Domaine technique

L’invention a pour domaine technique les systèmes d’alimentation électrique, et plus particulièrement de tels systèmes munis de batteries.

Certains usagers sont demandeurs de prises électriques de type domestique (230V) dans leur véhicule, pour pouvoir y brancher des équipements. Ce besoin est avéré en particulier pour des artisans, usagers de véhicules utilitaires, notamment pour le branchement d’un ordinateur, d’un chauffage électrique ou d’un groupe froid, d’un outillage spécifique, pour la recharge d’autres véhicules ...

Plusieurs solutions techniques permettent de proposer cette prestation aux usagers :

- Pour raccorder un équipement de faible puissance (inférieure à 300W), il est possible, sur tout type de véhicule, de rajouter un onduleur branché sur le réseau 12V du véhicule.

- Pour raccorder des équipements de puissances plus élevées, un véhicule à moteur thermique peut éventuellement être utilisé comme groupe électrogène s’il est couplé à une génératrice.

- Pour raccorder des équipements de puissances jusqu’à 1000 ou 2000W sur un véhicule électrique ou hybride, il est possible de rajouter un onduleur raccordé à la batterie de traction du véhicule.

Une autre solution, utilisable pour des véhicules électriques ou hybrides rechargeables, plus avantageuse en termes de compacité et en puissance de raccordement, consiste à utiliser le chargeur de la batterie de traction du véhicule en mode bidirectionnel. Dans ce cas, la puissance disponible pour les équipements peut être du même ordre de grandeur que la puissance du chargeur de la batterie, c’est-à-dire généralement 3,7 ou 7 kW, voire 1 1 kW.

Par ailleurs, lorsque le chargeur bidirectionnel génère la tension à destination de la charge externe, un pilotage en tension est réalisé. La consigne est de fournir et de maintenir la tension de 230V dans les limites attendues. Néanmoins, lorsque le chargeur bidirectionnel est connecté à une borne de charge fournissant un courant supérieur à celui requis par la charge externe, un pilotage en courant est réalisé. En effet, la consigne est alors de réguler le courant au besoin de la charge.

Enfin, lorsque le chargeur bidirectionnel est connecté à une borne de charge fournissant un courant inférieur à celui requis par la charge externe, un pilotage en courant est également réalisé, mais avec le chargeur fonctionnant en onduleur. En effet, le chargeur supplémente la borne de charge en puisant de l’énergie continue dans la batterie. La fréquence est toujours dictée par le réseau d’alimentation électrique à travers la borne de recharge.

Dans cette utilisation, un problème technique susceptible de se poser consiste à alimenter la charge externe branchée par l’usager (mode onduleur), tout en chargeant si possible la batterie de son véhicule électrique (mode chargeur). Les deux modes d’utilisation du convertisseur de puissance (onduleur et chargeur) sont a priori antagonistes.

Un autre problème technique est de disposer de moyens de commutation permettant d’assurer un passage d’un mode de pilotage du chargeur à un autre mode qui soit transparent pour la charge externe.

Techniques antérieures

De nombreux véhicules thermiques proposent des prises électriques de faible puissance avec un onduleur branché sur réseau basse tension.

Certains véhicules électriques ou hybrides proposent des puissances de l’ordre de 1 à 2 kW, avec un onduleur branché sur le réseau de la batterie de traction.

Dans ces deux cas, l’aj out d’un onduleur n’est pas une solution optimale du point de vue de la compacité, et la puissance de ces solutions reste limitée. Un chargeur doit être prévu pour charger la batterie de traction et un onduleur doit également être prévu pour alimenter la ou les prises domestiques.

Seuls certains véhicules de constructeurs utilisent des chargeurs bidirectionnels.

Il a en particulier été proposé d’équiper les véhicules d’une prise intérieure capable de délivrer une puissance jusqu’à 2,2 kW. Cependant, cette prise n’est pas fonctionnelle lorsque le véhicule est raccordé au réseau électrique. La présente invention consiste ainsi à permettre une gestion simultanée des deux fonctions d’alimentation de la charge externe branchée par l’usager, en mode onduleur, d’une part, et de charge de la batterie du véhicule électrique, d’autre part, et de permettre la commutation entre des modes de pilotage en tension et en courant selon les puissances mises en jeu au niveau de la charge et de la borne de recharge.

Exposé de l’invention

L’invention a pour objet un système d’alimentation électrique comprenant un chargeur bidirectionnel connecté à une batterie, un dispositif de commutation rapide et une prise d’alimentation électrique configurée pour permettre d’alimenter une charge, le dispositif de commutation rapide étant configuré pour pouvoir être connecté à un réseau d’alimentation électrique, le système comprend un premier capteur de courant entre le chargeur bidirectionnel et le dispositif de commutation rapide, un deuxième capteur de courant entre la prise d’alimentation électrique et le chargeur bidirectionnel, un capteur de tension en sortie du dispositif de commutation rapide et un capteur de l’état de charge de la batterie, et un moyen de commande connecté aux capteurs, au chargeur bidirectionnel et au dispositif de commutation rapide, configuré pour commander le chargeur bidirectionnel et le dispositif de commutation rapide en fonction au moins des mesures des capteurs et de l’état de charge de la batterie.

Le dispositif de commutation rapide peut être un interrupteur électronique de type Triac.

Le dispositif de commutation rapide peut être connecté au réseau d’alimentation électrique par l’intermédiaire d’une prise de recharge, la prise de recharge étant configurée pour être connectée à une borne de recharge, et pour échanger des données avec le moyen de commande.

Un autre obj et de l’invention est un véhicule automobile muni d’un système d’alimentation électrique tel que défini ci-dessus.

L’invention a encore pour objet un procédé de commande d’un système d’alimentation électrique tel que défini ci-dessus, dans lequel on réalise les étapes suivantes :

• on détermine si un courant circule à travers la prise d’alimentation électrique,

• si tel est le cas, on détermine si le système d’alimentation électrique est connecté à un réseau d’alimentation électrique, puis on détermine si un changement de l’état de connexion à un réseau d’alimentation électrique a lieu,

• lorsque le système d’alimentation électrique n’est pas connecté à un réseau d’alimentation électrique et que l’état de connexion au réseau d’alimentation électrique change,

- on mesure la variation de tension entre le dispositif de commutation rapide et le réseau d’alimentation électrique et la variation de courant entre le chargeur bidirectionnel et la prise d’alimentation électrique,

- on commande le chargeur bidirectionnel de sorte que les signaux électriques de part et d’autre du dispositif de commutation rapide soient synchronisés,

- si tel est le cas, on détermine une consigne de courant en fonction des puissances consommées ou fournies par la batterie, le réseau d’alimentation électrique et la charge,

- on commande le dispositif de commutation rapide pour passer d’un état non passant à un état passant, et

- on commande le chargeur bidirectionnel pour passer d’un fonctionnement en onduleur piloté en tension à un fonctionnement en onduleur piloté en courant ou en redresseur piloté en courant en appliquant la consigne de courant,

• lorsque le système d’alimentation électrique est connecté à un réseau d’alimentation électrique et que l’état de connexion au réseau d’alimentation électrique change,

- on détermine une consigne de courant en fonction des puissances consommées ou fournies par la batterie, le réseau d’alimentation électrique et la charge,

- on commande la commutation vers un mode onduleur piloté en tension en appliquant la consigne de courant, et

- on commande le dispositif de commutation rapide d’un état passant à un état non-passant.

On peut déterminer si le système d’alimentation électrique est connecté à un réseau d’alimentation électrique par l’intermédiaire d’informations échangées avec la borne de charge à travers une connexion de données de la prise de recharge, par l’intermédiaire d’une mesure de la tension en amont du dispositif de commutation rapide, ou de façon lorsque le système d’alimentation électrique est connecté à une prise électrique normée.

Brève description des dessins

D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :

- [Fig 1] illustre les principaux éléments d’un système d’alimentation électrique selon l’invention, et

- [Fig 2] illustre les principales étapes d’un procédé de commande du système d’alimentation électrique selon l’invention

Description détaillée

La figure [Fig 1] illustre la structure du système d’alimentation électrique. Le système d’alimentation électrique 1 comprend une batterie 2, connectée à un chargeur bidirectionnel 3, le chargeur bidirectionnel 3 étant connecté au réseau d’alimentation électrique l’intermédiaire d’un dispositif de commutation rapide 5. Dans un mode de réalisation, une prise de recharge 4 permet de connecter le dispositif de commutation rapide 5 au réseau d’alimentation électrique par l’intermédiaire d’une borne de recharge externe. Une prise d’alimentation électrique 6 est également connectée au chargeur bidirectionnel 3 de sorte à pouvoir alimenter une charge.

Le système d’alimentation électrique 1 comprend par ailleurs un moyen de commande 7 permettant d’exécuter les étapes d’un procédé de commande en fonction de mesures de capteurs 8a, 8b, 8c, 8d.

Les capteurs 8a, 8b, 8c, 8d comprennent un premier capteur de courant 8a entre le chargeur bidirectionnel 3 et le dispositif de commutation rapide 5, un deuxième capteur de courant 8b entre la prise d’alimentation électrique 6 et le chargeur bidirectionnel 3, un capteur de tension 8c en sortie du dispositif de commutation rapide 5, entre le dispositif de commutation rapide et le réseau d’alimentation électrique, et un capteur 8d de l’état de charge de la batterie. Le moyen de commande 7 comprend au moins une mémoire et au moins un processeur, apte à exécuter des instructions logicielles formant un procédé de commande. Le moyen de commande 7 est connecté aux capteurs 8a, 8b, 8c, au chargeur bidirectionnel 3 et au dispositif de commutation rapide 5. Le dispositif de commutation rapide est de préférence un interrupteur électronique de type Triac afin d’éviter les phénomènes de rebond des interrupteurs mécaniques de type relais.

Dans un mode de réalisation particulier, le moyen de commande 7 est également connecté à la borne de charge à travers la prise de recharge 4 de sorte à déterminer la puissance disponible et à commander la commutation de la borne.

Lorsque le système d’alimentation électrique est connecté par la prise de recharge, le moyen de commande détermine une consigne de courant à produire en fonction de la puissance disponible en provenance du réseau d’alimentation électrique, de la puissance disponible dans la batterie et de la consommation de puissance au niveau de la prise d’alimentation électrique. La consigne de courant est alors limitée par la puissance maximale disponible pour l’alimentation du système.

Dans un mode de réalisation, la prise de recharge est munie d’une connexion de données permettant de déterminer le courant maximal autorisé par la borne de charge lorsque le système d’alimentation électrique est connecté à une telle borne et de commander la mise à disposition de la puissance.

Alternativement, cette valeur est connue implicitement lorsque le système d’alimentation électrique est connecté au réseau d’alimentation électrique par l’intermédiaire d’une prise d’alimentation électrique répondant à une norme.

Le tableau 1 illustre différents exemples de consignes de courant pour un système d’alimentation électrique connecté à une borne de charge.

[Tableau 1]

Dans le premier exemple du tableau [Tableau 1], le courant disponible au niveau de la borne est bien supérieur au courant consommé par la charge. La batterie est capable d’accepter une énergie élevée. La consigne de courant correspond à la différence entre le courant maximal de la borne et le courant consommé.

Dans le deuxième exemple, le courant disponible au niveau de la borne est bien inférieur au courant consommé par la charge. La batterie est capable d’accepter une énergie élevée. La consigne de courant correspond à la différence entre le courant maximal de la borne et le courant consommé. Il s’agit ici d’une consigne négative qui implique que la batterie doit être déchargée pour compléter la puissance fournie par la borne afin de maintenir l’alimentation de la charge.

Dans le troisième exemple, comme dans le premier exemple, le courant disponible au niveau de la borne est bien supérieur au courant consommé par la charge. Néanmoins, la batterie n’est ici capable que d’accepter une énergie limitée. La consigne de courant est alors inférieure à la différence entre le courant maximal de la borne et le courant consommé de sorte à ne pas saturer la batterie.

Dans le quatrième exemple, le système d’alimentation n’est pas connecté à une borne de recharge. Le courant disponible au niveau de la borne est alors nul. La batterie est capable d’accepter une énergie élevée. La consigne de courant correspond à la différence entre le courant maximal de la borne et le courant consommé. Il s’agit ici d’une consigne négative égale à la consommation de la charge qui implique que la batterie doit être déchargée pour fournir toute la puissance consommée par la charge.

Le moyen de commande pilote ensuite le mode chargeur ou le mode onduleur du chargeur bidirectionnel, selon un pilotage en tension ou en courant en fonction de la consigne de courant déterminée. On rappelle que la consigne de courant correspond à la différence entre le courant maximal de la borne et le courant consommé.

Le procédé de commande est illustré par la figure [Fig 2] et comprend les étapes suivantes.

Au cours d’une première étape 1 1, on mesure le courant circulant entre le chargeur bidirectionnel et la prise d’alimentation électrique grâce au deuxième capteur de courant 8b.

Au cours d’une deuxième étape 12, on détermine si une charge est connectée à la prise d’alimentation électrique en fonction de la mesure du courant circulant entre le chargeur bidirectionnel et la prise d’alimentation électrique.

Si tel n’est le cas, le procédé reprend à la première étape 11.

Si tel est le cas, le procédé se poursuit par une troisième étape 13, au cours de laquelle on détermine si le système d’alimentation électrique 1 est connecté au réseau d’alimentation électrique. Selon les modes de réalisation, on peut déterminer cette information grâce à une connexion de données d’une prise de recharge 4 lorsque le système d’alimentation électrique est connecté au système d’alimentation électrique à travers un telle prise. Dans un autre mode de réalisation, une mesure de la tension en amont du dispositif de commutation rapide permet de déterminer la connexion à un réseau d’alimentation électrique. Si le système d’alimentation électrique 1 n’est pas connecté au réseau d’alimentation électrique, le procédé se poursuit par une quatrième étape 14 au cours de laquelle on détermine un changement de l’état de la connexion au réseau d’alimentation électrique.

Le chargeur bidirectionnel fonctionne en mode onduleur piloté en tension lorsque le système d’alimentation électrique n’est pas connecté à un réseau d’alimentation électrique et alimente une charge externe. En effet, de l’énergie est prélevée dans la batterie sous forme de tension continue et est fournie à la charge externe sous forme de tension alternative. Néanmoins, lors de la connexion au réseau d’alimentation électrique, le chargeur bidirectionnel doit être piloté en courant car la tension est fixée par le réseau d’alimentation électrique au travers de la borne de recharge. De plus, en fonction de l’énergie fournie par la borne, le chargeur bidirectionnel fonctionne en mode onduleur s’il doit suppléer une puissance insuffisante de la borne pour alimenter la charge externe. Le chargeur bidirectionnel fonctionne en mode redresseur si la puissance de la borne est suffisante pour alimenter la charge externe, le reste de la puissance fournie par la borne est utilisée pour charger la batterie 2.

Lors de la commutation d’un mode de fonctionnement ou de pilotage à l’autre, les signaux électriques en amont et en aval de la prise de recharge doivent être synchronisés et la commutation suffisamment rapide pour ne pas être compatible avec le changement de commande du chargeur bidirectionnel et pour ne pas être perçue par la charge.

Lorsque l’état de connexion au réseau d’alimentation électrique change, le procédé se poursuit par une cinquième étape 15.

Au cours de la cinquième étape 15, on mesure la variation de tension entre le dispositif de commutation rapide et le réseau d’alimentation électrique grâce au capteur de tension 8c en sortie du dispositif de commutation rapide et la variation de courant en amont de la prise d’alimentation électrique 6 grâce au deuxième capteur de courant 8b à l’entrée de la prise d’alimentation électrique 6

On commande alors le chargeur bidirectionnel de sorte que les valeurs de crête et la fréquence des signaux électriques, tension ou courant, circulant entre le chargeur bidirectionnel et la prise d’alimentation électrique 6 et de l’énergie circulant entre le dispositif de commutation rapide et le réseau d’alimentation électrique correspondent de sorte à présenter un déphasage nul. Lorsque les signaux électriques de part et d’autre du dispositif de commutation rapide sont synchronisés, au cours d’une sixième étape 16, on commande le dispositif de commutation rapide 5 de sorte à passer d’un état non passant à un état passant, et on commande le chargeur bidirectionnel 3 de sorte à passer d’un fonctionnement en onduleur piloté en tension à un fonctionnement en onduleur piloté en courant ou en redresseur piloté en courant selon la différence entre la puissance fournie par la borne de recharge et la puissance demandée par la charge externe. Le procédé reprend alors à la première étape 11. Le dispositif de commutation rapide 5 permet une commutation rapide adaptée à la commutation lorsque les signaux électriques sont synchronisés et adaptée au changement de mode de pilotage courant/tension. Dans le cas d’une connexion à une borne de charge, il permet également une commutation plus rapide que la commutation réalisée par la borne de charge. En effet, celle-ci permet d’obtenir une déconnexion rapide en une centaine de milliseconde pour des raisons sécuritaires (norme IEC 61851-1), mais ne permet de garantir qu’une connexion en quelques secondes. En effet, aucune norme ne s’applique à cette phase de fonctionnement, et l’utilisation de relais plus lents permet de réduire le coût de la borne sans modifier fondamentalement le temps de charge qui dure dans tous les cas plusieurs dizaines de minutes.

Si, au cours de la troisième étape 13, on a déterminé que le système d’alimentation électrique 1 est connecté à une borne de recharge, le procédé se poursuit par une septième étape 17.

Au cours de la septième étape 17, on détermine un changement de l’état de connexion au réseau d’alimentation électrique. En d’autres termes, on surveille la déconnexion du système d’alimentation électrique du réseau d’alimentation électrique alors qu’une charge externe est alimentée par le système d’alimentation électrique. Comme indiqué ci-dessus, selon divers modes de réalisation, on peut déterminer cette information grâce à une connexion de données d’une prise de recharge 4 lorsque le système d’alimentation électrique est connecté au système d’alimentation électrique à travers un telle prise. Dans un autre mode de réalisation, une mesure de la tension en amont du dispositif de commutation rapide permet de déterminer la connexion à un réseau d’alimentation électrique.

Lorsque l’état de connexion au réseau d’alimentation électrique change, le procédé se poursuit par une huitième étape 18, au cours de laquelle on commande le chargeur dans un mode onduleur piloté en tension et on commande le dispositif de commutation rapide d’un état passant à un état non-passant. Le procédé reprend alors à la première étape 11.

Dans un mode de mise en œuvre, le système d’alimentation électrique 1 est intégré dans un véhicule automobile à traction électrique ou hybride, la batterie du système d’alimentation étant alors constituée par la batterie de traction du véhicule et le chargeur bidirectionnel étant constitué par le chargeur embarqué.

En variante, dans un autre mode de mise en œuvre, le système d’alimentation électrique 1 peut être intégré dans un groupe électrogène portatif.