DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION.

La présente invention concerne un système d'alimentation électrique à double stockeurs d'énergie électrique d'un véhicule automobile électrique ou hybride.

ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION.

Les véhicules automobiles à moteur thermique comportent classiquement un réseau électrique de bord comprenant une batterie, généralement de 12 V, destiné à alimenter en énergie électrique les divers équipements, notamment un démarreur, indispensable pour assurer le démarrage du moteur thermique. Après le démarrage, un alternateur accouplé au moteur thermique assure la charge de la batterie.

De nos jours, le développement de l'électronique de puissance permet d'alimenter et de piloter une seule machine électrique tournante polyphasée réversible qui remplace avantageusement le démarreur et l'alternateur.

Dans un premier temps, cette machine, connue sous le nom d'alterno- démarreur, avait essentiellement pour but de remplir les fonctions autrefois dédiées à l'alternateur et au démarreur, et, accessoirement, de récupérer l'énergie au freinage, ou d'apporter un supplément de puissance et de couple au moteur thermique.

Dans le but d'accroître la puissance et d'améliorer le rendement de l'alterno- démarreur en augmentant sa tension de fonctionnement tout en conservant la possibilité d'utiliser des autres équipements standards, prévus pour une alimentation de 12 V à 14 V, notamment les batteries au plomb, a été développée une architecture dite "14 + X", ou "micro-hybride".

Cette architecture consiste donc en un réseau électrique de puissance reliant l'alterno-démarreur à un élément de stockage d'énergie électrique fonctionnant à une tension supérieure à 14 V, pouvant atteindre 48 V, et en un réseau électrique de service reliant tous les autres équipements. L'adaptation des niveaux de tensions entre les deux réseaux est assurée par un convertisseur continu - continu réversible.

Dans un second temps, des considérations écologiques, ont conduit à concevoir des alterno-démarreurs ayant une puissance, de l'ordre de 8 à 10 kW, suffisante pour entraîner le véhicule à faible vitesse, par exemple en environnement urbain.

De telles puissances n'ont pu être obtenues tout en conservant des machines électriques compactes qu'en portant la tension du réseau électrique de puissance à une tension, de l'ordre de 60 V, bien supérieure à la tension nominale des batteries au plomb classiques.

Par ailleurs, des réseaux de puissance à des tensions allant jusqu'à 120 V peuvent être mis en œuvre dans une architecture qui permet au véhicule d'être entraîné à pleine vitesse par le moteur électrique (architecture dite "full-hybrid" en terminologie anglaise, par comparaison à l'architecture précédente dite "mild- hybrid").

Afin de réaliser les fonctions propres aux véhicules hybrides rappelées ci- dessus, une puissance importante est fournie essentiellement par l'élément de stockage du réseau de puissance.

Pendant une phase de freinage récupératif, l'énergie restituée doit être absorbée rapidement par la batterie haute tension, et, inversement, pendant des phases d'assistance en couple, il est nécessaire que la batterie haute tension puisse fournir une puissance importante. Un tel élément de stockage doit donc présenter une très faible résistance interne pour éviter des pertes de tension pendant les phases de décharges et des surtensions pendant les phases de charge.

En même temps, il doit présenter un niveau d'énergie suffisant pour être capable de fournir l'énergie dans une phase de roulage en mode uniquement électrique (dite "ZEV" en terminologie anglaise, pour "Zéro Emission Vehicle"), et il va de soi que la quantité d'énergie disponible sur une longue période est primordiale.

Mais dans l'état actuel de la technique, il n'existe pas de stockeurs d'énergie électrique présentant à la fois une forte puissance massique et une importante énergie massique. On utilise habituellement de manière non-optimale des batteries lithium-ion qui sont soumises à des contraintes sévères limitant leur fiabilité et leur durée de vie.

Dans l'article "Improvement of Drive Range, Accélération and Décélération Performance In an Electric Vehicle Propulsion System" présenté par X. Yan et ali lors du congrès PESC 99 ("30 th Annual IEEE Powers Electronics Specialists Conférence", 1999, Vol. 2, pages 638 - 643), sont décrites des batteries zinc-brome optimisées pour leur énergie massique, leur durée de vie et leur faible coût associées à des ultracapacités qui fournissent les pointes de puissance.

Un convertisseur continu - continu bidirectionnel gère la charge / décharge des deux types de stockeurs en fonction des états de fonctionnement du véhicule (accélération, dépassement, freinage récupératif ...).

Ce convertisseur comprend un demi-pont à semi-conducteurs de puissance et une self reliés respectivement aux batteries ZnBr et aux ultracapacités de manière à constituer un montage survolteur/ dévolteur.

La commande des semi-conducteurs du demi-pont est simple, mais dans cette architecture, ces semi-conducteurs sont soumis aux tensions présentes aux bornes des stockeurs et sur le réseau de puissance, et doivent donc commuter des puissances importantes. Le coût de ces semi-conducteurs peut alors être élevé. DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION.

La présente invention vise à pallier cet inconvénient, et à limiter les coûts des composants d'un système d'alimentation électrique à double stockeurs d'un véhicule automobile électrique ou hybride.

Ce système, qui est destiné à être connecté à un réseau électrique de puissance du véhicule, est du type de ceux connus en soi comprenant un premier stockeur d'énergie électrique, présentant une première énergie massique, une première puissance massique et une première tension de fonctionnement, et un second stockeur d'énergie électrique, présentant une seconde énergie massique inférieure à la première énergie massique, une seconde puissance massique supérieure à la première puissance massique, et une seconde tension de fonctionnement supérieure à la première tension de fonctionnement. De manière habituelle, les premier et second stockeurs d'énergie électrique sont couplés électriquement par un convertisseur continu - continu bidirectionnel contrôlé en fonction des états de fonctionnement du véhicule.

Le système d'alimentation électrique à double stockeurs d'un véhicule automobile électrique ou hybride selon l'invention est remarquable en ce que le convertisseur continu - continu comprend une capacité flottante connectée en série entre les premier et second stockeurs d'énergie électrique.

Le convertisseur continu - continu comprend en outre avantageusement un premier pont en H formé par des premiers éléments de commutation à semi- conducteur connecté en parallèle sur la capacité flottante par l'intermédiaire de premiers éléments de filtrage et couplé par un transformateur à un deuxième pont en H formé par des deuxièmes éléments de commutation à semi-conducteur connecté en parallèle sur le premier stockeur d'énergie électrique par l'intermédiaire de seconds élément de filtrage.

Ce convertisseur continu - continu est, d'une part, apte à transférer des premières charges à partir du premier stockeur d'énergie électrique vers le second stockeur d'énergie électrique quand le premier pont en H fonctionne en redresseur et le second pont en H fonctionne en onduleur, et, d'autre part, apte à transférer des secondes charges à partir du second stockeur d'énergie électrique vers le premier stockeur d'énergie électrique quand le premier pont en H fonctionne en onduleur et le second pont en H fonctionne en redresseur.

De préférence, le système d'alimentation électrique à double stockeurs d'énergie électrique d'un véhicule automobile électrique ou hybride selon l'invention comprend en outre un chargeur apte à être relié à un réseau électrique de distribution. Ce chargeur comprend un troisième pont en H formé par des troisièmes éléments de commutation à semi-conducteur fonctionnant en onduleur et constituant, en étant couplé par le transformateur du convertisseur continu - continu au deuxième pont en H fonctionnant en redresseur, une alimentation à découpage apte à charger le premier stockeur d'énergie électrique à partir du réseau électrique de distribution.

Ce chargeur comprend avantageusement un élément de correction du facteur de puissance.

De préférence, dans le système d'alimentation électrique à double stockeurs d'énergie électrique d'un véhicule automobile électrique ou hybride selon l'invention, les premier, deuxième et troisième ponts en H fonctionnent en régime de commutation à tension nulle ou en régime de commutation à courant nul.

Les deuxièmes éléments de commutation à semi-conducteur sont avantageusement de type IGBT.

Les premiers et troisièmes éléments de commutation à semi-conducteurs sont de préférence de type MOSFET, ainsi, qu'alternativement au type IGBT, les deuxièmes éléments de commutation à semi-conducteur.

On tire bénéfice du fait que dans le système d'alimentation électrique à double stockeurs d'énergie électrique d'un véhicule automobile électrique ou hybride selon l'invention, les premiers éléments de commutation à semi-conducteur présentent une première tension de service de l'ordre d'une différence de tension maximale entre la première tension de fonctionnement du premier stockeur d'énergie électrique et la seconde tension de fonctionnement du second stockeur d'énergie électrique.

Les premiers éléments de filtrage sont aussi avantageusement constitués d'une self et d'un condensateur présentant une seconde tension de service de l'ordre de cette différence de tension maximale.

Dans le cadre de l'invention, un véhicule automobile électrique ou hybride sera donc fort avantageusement pourvu du système d'alimentation électrique à double stockeurs d'énergie électrique décrit ci-dessus.

Ces quelques spécifications essentielles auront rendu évidents pour l'homme de métier les avantages apportés par ce système d'alimentation électrique par rapport à l'état de la technique antérieur.

Les spécifications détaillées de l'invention sont données dans la description qui suit en liaison avec les dessins ci-annexés. Il est à noter que ces dessins n'ont d'autre but que d'illustrer le texte de la description et ne constituent en aucune sorte une limitation de la portée de l'invention.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS.

La Figure 1 est un schéma électrique d'un système d'alimentation électrique à double stockeurs d'énergie électrique d'un véhicule automobile électrique ou hybride connu de l'état de la technique.

La Figure 2 est un schéma électrique d'un système d'alimentation électrique à double stockeurs d'énergie électrique d'un véhicule automobile électrique ou hybride selon l'invention.

La Figure 3 est un schéma électrique d'une variante d'un système d'alimentation électrique à double stockeurs d'énergie électrique d'un véhicule automobile électrique ou hybride selon l'invention comportant un chargeur. DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES DE L'INVENTION.

Un rappel, en liaison avec la Figure 1 , des caractéristiques d'un système d'alimentation électrique à double stockeurs d'énergie électrique 1 d'un véhicule automobile électrique ou hybride connu de l'état de la technique permettra de bien comprendre l'apport de l'invention.

La Figure 1 montre schématiquement un premier stockeur d'énergie électrique 2 couplé électriquement à un second stockeur d'énergie électrique 3 par un convertisseur continu - continu bidirectionnel 4.

L'ensemble 1 est destiné à être connecté à un réseau de puissance 5 du véhicule, mais celui des premier et second stockeurs 2, 3 susceptible de fournir au réseau de puissance 5 la plus forte puissance instantanée est généralement connecté directement à ce réseau 5.

Dans l'exemple montré sur la Figure 1 , le premier stockeur 2 est considéré comme celui susceptible de fournir beaucoup d'énergie, mais ne disposant que d'une faible puissance,

Ce premier stockeur 2 est par exemple composé de plusieurs cellules ZnBr, telles que décrites dans l'article cité ci-dessus, ou plus couramment par des cellules Li-lon.

Les batteries ZnBr présentent une énergie massique comprise entre 30 et 50 W.h/ kg, tandis que les batteries Li-lon présentent une meilleure énergie massique comprise entre 75 et 200 W.h/ kg, mais sont plus onéreuses pour les capacités importantes.

On constate cependant que la puissance massique des batteries Li-lon, comprise entre 150 et 315 W/ kg, est le plus souvent insuffisante pour les applications aux véhicules électriques ou hybrides.

En effet, une citadine électrique, une voiture compacte avec dispositif d'accroissement de l'autonomie de type "REX" (acronyme de "Range EXtender" en terminologie anglaise), une camionnette avec REX ou un utilitaire léger ont en commun le fait de disposer d'une énergie de 15 à 20 kW.h grâce à une batterie relativement petite.

Mais cette batterie est totalement incapable de fournir, ou d'absorber, une puissance de 150 kW qui intervient dans une phase d'accélération, de freinage récupératif ou de charge rapide.

Ce niveau de puissance est fourni par le second stockeur d'énergie électrique 3, le plus souvent constitué d'un ensemble d'ultracapacités de type EDLC (acronyme anglais pour "Electric Double Layer Capacitor", c'est-à-dire "capacité électrique à double couches") groupées en série et en parallèle.

L'énergie massique d'une ultracapacité est faible, comprise entre 2,5 et 15 W.h/ kg, mais sa puissance massique peut atteindre 5 kW/ kg.

Le convertisseur continu - continu bidirectionnel 4, en gérant les transferts de charges entre le premier stockeur 2 et le second stockeur 3, permet de répondre à tous les besoins du réseau de puissance 5 selon les états de fonctionnement du véhicule, comme cela est bien indiqué sur la Figure 1 pour un véhicule électrique:

- quand le véhicule roule à vitesse constante, l'énergie électrique 6 alimentant le moteur électrique est fournie au réseau de puissance 5 à partir du premier stockeur 2 au moyen du convertisseur continu - continu 4;

- quand le véhicule est en phase d'accélération, un surcroît de puissance 7 est fourni directement au réseau de puissance 5 par le second stockeur d'énergie électrique 3;

- quand le véhicule est en phase de freinage récupératif, la puissance 8 est absorbée par le second stockeur d'énergie électrique 3 et l'énergie récupérée 9 est transférée au premier stockeur d'énergie électrique 2 au moyen du convertisseur continu - continu 4.

Ce convertisseur continu - continu 4 comprend un demi-pont à semiconducteurs de puissance 10 en parallèle sur une capacité 1 1 , et une inductance 12 reliés respectivement au premier stockeur 2 et au second stockeur 3 de manière à constituer un montage survolteur/ dévolteur d'un type classique.

En cours de fonctionnement, les composants électroniques 10, 1 1 , 12, actifs et passifs, de ce convertisseur continu - continu 4 sont soumis à une première tension Ue du premier stockeur ou à une seconde tension Up du second stockeur 3.

Ces première et seconde tensions Ue, Up peuvent atteindre plusieurs centaines de volts, tandis que les intensités qui circulent peuvent atteindre plusieurs centaines d'ampères; il en résulte que les puissances commutées peuvent nécessiter la mise en œuvre de semi-conducteurs onéreux.

Cet inconvénient est pallié par le système d'alimentation électrique à double stockeurs 1 selon l'invention montré sur les Figures 2 et 3.

Dans les deux modes de réalisation préférés représentés, le convertisseur continu - continu 4 n'est pas soumis à la totalité de la seconde tension Up, qui est supposée la plus élevée, mais seulement à la différence Ucc entre la seconde tension Up et la première tension Ue, ou, au plus, à la première tension Ue.

De ce fait, les composants électroniques du convertisseur continu - continu 4 ne sont plus soumis aux tensions de mode commun des premier et second stockeurs d'énergie électrique 2, 3 par rapport à la masse 13. Leur tension de service est donc moindre et leur coût plus faible.

Dans le mode de réalisation préféré de l'invention montré sur la Figure 2, le convertisseur continu - continu 4 comprend une capacité flottante 14 connectée en série entre le premier stockeur d'énergie électrique 2 et le second stockeur d'énergie électrique 3.

Un premier pont en H 15, formé par des premiers éléments de commutation à semi-conducteur 16, est connecté en parallèle sur la capacité flottante 14 par l'intermédiaire de premiers éléments de filtrage 17. Il est couplé par un transformateur 18 à un deuxième pont en H 19, formé par des deuxièmes éléments de commutation à semi-conducteur 20, qui est connecté en parallèle sur le premier stockeur d'énergie électrique 2 par l'intermédiaire de seconds élément de filtrage 21 .

Quand le premier pont en H 15 fonctionne en redresseur et le second pont en H 19 fonctionne en onduleur, le convertisseur continu - continu 4 transfère des premières charges 6 à partir du premier stockeur d'énergie électrique 2 vers le second stockeur d'énergie électrique 3 et sur le réseau électrique de puissance 5.

Ce premier mode de fonctionnement correspond à un premier état de fonctionnement du véhicule où le moteur électrique du véhicule est alimenté par le système d'alimentation électrique pour un roulage à vitesse constante.

Quand le premier pont en H 15 fonctionne en onduleur et le second pont en H 19 fonctionne en redresseur, le convertisseur continu - continu 4 transfère des secondes charges 8 à partir du second stockeur d'énergie électrique 3 et du réseau électrique de puissance 5 vers le premier stockeur d'énergie électrique 2.

Ce second mode de fonctionnement correspond à un second état de fonctionnement du véhicule, au cours d'une phase de freinage récupératif, pendant laquelle la puissance fournie par le réseau de puissance 5 est absorbée par le second stockeur d'énergie électrique 3 et l'énergie récupérée transférée au premier stockeur d'énergie électrique 2.

En phase d'accélération du véhicule, il est rappelé que la puissance nécessaire 7 est fournie par le second stockeur d'énergie électrique 3 sans qu'intervienne le convertisseur continu - continu 4.

En variante, comme le montre bien la Figure 3, le système d'alimentation électrique à double stockeurs d'énergie électrique 1 d'un véhicule automobile électrique ou hybride selon l'invention comprend en outre un chargeur 22 apte à être relié à un réseau électrique de distribution 23. Ce chargeur comprend un troisième pont en H 24 formé par des troisièmes éléments de commutation à semiconducteur 25 fonctionnant en onduleur et constituant, en étant couplé par le transformateur du convertisseur continu - continu 4 au deuxième pont en H 19 fonctionnant en redresseur, une alimentation à découpage 19, 24 apte à charger le premier stockeur d'énergie électrique 2 à partir du réseau électrique de distribution 23.

Cette alimentation à découpage 19, 24 est entièrement statique et met en œuvre les techniques modernes de fonctionnement en régime de commutation à tension nulle (dit ZVS, acronyme de "Zéro Voltage Switching" en terminologie anglaise) du côté du réseau de distribution 23 et en régime de courant nul (dit ZCS, acronyme de "Zéro Current Switching" en terminologie anglaise) du côté du premier stockeur d'énergie électrique 2.

Ce chargeur 22 comprend aussi avantageusement un élément de correction du facteur de puissance 26, de préférence monophasé, compte tenu de la cible d'usagers visée.

Les deuxièmes éléments de commutation à semi-conducteur 20 (représentés sous forme de transistors MOSFET à la Fig.3) sont avantageusement de type IGBT (acronyme de "Insolated Gâte Bipolar Transistor" en terminologie anglaise, c'est-à- dire "Transistor bipolaire à grille isolée). Ce type est préféré à des semi-conducteurs de type MOSFET (acronyme de "Métal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor" en terminologie anglaise, c'est-à-dire "Transistor à effet de champ à semi-conducteur à oxyde métallique") car il présente une capacité d'entrée plus faible que celle d'un MOSFET. Les premiers et troisièmes éléments de commutation à semi-conducteurs 16, 25 sont de préférence de type MOSFET, ainsi, qu'alternativement au type IGBT, les deuxièmes éléments de commutation à semiconducteur 20. La tension de service des premiers éléments de commutation à semi-conducteur 16 n'a pas besoin de satisfaire aux contraintes imposées par les hautes tensions des premier et second stockeurs 2, 3, et peut être de l'ordre de la différence de tension maximale (en valeur absolue) existant entre les première et seconde tensions Ue, Up des stockeurs 2, 3.

Comme il va de soi l'invention ne se limite pas aux seuls modes d'exécution préférentiels décrits ci-dessus.

Une description analogue pourrait porter sur des types de stockeurs d'énergie électrique 2, 3 différents de ceux cités à titre d'exemples.

Le premier stockeur d'énergie électrique 2 et le second stockeur d'énergie électrique 3 sont alternativement de même technologie, par exemple Li-lon.

Dans ce cas, le premier stockeur d'énergie électrique 2 travaille à des premiers points de fonctionnement permettant des cycles de charge/ décharge allant de 5 à 95% de la capacité nominale, alors que le second stockeur 3 travaille en des seconds points de fonctionnement privilégiant le courant de pointe mais au détriment d'une charge réduite à 40 - 60% de la capacité nominale.

Les types des premiers, deuxièmes et troisièmes éléments de commutation à semi-conducteur 16, 20, 25 cités ne sont pas non plus limitatifs. L'homme de métier mettra en œuvre d'autres types autant que de besoin, notamment au vu des puissances et des tensions d'utilisation requises.

L'invention embrasse donc toutes les variantes possibles de réalisation dans la mesure où ces variantes restent dans le cadre défini par les revendications ci- après.