Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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CONVERTISSEUR REVERSIBLE
DOMAINE DE L'INVENTION
lo La présente invention concerne un dispositif de charge comprenant un
convertisseur AC-DC permettant d'alimenter deux sorties à des tensions
différentes, de type réversible. Ce dispositif de charge est 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. Ils peuvent également être
utilisés avec un dispositif chargeur de batterie externe.
La fonction principale de ces chargeurs est la recharge des batteries à
partir de l'électricité disponible sur le réseau de distribution électrique.
Ils
assurent donc une conversion d'un courant alternatif en courant continu.
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
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fiabilité, et pour faciliter l'intégration de ces équipements dans le véhicule
ou
autre engin motorisé.
Toutefois, il reste encore souhaitable de réduire l'encombrement et le
poids des dispositifs de charge de ce type.
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, le dispositif de charge comprenant un premier module de
conversion et un deuxième module de conversion connecté au premier
module de conversion dans lequel :
¨ le premier module de conversion est également adapté à être
connecté à une source de courant alternatif ;
¨ le deuxième module de conversion est également adapté à être
connecté à la batterie, et à être connecté aux équipements, et ledit
deuxième module de conversion comprend un unique
transformateur ;
le dispositif de charge étant adapté :
¨ à être alimenté par la source de courant alternatif en courant
alternatif d'entrée, à convertir dans le premier module de
conversion ce courant alternatif d'entrée en courant continu ayant
une première tension, et en outre :
= à convertir dans le deuxième module de conversion le courant
continu de première tension en courant continu ayant une
deuxième tension, et à alimenter la batterie avec ce courant
continu de deuxième tension ; et
= à convertir dans le deuxième module de conversion le courant
continu de première tension en courant continu ayant une
troisième tension, et à alimenter les équipements avec ce
courant continu de troisième tension ; et
¨ à être alimenté par la batterie en courant continu de deuxième
tension, à convertir dans le deuxième module de conversion ce
courant continu de deuxième tension en courant continu de
troisième tension, et à alimenter les équipements avec ce courant
continu de troisième tension.
De préférence, une batterie secondaire figure parmi les équipements,
et le dispositif est adapté à être alimenté par la batterie secondaire en
courant continu de troisième tension, et à convertir dans le deuxième module
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de conversion ce courant continu de troisième tension en courant continu de
première tension, pour alimenter le premier module de conversion.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de charge est également
adapté :
¨ à être alimenté par la batterie en courant continu de deuxième
tension, à convertir dans le deuxième module de conversion ce
courant continu de deuxième tension en courant continu de
première tension, à convertir dans le premier module de
conversion ce courant continu de première tension en courant
alternatif de sortie, et à alimenter la source de courant alternatif
avec ce courant alternatif de sortie.
Selon un mode de réalisation, le deuxième module de conversion
comprend un premier circuit de conversion connecté au premier module de
conversion, un deuxième circuit de conversion adapté à être connecté à la
batterie, et un troisième circuit de conversion adapté à être connecté aux
équipements, ces trois circuits de conversion étant connectés au
transformateur unique ; le dispositif de charge comprenant, de préférence, un
organe de commande des trois circuits de conversion.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de charge est adapté à
alimenter simultanément la batterie en courant continu de deuxième tension,
et les équipements en courant continu de troisième tension ; le dispositif de
charge comprenant, de préférence, des moyens de régulation de la troisième
tension indépendamment de la deuxième tension.
Selon un mode de réalisation :
- le courant alternatif d'entrée présente une tension de 80 V à
300 V, de préférence de 85 à 265 V et / ou une puissance de
0,5 kW à 35 kW, de préférence de 1 kW à 6 kW ; et / ou
¨ la première tension vaut de 270 à 440 V, de préférence de 290 à
430V ; et / ou
- la deuxième tension vaut de 20 à 550 V, de préférence de 24 à
500V ; et / ou
¨ la troisième tension vaut de 5 à 20 V, de préférence de 10 à 15 V,
par exemple environ 12 V.
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.
Selon un mode de réalisation, l'appareil motorisé est un véhicule, de
préférence un véhicule automobile à alimentation électrique.
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L'invention concerne également un appareil motorisé, comprenant le
dispositif de charge tel que décrit ci-dessus, ainsi que la batterie et les
équipements, les équipements étant de préférence choisis parmi une batterie
secondaire, des capteurs, des voyants, un ordinateur de bord, des moyens
d'éclairage et un autoradio.
Selon un mode de réalisation, l'appareil motorisé est un véhicule, de
préférence un véhicule automobile à alimentation électrique.
L'invention concerne également un procédé de charge d'une batterie
et d'alimentation d'équipements d'un appareil motorisé, comprenant :
- selon un premier mode de fonctionnement, la fourniture d'un
courant alternatif d'entrée, la conversion du courant alternatif
d'entrée en courant continu de première tension, ainsi que :
= la conversion du courant continu de première tension en
courant continu de deuxième tension, et l'alimentation de la
batterie avec le courant continu de deuxième tension ; et / ou
= la conversion du courant continu de première tension en
courant continu de troisième tension, et l'alimentation des
équipements avec le courant continu de troisième tension ;
¨ selon un deuxième mode de fonctionnement, la fourniture de
courant continu de deuxième tension par la batterie, la conversion
du courant continu de deuxième tension en courant continu de
troisième tension, et l'alimentation des équipements avec le
courant continu de troisième tension ;
le premier mode de fonctionnement et le deuxième mode de
fonctionnement étant mis en oeuvre de façon séparée dans le temps ;
dans lequel chaque conversion d'un courant continu en un autre
courant continu de tension différente comprend une étape de transformation
en courant alternatif intermédiaire au moyen d'un même transformateur
unique.
De préférence, une batterie secondaire figure parmi les équipements,
et le procédé comprend, selon un troisième mode de fonctionnement, la
fourniture de courant continu de troisième tension par la batterie secondaire,
la conversion du courant continu de troisième tension en courant continu de
première tension, et la conversion du courant continu de première tension en
courant alternatif.
Selon un mode de réalisation, le procédé de charge comprend
également :
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¨ selon un quatrième mode de fonctionnement, la fourniture de
courant continu de deuxième tension par la batterie, la conversion
du courant continu de deuxième tension en courant continu de
première tension, la conversion du courant continu de première
5 tension
en courant alternatif de sortie, et la fourniture du courant
alternatif de sortie à un réseau électrique extérieur.
Selon un mode de réalisation, dans le premier mode de
fonctionnement, l'alimentation de la batterie en courant continu de deuxième
tension, et l'alimentation des équipements en courant continu de troisième
tension sont au moins partiellement simultanées ; le procédé comprenant, de
préférence, une régulation de la troisième tension indépendamment de la
deuxième tension.
Selon un mode de réalisation :
¨ le courant alternatif d'entrée présente une tension de 80 V à
300 V, de préférence de 85 à 265 V et / ou une puissance de
0,5 kW à 35 kW, de préférence de 1 kW à 6 kW ; et / ou
¨ la première tension vaut de 270 à 440 V, de préférence de 290 à
430V ; et / ou
¨ la deuxième tension vaut de 20 à 550 V, de préférence de 24 à
500 V ; et / ou
¨ la troisième tension vaut de 5 à 20 V, de préférence de 10 à 15 V,
par exemple environ 12 V.
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.
Selon un mode de réalisation, l'appareil motorisé est un véhicule, de
préférence un véhicule automobile à alimentation électrique.
La présente invention permet de surmonter les inconvénients de l'état
de la technique. Elle fournit plus particulièrement un dispositif de charge
permettant d'alimenter à la fois une batterie de traction à une tension
relativement élevée et des équipements du réseau dit très basse tension ,
ce dispositif de charge présentant un encombrement et un poids plus réduits
que dans l'état de la technique.
L'invention permet également de simplifier la connectique, de disposer
d'un système plus fiable, et de faciliter l'intégration du dispositif de
charge
dans l'appareil motorisé.
Ceci est accompli grâce à la mise au point d'un convertisseur DC-DC
(appelé deuxième module de conversion dans le cadre de la demande)
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permettant d'alimenter à la fois la batterie de traction et les équipements de
très basse tension, ledit convertisseur DC-DC étant réversible, c'est-à-dire
pouvant être alimenté aussi bien par une source externe que par la batterie
de traction, et reposant sur un transformateur unique.
Ainsi, on évite d'utiliser au moins deux transformateurs, à savoir un
pour l'alimentation de la batterie de traction, et un pour l'alimentation des
équipements à très basse tension, comme c'est le cas selon l'état de la
technique.
Le transformateur unique offre une isolation galvanique entre les trois
types de courants continus circulant dans le système, ce qui permet de
répondre aux exigences normatives en matière de sécurité, en particulier
lorsque la tension de la batterie est élevée et doit donc être isolée des
équipements de bord.
Du fait de l'utilisation d'un transformateur unique, celui-ci peut
transférer la même puissance électrique vers la batterie principale et à
partir
de celle-ci. Ainsi, sans augmenter le poids et le volume du dispositif de
charge, on dispose d'une puissance importante en mode de roulage pour les
équipements de bord. Cela est d'autant plus avantageux que les
équipements de bord ont tendance de nos jours à être de plus en plus
consommateurs de puissance électrique en mode de roulage, avec par
exemple des pointes de consommation à 2 kW pour des équipements de
voiture électrique.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
La figure 1 représente de manière schématique un dispositif de
charge selon l'invention, intégré dans un appareil motorisé, fonctionnant
selon le premier mode de fonctionnement (mode de charge).
La figure 2 représente de manière schématique un dispositif de
charge selon l'invention, intégré dans un appareil motorisé, fonctionnant
selon le deuxième mode de fonctionnement (mode de roulage).
La figure 3 représente de manière schématique un dispositif de
charge selon l'invention, intégré dans un appareil motorisé, fonctionnant
selon le quatrième mode de fonctionnement (mode de redistribution).
La figure 4 représente de manière schématique un mode de
réalisation du deuxième module de conversion utilisé dans le cadre de
l'invention.
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La figure 5 représente de manière schématique un dispositif de
charge selon l'invention, intégré dans un appareil motorisé, fonctionnant
selon le troisième mode de fonctionnement (mode de redistribution).
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, 2 et 3, un dispositif de charge 2
selon l'invention est adapté à être monté ou intégré au sein d'un appareil
motorisé 6 qui comprend une batterie 5 et des équipements 7a, 7b, 7c.
Selon un mode de réalisation préféré, l'appareil motorisé 6 est un
véhicule, notamment un véhicule automobile, à alimentation électrique. Dans
d'autres modes de réalisation, l'appareil motorisé 6 peut être un engin de
manutention tel qu'une nacelle élévatrice, un chariot élévateur ou un
transpalette.
La batterie 5 représente de préférence 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 7a, elle-
même susceptible d'alimenter le reste des équipements 7b, 7c.
Le dispositif de charge 2 comprend un premier module de conversion
3 (module de conversion AC-DC) et un deuxième module de conversion 4
(module de conversion DC-DC) qui est connecté au premier module de
conversion 3, et qui est connecté, lorsque le dispositif de charge 2 est
intégré
dans l'appareil motorisé 6, à la batterie 5 et aux équipements 7a, 7b, 7c.
Dans un premier mode de fonctionnement, appelé mode de charge et
représenté à la figure 1, une source d'alimentation 1 (telle que le réseau
électrique) est connectée au premier module de conversion 3 et l'alimente en
courant alternatif. Cette source d'alimentation 1 peut être une source
monophasée, biphasée, triphasée ou toute autre source électrique.
Le premier module de conversion 3 assure la conversion du courant
alternatif d'entrée en courant continu de première tension (notée tension V1),
et alimente le deuxième module de conversion 4 avec ce courant de tension
V1.
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Le deuxième module de conversion 4 assure la conversion du courant
continu de tension V1 en un courant continu de deuxième tension (notée
tension V2), qui alimente la batterie 5 (qui est ainsi chargée).
Optionnellement, le deuxième module de conversion 4 assure
également la conversion du courant continu de tension V1 en un courant
continu de troisième tension (notée tension V3), qui alimente les
équipements 7a, 7b, 7c.
Dans un deuxième mode de fonctionnement, appelé mode de roulage
et représenté à la figure 2, le dispositif de charge est déconnecté de toute
source d'alimentation externe. Dans ce mode de fonctionnement, la batterie
5 alimente en courant continu de tension V2 le deuxième module de
conversion 4, qui convertit ce courant en courant continu de tension V3
alimentant les équipements 7a, 7b, 7c.
Deux modes de redistribution sont également possibles : le troisième
mode de fonctionnement, représenté à la figure 5, et le quatrième mode de
fonctionnement (facultatif), représenté à la figure 3.
Dans le quatrième mode de fonctionnement, la batterie 5 alimente en
courant continu de tension V2 le deuxième module de conversion 4, qui
convertit ce courant en courant continu de tension V1 alimentant le premier
module de conversion 3, et le premier module de conversion 3 convertit ce
courant continu de tension V1 en courant alternatif de sortie, qui est fourni
vers l'extérieur de l'appareil motorisé 6, c'est-à-dire par exemple qui est
redistribué vers le réseau électrique, dans le cadre d'une gestion dite
intelligente de l'énergie électrique, permettant notamment de répondre à
des pics de consommation sur le réseau électrique en faisant appel aux
batteries des appareils motorisés reliés au dit réseau.
Il faut souligner en outre que, dans le cadre de ce mode de
redistribution, il peut également y avoir une alimentation des équipements
7a, 7b, 7c en courant continu de tension V3 par le deuxième module de
conversion 4, tout comme dans le mode de roulage.
En faisant référence à la figure 5, dans le troisième mode de
fonctionnement, qui suppose que les équipements 7a, 7b, 7c comprennent
une batterie secondaire 7a, celle-ci alimente le deuxième module de
conversion 4 en courant continu de tension V3, par exemple pour conversion
en courant continu de tension V1 et alimentation du premier module de
conversion 3.
Le courant alternatif ainsi produit en sortie du premier module de
conversion 3 peut être redistribué vers le réseau électrique, tout comme dans
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le quatrième mode de fonctionnement. Alternativement, et comme illustré sur
la figure, il peut servir à alimenter des équipements supplémentaires 12
branchés sur l'appareil motorisé, de préférence de puissance relativement
peu élevée, par exemple des équipements électroniques amovibles, comme
un ordinateur portable, un téléphone portable, une tablette numérique ou
autre. Avantageusement ces équipements supplémentaires peuvent être
connectés par l'intermédiaire de prises conventionnelles, qui sont également
adaptées à relier ces équipements supplémentaires au secteur.
Le courant alternatif d'entrée peut être soit monophasé, par exemple
avec une tension de 85 à 265 V, soit biphasé, par exemple avec une tension
de 200 à 250 V, soit multiphasé et notamment triphasé, par exemple avec
une tension de 380 à 420 V.
Le premier module de conversion 3 comporte en général un circuit
correcteur de puissance (PFC), afin de limiter les harmoniques de courant
d'entrée. Un tel circuit présente également l'avantage de fonctionner sur une
large plage de tensions d'entrée.
La tension V1 du courant continu issu du premier module de
conversion 3 et alimentant le deuxième module de conversion 4 (ou
éventuellement inversement) vaut en général de 270 à 440 V, de préférence
de 290 à 430 V. A titre d'exemple, ce courant peut avoir une tension
d'environ 400 V.
La tension V2 du courant continu issu du deuxième module de
conversion 4 et alimentant la batterie 5 (ou inversement) vaut en général de
20 à 550 V, de préférence de 24 à 500 V. Selon un mode de réalisation, la
tension V2 est égale ou pratiquement égale à la tension V1. Elle peut ainsi
être de 400 V environ. Selon un autre mode de réalisation, la tension V2 est
inférieure à la tension V1. Par exemple, la tension V2 peut être de 60 V
environ.
Il faut noter que la valeur de la tension V2 peut varier au cours du
temps : c'est en principe la batterie 5 (et son niveau de charge) qui impose
la
valeur de la tension V2.
La tension V1 peut également varier en fonction de la tension V2, par
exemple grâce à une adaptation des conditions de fonctionnement du
premier module de conversion 3 à la tension V2 délivrée, selon le niveau de
charge de la batterie.
La tension V3 du courant continu issu du deuxième module de
conversion 4 et alimentant les équipements 7a, 7b, 7c (éventuellement ou
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inversement) est généralement inférieure à la tension V1 et inférieure à la
tension V2.
Elle vaut typiquement de 5 à 20 V, de préférence de 10 à 15 V, par
exemple environ 12 V.
5 En
faisant référence à la figure 4, on décrit un exemple de deuxième
module de conversion 4 réversible selon l'invention.
Ainsi, le deuxième module de conversion 4 comprend un premier
circuit de de conversion 8, un deuxième circuit de conversion 9 et un
troisième circuit de conversion 10.
lo Ces trois
circuits de conversion 8, 9, 10 sont connectés à un
transformateur unique 11, c'est-à-dire un transformateur comportant un
unique élément magnétique et au moins trois enroulements reliés à chacun
des trois circuits de conversion 8, 9, 10.
Le premier circuit de conversion 8 est connecté au premier module de
conversion 3 par une de ses extrémités opposée à celle en liaison avec le
transformateur 11. Ainsi, ce premier circuit de conversion 8 permet de
convertir un courant continu de tension V1 en entrée en un courant alternatif
intermédiaire alimentant le transformateur 11, ou éventuellement
inversement.
Le deuxième circuit de conversion 9 est connecté à la batterie 5 par
une de ses extrémités opposée à celle en liaison avec le transformateur 11.
Ainsi, ce deuxième circuit de conversion 9 permet de convertir un courant
alternatif intermédiaire issu du transformateur 11 en courant continu de
tension V2 en sortie alimentant la batterie 5 (en mode de charge), ou
inversement (en mode de roulage ou de redistribution).
Le troisième circuit de conversion 10 est connecté aux équipements
7a, 7b, 7c par une de ses extrémités opposée à celle en liaison avec le
transformateur 11. Ainsi, ce troisième circuit de conversion 10 permet de
convertir un courant alternatif intermédiaire issu du transformateur 11 en
courant continu de tension V3 en sortie alimentant les équipements 7a, 7b,
7c (en mode de charge ou de roulage ou éventuellement de redistribution),
ou éventuellement inversement (dans certains modes de réalisation du mode
de redistribution).
Ainsi, de préférence, le premier circuit de conversion 8, le deuxième
circuit de conversion 9 et le troisième circuit de conversion 10 sont
réversibles ; c'est-à-dire qu'ils peuvent fonctionner en mode normal ou en
mode inverse , l'entrée du circuit en mode normal correspondant à la
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sortie du circuit en mode inverse, et la sortie du circuit en mode normal
correspondant à l'entrée du circuit en mode inverse.
Les courants alternatifs intermédiaires mentionnés ci-dessus sont des
courants alternatifs ayant une fréquence de découpage qui est de préférence
relativement élevée.
Chaque circuit de conversion 8, 9, 10 comporte par exemple un
ensemble d'éléments de commutation (notés 01, 02, 03, 04 ; 05, 06, 07,
08 ; et 09, 010, 011, 012 sur la figure 4). Ces éléments de commutation
sont actionnés de manière synchrone soit pour découper un courant continu
en courant alternatif, soit pour redresser un courant alternatif en courant
continu, selon le sens d'utilisation des circuits.
De préférence, un organe de commande centralisé pourvu d'un
programmateur numérique commande les trois circuits de conversion 8, 9,
10, notamment via les éléments de commutation.
Cet organe de commande peut notamment comporter des moyens de
régulation de la tension V3 indépendamment (de manière décorrélée) de la
tension V2. Cela est particulièrement avantageux afin d'éviter que les
variations de la tension V2 selon le niveau de charge de la batterie 5 aient
une quelconque influence sur l'alimentation électrique du réseau à très basse
tension.
Lorsque l'un des circuits de conversion n'est pas employé, par
exemple le premier circuit de conversion 8 en mode de roulage, il peut être
déconnecté par un élément de commutation (relais).
Chaque circuit de conversion 8, 9, 10, et notamment le troisième
circuit de conversion 10, peut comprendre des moyens de redressement
synchrone, permettant d'augmenter le rendement en commandant
activement de manière synchrone les diodes et les composés de type
MOSFET.
