du
véhicule (ou de l'engin). Il est entendu que cette batterie 5 peut représenter
une batterie unique ou un ensemble de batteries.
Les équipements 7a, 7b, 7c peuvent comprendre des capteurs, des
voyants, un ordinateur de bord, des moyens d'éclairage, un autoradio...
Ils peuvent également comprendre une batterie secondaire, elle-
même susceptible d'alimenter le reste des équipements 7a, 7b, 7c.
La tension U1 vaut en général de 24 à 500 V, de préférence de 45 à
80V.
La tension U2 vaut en général de 5 à 20 V, de préférence de 10 à
15V.
A titre d'exemple, U1 peut valoir 60 V environ et U2 peut valoir 12 V
environ.
Le dispositif de charge 2 comprend un premier module de conversion
3, un deuxième module de conversion 4, et un module de commutation 6 qui
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est connecté au premier module de conversion 3, au deuxième module de
conversion 4 et, lorsque le dispositif de charge 2 est intégré dans l'appareil
motorisé 8, à la batterie 5.
Le premier module de conversion 3 est adapté à convertir un courant
d'alimentation alternatif en courant continu à la tension Ul.
Le deuxième module de conversion 4 est adapté à convertir un
courant continu à la tension U1 en un courant continu à la tension U2
inférieure à Ul.
En faisant référence à la figure 4, le premier module de conversion 3
comporte généralement une entrée 21 destinée à être reliée au réseau
électrique et un pré-régulateur à absorption sinusoïdale 22 (ou PFC) suivi
d'un convertisseur continu-continu avec isolation galvanique 23. Le premier
module de conversion 3 transforme ainsi l'énergie électrique disponible sur le
réseau d'alimentation en tension continue, isolée du secteur. Dans le cas
d'une application à la charge de batterie, il adapte cette tension aux
conditions nécessaires à la charge de la batterie.
Le deuxième module de conversion 4 comprend un convertisseur
SEPIC qui assure la conversion du courant continu de tension U1 en le
courant continu de tension U2.
Le dispositif de charge 2 peut fonctionner selon au moins deux modes
distincts, à savoir un mode de charge et un mode d'utilisation. Par exemple,
lorsque l'appareil motorisé 8 est un véhicule automobile, celui-ci est
immobilisé et relié au réseau électrique en mode de charge, tandis qu'en
mode d'utilisation le véhicule est déconnecté du réseau électrique, et peut
par exemple rouler.
En faisant référence à la figure 1, en mode de charge, une source
d'alimentation 1 (telle que le réseau électrique) alimente en courant
alternatif
le premier module de conversion 3. Cette source d'alimentation 1 peut être
une source monophasée, biphasée, triphasée ou toute autre source
électrique.
Par exemple, pour une tension monophasée, la tension alternative
peut être de 85 V à 265 V et le courant de 16 A environ.
Le module de commutation 6 assure que le premier module de
conversion 3 alimente en courant continu de tension U1 à la fois la batterie 5
(qui est ainsi chargée) et le deuxième module de conversion 4.
En faisant référence à la figure 2, en mode d'utilisation, le premier
module de conversion 3 n'est pas connecté à une quelconque source
d'alimentation électrique et il n'est donc pas utilisé. Le dispositif de
charge 2
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tout comme l'appareil motorisé 8 auquel il est intégré sont alimentés en
courant continu de tension U1 par la batterie 5.
Plus précisément, le module de commutation 6 assure que la batterie
alimente le deuxième module de conversion 4.
5 En mode de charge tout comme en mode d'utilisation, le deuxième
module de conversion 4 alimente en courant continu de tension U2 les
équipements 7a, 7b, 7c de l'appareil motorisé.
La tension U2 peut être par exemple de 6 à 16 V avec une valeur
nominale de 12 V, la puissance étant de 200 W à quelques kilowatts. Ces
valeurs sont dépendantes des caractéristiques des équipements 7a, 7b, 7c
et sont susceptibles d'augmenter, tant pour la tension que pour la puissance.
En faisant référence à la figure 3, le convertisseur SEPIC du
deuxième module de conversion 4 comporte des bornes d'entrée 11a, 11b, à
savoir une première borne d'entrée lia et une deuxième borne d'entrée llb
reliée à la référence de tension. En parallèle des bornes d'entrée lia, 11 b
est connecté un premier condensateur 12. Aux bornes du premier
condensateur 12 est connecté un circuit série comportant une première
inductance 13 et un transistor 14 (une des bornes du transistor 14 étant
reliée à la référence de tension.
Aux bornes du transistor 14 est connecté un circuit série comportant
un deuxième condensateur 15 et une deuxième inductance 16 (une des
bornes de la deuxième inductance 16 étant reliée à la référence de tension).
Aux bornes de la deuxième inductance 16 est connecté un circuit série
comportant une diode 17 et un troisième condensateur 18 (une des bornes
du troisième condensateur 18 étant reliée à la référence de tension).
Enfin, les bornes du troisième condensateur 18 sont reliées à des
bornes de sortie 19a, 19b, à savoir une première borne de sortie 19a et une
deuxième borne de sortie 19b reliée à la référence de tension.
Le courant continu de tension U1 est appliqué aux bornes d'entrée
11a, 11b, tandis que le courant continu de tension U2 est délivré aux bornes
de sortie 19a, 19b.
Les paramètres des composants sont déterminés en fonction de
l'utilisation et du dimensionnement du convertisseur SEPIC.
A titre d'illustration, les paramètres des composants du convertisseur
SEPIC peuvent être les suivants :
¨ premier condensateur 12 : capacité de 0,1 F à 10 F, de
préférence de 0,4 F à 10 F;
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¨ première inductance 13 : valeur d'inductance 0,5 H à 100 H, de
préférence de 5 H à 35 H
¨ deuxième condensateur 15: capacité de 2 F à 100 F, de
préférence de 15 F à 45 F ;
¨ deuxième inductance 16 : valeur d'inductance 0,5 H à 100 H, de
préférence de 5 H à 20 H ;
¨ troisième condensateur 18 : capacité de 20 F à 10 mF, de
préférence de 1 mF à 5 mF.
Le transistor 14 peut être par exemple un transistor MOSFET ou un
transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) ou tout autre commutateur.
La diode 17 est par exemple une diode Schottky.
Le convertisseur SEPIC assure une isolation capacitive entre l'entrée
du convertisseur (partie de circuit notée A) et la sortie du convertisseur
(partie de circuit notée B), grâce au deuxième condensateur 15.
Ainsi, la sécurité du dispositif est garantie en cas de défaillance des
composants actifs et notamment du transistor 14.
La fonction du module de commutation 6 est de permettre l'aiguillage
des tensions entre les divers modes de fonctionnement. La figure 5 présente
un exemple de module de commutation 6 qui permet au deuxième module
de conversion 4 d'être alimenté aussi bien par le premier module de
conversion 3 que par la batterie 5.
