Titre de l'invention : Convertisseur électronique de puissance avec mesure d'impédance, système de transfert d'énergie et système hybride comprenant un tel convertisseur

ETAT DE L'ART

L'invention concerne le transfert d'énergie depuis une source d'énergie électrique vers un dispositif de sortie. La source est par exemple une source électrochimique de production d'énergie électrique, par exemple une pile à combustible, un supercondensateur, une batterie, etc. Le dispositif de sortie est par exemple un élément de stockage tel qu'un dispositif électrochimique de stockage d'énergie électrique, communément appelé « batterie d'accumulateurs » ou encore plus simplement « batterie ». Le dispositif de sortie peut également être un réseau de distribution, un moteur, etc. L'invention trouve une application notamment pour la réalisation de SPAC (Systèmes Pile à Combustible), comprenant une source de type pile à combustible couplée à un convertisseur DC/DC, un dispositif de sortie (batterie, réseau d'énergie, etc.) pouvant être ensuite connecté à la sortie du SPAC. L'invention trouve également une application pour la réalisation de SPAC hybride comprenant, connectés entre eux, une source de type pile à combustible, un convertisseur DC/DC et un élément de stockage tel qu'une batterie, un dispositif de sortie (moteur, etc.) pouvant être ensuite connecté à la sortie du SPAC Hybride.

L'invention concerne plus particulièrement l'optimisation du fonctionnement du convertisseur et la surveillance du fonctionnement de la source d'énergie et / ou la surveillance du fonctionnement du dispositif de sortie.

Une source électrochimique telle qu'une pile à combustible a un fonctionnement non linéaire et qui évolue au fur et à mesure du transfert d'énergie. De la même façon, un dispositif électrochimique de stockage tel qu'une batterie d'accumulateurs a un cycle de charge ou de décharge non linéaire, dont les paramètres évoluent notamment en fonction du niveau de charge électrique ou de sa durée d'usage. Ainsi, afin d'optimiser le transfert d'énergie électrique, il est nécessaire d'ajuster le fonctionnement du convertisseur en temps réel, notamment lorsque la source et / ou le dispositif de sortie a/ont un fonctionnement non linéaire. Par ailleurs, une surveillance de l'impédance d'entrée et / ou de sortie du convertisseur est nécessaire en temps réel pour assurer un transfert correct et optimal d'énergie à travers la chaîne source - convertisseur - dispositif de sortie.

De manière connue, un convertisseur est configuré pour recevoir sur une borne d'entrée I des première et deuxième grandeurs électriques d'entrée (lin, Vin) de courant et / ou de tension fournies par la source et est configuré pour fournir sur une borne de sortie OUT du convertisseur des première et deuxième grandeurs électriques de sortie (lout, Vout) de courant et / ou de tension adaptées au dispositif de sortie. Le convertisseur comprend classiquement un circuit de conversion et un dispositif de régulation ; le circuit de conversion est configuré pour fournir au dispositif de sortie la première grandeur électrique de sortie en fonction de la première grandeur électrique d'entrée qu'il reçoit de la source et en fonction de signaux de commande de régulation ; le circuit de régulation produit les signaux de commande de régulation en fonction d'une valeur mesurée de la première grandeur électrique d'entrée (lin) et en fonction d'un décalage entre une valeur attendue (V*out) de la deuxième grandeur électrique de sortie du convertisseur et une valeur mesurée de la deuxième grandeur électrique de sortie (Vout), mesurée sur la borne de sortie OUT. La première grandeur électrique d'entrée, le courant ou la tension, est ainsi régulée en temps réel en fonction de la valeur attendue de la deuxième grandeur électrique de sortie, la tension ou le courant, de sorte que la première grandeur de sortie et la deuxième grandeur de sortie soient adaptées au dispositif de sortie. En fonction des grandeurs électriques d'entrée et / ou de sortie, le convertisseur peut être un convertisseur élévateur, un convertisseur abaisseur ou un convertisseur abaisseur / élévateur (buck - boost). Il comprend généralement une pluralité d'interrupteurs de puissance associés en série ou en parallèle selon un schéma électronique classique choisi selon la grandeur à convertir et le rapport de conversion recherché. Les signaux appliqués sur les commandes des interrupteurs sont ajustés en temps réel en fonction des signaux de commande de régulation fournis par le circuit de régulation de sorte à ajuster en temps réel le rapport de conversion entre l'entrée IN et la sortie OUT du convertisseur. Le circuit de régulation comprend classiquement des circuits de mesure des grandeurs d'entrée et / ou de sortie, des filtres analogiques ou numériques et des circuits analogique ou numériques de correction.

On constate dans la pratique que, sur de tels convertisseurs, la mise en oeuvre de moyens pour la mesure d'impédance aux bornes de la source ou aux bornes du dispositif de sortie est difficile.

DESCRIPTION DE L'INVENTION

La présente invention vise à pallier les inconvénients décrits ci-dessus des convertisseurs connus. A cet effet, l'invention propose un nouveau convertisseur électronique de puissance adapté pour un transfert d'énergie depuis une source (S) d'énergie électrique telle qu'une source électrochimique de production d'énergie électrique vers un dispositif de sortie (DS) tel qu'un dispositif électrochimique de stockage d'énergie, convertisseur configuré pour recevoir sur une borne d'entrée (IN) des première et deuxième grandeurs électriques d'entrée (lin, Vin , ) de courant et de tension fournies par la source et configuré pour fournir sur une borne de sortie (OUT) du convertisseur des première et deuxième grandeurs électriques de sortie (lout, Vout) de courant et de tension adaptées au dispositif de sortie.

Selon l'invention, le convertisseur comprend n bras de conversion régulés reliés en parallèle entre la borne d'entrée IN et la borne de sortie OUT du convertisseur, n étant un nombre entier supérieur ou égal à deux, chaque bras de conversion (BCx) étant configuré pour recevoir de la source une fraction (I in_x) de la première grandeur électrique d'entrée, pour asservir ladite fraction de la première grandeur électrique d'entrée (lin_x) à la deuxième grandeur électrique de sortie de sortie (Vout) et pour fournir au dispositif de sortie une fraction (lout_x) de la première grandeur électrique de sortie (lout) adaptée au dispositif de sortie.

Selon l'invention, le convertisseur comprend également des moyens pour déterminer une impédance, les dits moyens de détermination d'impédance comprenant :

- un circuit de perturbation agencé pour produire et fournir à une entrée d'un des bras de conversion (BCx) une forme d'onde de perturbation (Px) comprenant une composante harmonique à au moins une fréquence prédéfinie

- un moyen de traitement configuré pour mesurer les grandeurs électriques d'entrée (lin, Vin) du convertisseur et déterminer une impédance d'entrée du convertisseur à la fréquence prédéfinie en fonction des valeurs mesurées des grandeurs électriques d'entrée et / ou pour mesurer des grandeurs électriques de sortie (lout, Vout) du convertisseur et déterminer une impédance de sortie du convertisseur à la fréquence prédéfinie en fonction des valeurs mesurées des grandeurs électriques de sortie.

L'invention propose ainsi un convertisseur comprenant n bras de conversion régulés reliés en parallèle et dont l'entrée est asservie sur les besoins en tension et courant du dispositif de sortie, n est supérieur ou égal à deux. Si, en cours de fonctionnement, un des bras de conversion subit une perturbation affectant le transfert d'énergie, le ou les autres bras de conversion ne sont pas perturbés et continuent à fonctionner de manière optimale, assurant la stabilité de l'ensemble du convertisseur et garantissant un transfert d'énergie optimal vers le dispositif de sortie. Par ailleurs, dans le moyen de détermination d'impédance du convertisseur selon l'invention, la forme d'onde de perturbation est appliquée sur un bras de conversion uniquement, de sorte que les autres bras de conversion régulés ne sont pas perturbés ; les autres bras de conversion régulés continuent à fonctionner de manière optimale, assurant la stabilité globale du convertisseur et garantissant un transfert d'énergie optimal vers le dispositif de sortie.

La forme d'onde de perturbation appliquée à l'entrée d'un bras du convertisseur se traduit par une forme d'onde de perturbation en entrée et en sortie du convertisseur. Les valeurs d'impédances déterminées pour la ou les fréquences prédéfinies à l'entrée du convertisseur (donc en sortie de la source) et / ou en sortie du convertisseur (donc en entrée du dispositif de sortie) donnent des informations sur le fonctionnement du convertisseur, mais aussi sur le fonctionnement de la source et sur le fonctionnement du dispositif de sortie. Elles permettent notamment de détecter d'éventuels défauts de fonctionnement de la chaîne de transfert source - convertisseur -dispositif de sortie ou de l'un des composants de la dite chaîne, de prévoir des opérations de maintenance sur l'un ou l'autre des composants de la dite chaîne, et même de modifier en temps réel les moyens de commande du convertisseur.

Selon un mode de réalisation, pour asservir la fraction de la première grandeur électrique d'entrée (I in_x) à la deuxième grandeur électrique de sortie de sortie (Vout) et pour fournir au dispositif de sortie une fraction (lout_x) de la première grandeur électrique de sortie (lout) adaptée au dispositif de sortie, chaque bras de conversion comprend des moyens d'asservissement (CCx, MRx) configurés pour mesurer une valeur (l°in_x) de ladite fraction de la première grandeur électrique d'entrée (lin_x) et configurés pour asservir ladite fraction (lin_x) de la première grandeur électrique d'entrée en fonction de la valeur mesurée (l°in_x) de ladite fraction de la première grandeur électrique d'entrée et de la deuxième grandeur électrique de sortie (Vout).

L'invention concerne également un système de transfert d'énergie comprenant, connectés entre eux, une source d'énergie électrique telle qu'une source électrochimique de production d'énergie électrique et un convertisseur tel que décrit ci-dessus, une borne d'entrée IN du convertisseur étant reliée à une borne de sortie de la source, et une borne de sortie du convertisseur étant destinée à être reliée à une borne d'entrée d'un dispositif de sortie tel qu'un dispositif électrochimique de stockage d'énergie. L'invention concerne enfin un système hybride comprenant un système de transfert d'énergie tel que décrit ci-dessus, une borne de sortie du convertisseur étant reliée à une borne d'entrée d'un dispositif de sortie tel qu'un dispositif électrochimique de stockage d'énergie.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci- dessous de modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement, et en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- La Fig. 1 présente un schéma de principe d'un convertisseur selon l'invention

- La Fig. 2 présente un mode de réalisation d'un élément essentiel de l'invention

- La Fig. 3 présente un mode de réalisation d'un autre élément essentiel de l'invention

- La Fig. 4 présente des signaux présents aux bornes d'un convertisseur selon l'invention.

DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION DE L'INVENTION

Comme dit précédemment, l'invention concerne un convertisseur et un système de transfert d'énergie. Le convertisseur est un convertisseur électronique de puissance adapté pour le transfert d'énergie depuis une source d'énergie électrique telle qu'une source électrochimique de production d'énergie électrique vers un dispositif de sortie tel qu'un dispositif électrochimique de stockage d'énergie. Un schéma de principe d'un tel système est représenté sur la figure 1. Le convertisseur est configuré pour recevoir sur une borne d'entrée IN des première et deuxième grandeurs électriques d'entrée lin, Vin de courant et / ou de tension fournies par la source et est configuré pour fournir sur une borne de sortie OUT du convertisseur des première et deuxième grandeurs électriques de sortie lout, Vout de courant et / ou de tension adaptées au dispositif de sortie.

Selon l'invention (figure 1), le convertisseur comprend n bras de conversion régulés BC1, ...BCx, ... BCn reliés en parallèle entre la borne d'entrée IN et la borne de sortie OUT du convertisseur. Chaque bras de conversion régulé BCx de rang x est configuré pour recevoir de la source une fraction I in_x de la première grandeur électrique d'entrée lin, pour asservir la dite fraction de la première grandeur électrique d'entrée I in_x à la deuxième grandeur électrique de sortie Vout et pour fournir au dispositif de sortie une fraction lout_x de la première grandeur électrique de sortie lout adaptée au dispositif de sortie ; n est un nombre entier supérieur ou égal à deux et x est un nombre entier compris entre 1 et n.

Dans l'exemple représenté, chaque bras de conversion régulé comprend un circuit de conversion CCI, ..., CCn, couplé à un dispositif de régulation MRI, ..., MRn formant ensemble des moyens d'asservissement (CCx, MRx) configurés pour mesurer une valeur (l°in_x) de la fraction de la première grandeur électrique d'entrée (I in_x) reçue de la source et configurés pour asservir ladite fraction (lin_x) de la première grandeur électrique d'entrée en fonction de la valeur mesurée (l°in_x) de ladite fraction de la première grandeur électrique d'entrée et de la deuxième grandeur électrique de sortie (Vout). Par souci d'équilibre entre les bras de conversion de la puissance électrique à transférer au dispositif de sortie, tous les circuits de conversion CCI, ..., CCn sont ici similaires, et tous les dispositifs de régulation MRI, ..., MRn sont également similaires. Les dispositifs de régulation MRI, ... MRn, pilotent chacun la première grandeur électrique à l'entrée du circuit de conversion associé CCI, ..., CCn de sorte que linl = ...lin_x = ... I_in_n = lin / n pour garantir un transfert de puissance équilibré entre les n bras de conversion.

La figure 2 détaille à titre d'exemple un circuit de conversion CCx de type élévateur de tension (boost converter) réalisé selon un schéma classique à base de deux interrupteurs électroniques commandables d'une inductance. Dans un exemple, un interrupteur commandable est réalisé de manière classique, par une diode et un transistor connectés en parallèle. D'autres schémas électriques d'interrupteurs commandables sont bien sûr envisageables. De manière classique également, un tel convertisseur est piloté par une commande de type PWM (Pulse Width Modulation ou Modulation de Largeur d'impulsion), par des signaux numériques RCx rectangulaires, complémentaires, périodiques et de rapport cyclique Dx, chacun des signaux commandant l'ouverture ou la fermeture d'un des interrupteurs du circuit de conversion CCx. Dans l'exemple représenté d'un circuit de conversion comprenant deux interrupteurs commandés, deux signaux RCxl, RCx2 sont produits pour chaque circuit de conversion. L'amplitude du signal continu en sortie du convertisseur est réglée en ajustant le rapport cyclique des signaux de commande. Le lissage du signal continu fourni en sortie est obtenu en réglant la fréquence des signaux de commande RCxl, RCx2 (fréquence de découpage) et / ou le rapport cyclique Dx. D'autres circuits de conversion peuvent bien sûr être utilisés, par exemple des circuits de type abaisseur (buck converter), ou une combinaison d'un circuit élévateur et d'un circuit abaisseur. La commande de ces circuits de conversion est similaire, le nombre de signaux de commande pouvant toutefois varier en fonction du type de circuit de conversion choisi. Le choix des circuits de conversion est fait de manière classique en fonction des grandeurs électriques disponibles en sortie de la source et des grandeurs électriques attendues par le dispositif de sortie.

Dans l'exemple représenté, le convertisseur comprend également un moyen de commande de régulation MRO. Le moyen de commande de régulation MRO est configuré :

- pour mesurer une valeur V°out de la deuxième grandeur électrique de sortie Vout,

- pour déterminer, pour chaque bras de conversion de rang x (BCx) une valeur attendue I * in_x d'une fraction de rang x I i n_x de la première grandeur électrique d'entrée lin en fonction d'un décalage V*out - V°out entre une valeur attendue V*out de la deuxième grandeur électrique de sortie Vout et la valeur mesurée V°out de la dite deuxième grandeur électrique de sortie Vout, et

- pour fournir la valeur attendue de rang x I * in_x de la fraction de rang x I in_x de la première grandeur électrique d'entrée lin au bras de conversion de rang x. Dans l'exemple concret d'un dispositif de sortie de type batterie que l'on cherche à charger, la valeur attendue V*out est la valeur nominale à pleine charge pour le dispositif de sortie.

La figure 3 détaille un exemple de réalisation du moyen de commande de régulation MRO. MRO a une entrée connectée à la borne de sortie S du convertisseur pour recevoir la deuxième grandeur électrique de sortie Vout. Le moyen de commande MRO comprend ici :

- un dispositif de mesure 11, pour mesurer la valeur V°out de la deuxième grandeur électrique de sortie Vout;

- un soustracteur 12, comprenant une entrée positive sur laquelle est appliquée la valeur attendue V*out de la deuxième grandeur électrique de sortie et une entrée négative reliée au dispositif de mesure 11 ; le soustracteur est ici un soustracteur numérique ;

- un dispositif de correction 13, pour produire la valeur attendue I *in de la première grandeur électrique d'entrée ;

- un dispositif de répartition 14 pour produire les valeurs attendues I *in_l, ..., I * in_n des fractions l_in_l, ...,

I i n_n de la première grandeur électrique d'entrée lin ; dans l'exemple représenté, pour garantir le transfert de puissance équilibré, les valeurs attendue sont choisies égales entre elles et égales à I *in_n : I *in_l = I *in_n = I *in / n.

Le dispositif de mesure 11 du moyen de commande MRO est réalisé de manière connue en soi. Il comprend par exemple, associés en série entre l'entrée du convertisseur et l'entrée négative du soustracteur 12, un voltmètre analogique pour mesurer une tension à la sortie du convertisseur, un diviseur de tension et un convertisseur analogique / numérique, pour adapter le signal analogique mesuré à une valeur numérique appropriée à l'entrée négative du soustracteur 12. Le dispositif de correction 13 comprend par exemple un circuit de calcul configuré pour déterminer la valeur attendue I *in (par exemple un circuit de type Proportionnel Intégral) et un circuit limiteur configuré pour limiter l'amplitude de la valeur attendue déterminée I *in à une amplitude acceptable pour un dispositif de régulation MRx. Dans l'exemple concret d'un dispositif de sortie non linéaire tel qu'une batterie, le circuit de calcul est configuré pour calculer l*in à partir d'un modèle mathématique du comportement de la batterie et du décalage V*out - Vout. Le circuit de répartition 14 peut être quant à lui un circuit diviseur par n.

La figure 3 détaille également le dispositif de régulation MRx associé au circuit de conversion CCx. Le dispositif de régulation MRx est configuré pour produire des signaux de commande de régulation RCx (deux signaux RCxl, RCx2 ici) en fonction d'un décalage I * in_x - ln_x entre la valeur attendue I * in_x de la fraction de rang x de la première grandeur électrique lin d'entrée et la valeur reçue de la source de la fraction I in_x de rang x de la première grandeur électrique (lin) d'entrée. Le circuit de conversion CCx décrit ci-dessous est agencé pour produire la fraction lout_x de rang x de la première grandeur électrique de sortie lout en fonction des signaux de commande de régulation. Le circuit de conversion CCx, couplé au dispositif de régulation MRx forment ensemble les moyens d'asservissement d'un bras de conversion.

Le dispositif de régulation MRx a une entrée connectée à une borne de sortie du moyen de commande de régulation MRO et il comprend ici (fig. 3) :

- un dispositif de mesure 21, pour identifier sur la borne d'entrée du circuit de conversion CCx, la valeur de la fraction I in_x de la première grandeur électrique d'entrée lin reçue de la source par le dit circuit de conversion;

- un soustracteur 22, comprenant une entrée positive connectée à la sortie du moyen de commande de régulation MRO pour recevoir une fraction I *in_x de la valeur attendue I *in de la première grandeur électrique d'entrée déterminée par le moyen de commande de régulation MRO, une entrée négative reliée à une sortie du deuxième dispositif de mesure 21 et une sortie sur laquelle est produit le décalage I * in_x - ln_x entre la valeur attendue et la valeur mesurée ; le soustracteur est ici un soustracteur numérique ;

- un dispositif de correction 23, pour produire les signaux de commande de régulation RCxl, RCx2 associés au circuit de conversion CCx ; dans un exemple concret, le dispositif de correction est de type Proportionnel Intégral (communément appelé correcteur PI).

Le dispositif de correction 23 (non détaillé sur la figure 3) peut comprendre par exemple, associés en série :

- un circuit de calcul configuré pour produire une valeur du rapport cyclique Dx approprié pour corriger le décalage déterminé par le soustracteur, dans un exemple concret, le circuit de calcul 23 est configuré pour calculer Dx à partir d'un modèle mathématique du comportement du convertisseur et du décalage I *in - I in, - un circuit limiteur pour limiter la valeur du rapport cyclique à une valeur acceptable par le circuit de conversion CCx, et

- un circuit pour traduire la valeur du rapport cyclique Dx en signaux de commande de régulation, RCxl et RCx2 ici.

Le dispositif de mesure 21 (non détaillé figure 3) du dispositif de régulation MRx est également réalisé de manière classique. Dans un exemple, il peut comprendre, associés en série entre une entrée du circuit de conversion CCx et l'entrée négative du soustracteur 22, un circuit électronique analogique pour mesurer la valeur I in_x du courant à l'entrée du circuit de conversion CCx, un diviseur de tension et un convertisseur analogique / numérique, pour adapter le signal analogique mesuré à une valeur appropriée à l'entrée négative du soustracteur 22 numérique.

Selon un autre aspect de l'invention, le convertisseur comprend également des moyens pour déterminer une impédance, les moyens de détermination d'impédance comprenant :

- un circuit de perturbation CP agencé pour produire et pour fournir à une entrée d'un bras de conversion régulé (BCx) de rang x une forme d'onde de perturbation (Px) comprenant une composante harmonique à au moins une fréquence prédéfinie

- un moyen de traitement configuré pour mesurer les grandeurs électriques d'entrée (lin, Vin) du convertisseur et déterminer une impédance d'entrée du convertisseur à la fréquence prédéfinie en fonction des valeurs mesurées des grandeurs électriques d'entrée et / ou pour mesurer des grandeurs électriques de sortie (lout, Vout) du convertisseur et déterminer une impédance de sortie du convertisseur à la fréquence prédéfinie en fonction des valeurs mesurées des grandeurs électriques de sortie.

Dans l'exemple représenté figure 3, le circuit de perturbation produit une forme d'onde (ou signal électrique) de perturbation Px qui vient se superposer à la fraction I * in_x de valeur attendue de la grandeur électrique d'entrée reçue par le dispositif de régulation MRx du bras de conversion BCx. Et plus précisément dans cet exemple, le circuit de perturbation est un générateur de signaux qui produit un signal électrique numérique qui est appliqué sur une deuxième entrée positive du soustracteur 22. La forme d'onde de perturbation est ainsi prise en compte dans le calcul du décalage Px + I *in - lin.

L'impédance d'entrée du convertisseur est égale à l'impédance de sortie de la source et l'impédance de sortie du convertisseur est égale à l'impédance d'entrée du dispositif de sortie. Comme l'impédance de sortie de la source donne des informations sur l'état de fonctionnement de la source, déterminer en temps réel l'impédance d'entrée du convertisseur permet de suivre en temps réel l'état de fonctionnement de la source et de détecter ainsi un éventuel défaut ou mode de fonctionnement particulier de la source. De manière similaire, comme l'impédance d'entrée du dispositif de sortie donne des informations sur l'état de fonctionnement du dispositif de sortie, déterminer en temps réel l'impédance de sortie du convertisseur permet de suivre en temps réel l'état de fonctionnement du dispositif de sortie.

Le moyen de traitement comprend un dispositif de mesure des grandeurs électriques d'entrée lin, Vin du convertisseur et / ou un dispositif de mesure des grandeurs électriques de sortie lout, Vout du convertisseur, et un dispositif de calcul d'impédance.

Le dispositif de mesure (non détaillé sur les figures), en entrée ou en sortie du convertisseur, peut comprendre par exemple :

- un circuit de mesure configuré pour mesurer les première et deuxième grandeurs électriques d'entrée (lin, Vin) de courant et / ou de tension, et / ou pour mesurer les première et deuxième grandeurs électriques de sortie (lout, Vout) de courant et / ou de tension,

- un dispositif de filtrage des signaux mesurés configurés pour filtrer une composante continue des dits signaux mesurés.

Le dispositif de filtrage peut également être configuré pour déterminer, pour la fréquence prédéfinie ou pour chaque fréquence prédéfinie, l'amplitude de la composante harmonique de la première grandeur électrique (le courant dans l'exemple) et l'amplitude de la composante harmonique de la deuxième grandeur électrique (la tension dans l'exemple), en entrée et / ou en sortie.

Le dispositif de mesure peut comprendre également, par exemple entre le circuit de mesure et le dispositif de filtrage, un dispositif de conditionnement de signaux configuré pour adapter, par un coefficient de proportionnalité approprié, l'amplitude des signaux mesurés et fournir des signaux mesurés conditionnés dans une plage d'amplitudes prédéterminée, par exemple la plage 0-3 V, adaptée au dispositif de filtrage.

De manière classique ensuite, le dispositif de calcul calcule l'impédance à une fréquence donnée à partir de la première grandeur électrique (le courant ici) et la deuxième grandeur électrique (la tension ici), par exemple en appliquant une méthode de calcul basée sur une Transformée de Fourrier Discrète (DFT) ou une Transformée de Fourrier Rapide (FFT). Une impédance peut être calculée pour chaque fréquence harmonique.

Le circuit de perturbation CP peut être configuré pour fournir une forme d'onde de perturbation comprenant une pluralité de composantes harmoniques, chacune à une fréquence prédéfinie ; dans ce cas le moyen de traitement est configuré préférentiellement pour déterminer une impédance d'entrée ou une impédance de sortie pour la fréquence prédéfinie de chaque composante. Selon les besoins en fréquences à tester, le circuit de perturbation peut ainsi produire une forme d'onde de perturbation comprenant une seule fréquence tel qu'une forme d'onde sinusoïdale, ou bien une forme d'onde comprenant plusieurs composantes harmoniques telle qu'une forme d'onde triangulaire, carrée, etc. Dans un exemple de mise en oeuvre concret, le circuit de perturbation peut être une source numérique de courant, apte à générer un signal numérique dont l'amplitude est suffisante pour générer une perturbation en sortie du convertisseur.

Le circuit de perturbation CP peut encore être agencé pour produire plusieurs formes d'onde de perturbation comprenant chacune une ou plusieurs composantes harmoniques à une ou des fréquences prédéfinies chaque forme d'onde de perturbation étant fournie à un unique bras de conversion ; dans ce cas, le moyen de traitement est configuré pour déterminer une impédance d'entrée ou une impédance de sortie pour chaque fréquence prédéfinie de chaque forme d'onde de perturbation. Ajouter plusieurs formes d'onde de perturbation, chacune associée à un bras de conversion, et chacune ayant de préférence des fréquences harmoniques distinctes des fréquences harmoniques des autres formes d'onde de perturbation, permet de limiter les risques d'avoir sur un bras de conversion, même ponctuellement, une perturbation d'amplitude trop importante par rapport à l'amplitude du signal de puissance (défini par lin, Vin) traversant le bras de conversion et transférant la puissance électrique au dispositif de sortie. Cela limite les risques de perte de régulation dans un bras de conversion du convertisseur.

Egalement, pour limiter encore la perturbation de la régulation simultanément sur plusieurs bras de conversion BCx, le circuit de perturbation est configuré pour produire plusieurs formes d'onde de perturbations déphasées les unes par rapport aux autres, déphasage de préférence d'un angle de 360/n degrés.

Pour un convertisseur selon l'invention, le choix du nombre n de bras de conversion en parallèle est un compromis entre :

- la complexité du convertisseur, qui augmente avec le nombre de bras de conversion en parallèle,

- l'efficacité du convertisseur, qui augmente également avec le nombre de bras de conversion : plus le nombre de bras de conversion est important et moins une perturbation sur un bras de conversion a d'effet sur l'ensemble du convertisseur, plus le risque de décrochage de la régulation dans le convertisseur est faible. Dans la pratique, des essais réalisés avec des nombres n différents ont montré qu'un convertisseur à n égal quatre (4) branches est un bon compromis et donne des résultats satisfaisants. Avec un convertisseur à 4 bras de conversion, les résultats les plus intéressants ont été obtenus avec un circuit de perturbation agencé pour produire quatre formes d'onde de perturbation, la deuxième, la troisième et la quatrième formes d'onde étant déphasées respectivement de 90°, 180° et 270° par rapport à la première forme d'onde de perturbation.

Dans la pratique également, en dehors des circuits de mesure de tension ou de courant, la plupart des éléments (convertisseur A/N, soustracteurs, dispositif de filtrage, circuit de calcul, etc.) qui composent les dispositifs de régulation MRO, MRI, ..., ... MRx, ..., MRn et les moyens pour déterminer une impédance sont des moyens numériques ; mis en oeuvre par exemple à partir d'un processeur de type DSP (Digital Signal Processor) connu et de programmes ou portions de programme d'ordinateur configurés pour réaliser les fonctions techniques recherchées pour ces dispositifs.

La figure 4 montre à titre d'exemple des résultats obtenus pour des mesures réalisées sur un convertisseur selon l'invention utilisé pour la charge d'une batterie d'accumulateurs de type LiFePO4 - 45 A. h à partir d'une source constituée d'une pile à combustible de puissance 5 KW. Le convertisseur comprend n = 4 bras de conversion identiques BC1 à BC4 associés en parallèle entre l'entrée IN et la sortie OUT du convertisseur, selon le schéma de la figure 1. Chaque bras de conversion est de type élévateur tel que celui de la figure 2. Le convertisseur est piloté par des signaux PWM RC1, ...., RCx, ...., RCn de fréquence de découpage de 250 kHz. Le convertisseur fournit à la charge un courant continu de charge lout de l'ordre de 25 A, avec une oscillation résiduelle de l'ordre de 1,5 App (pour Ampère Peak to Peak ou Ampère crête à crête) à la fréquence de découpage. Comme expliqué plus haut, dans le convertisseur, le moyen de commande de régulation MRO et les dispositifs de régulation MRI, ..., MRn des bras de conversion assurent la régulation de la grandeur lout pour qu'elle soit adaptée au dispositif de sortie (ici une batterie) et le plus stable possible dans le temps.

Une forme d'onde de perturbation PI, ici sinusoïdale, est appliquée sur le bras de conversion BC1 et plus précisément sur le soustracteur 22. La perturbation est prise en compte par le dispositif de correction 23 qui modifie les signaux de commande RC1 en conséquence. La modification des signaux RC1 se traduit ensuite par une modification du courant lout_l produit par le bras de conversion BC1. La modification du courant lout_l vient affecter le courant lout = lout_l+ .... + lout_n fourni au dispositif de sortie. La tension aux bornes du dispositif de sortie évolue en fonction du courant lout et des caractéristiques intrinsèques du dispositif de sortie. Les modifications des grandeurs électriques de sortie lout, Vout sont répercutées sur les grandeurs électriques d'entrée lin, Vin par l'intermédiaire des moyens de régulation.

La figure 4a montre :

- le courant lin_l circulant dans l'inductance d'entrée du circuit de conversion CCI du bras de conversion BC1 sur lequel est appliqué la perturbation PI : le courant I in_l est un courant continu d'environ 15 A sur lequel se superpose une oscillation sinusoïdale d'amplitude environ 10 App.

- les courants lin_2, 1 in_3 et lin_4, identiques, circulant dans l'inductance d'entrée des circuits de conversion CC2, CC3 et CC4 des bras de conversion BC2, BC3 et BC4, (non perturbés par PI) : le courant est un courant continu d'environ 15 A, avec une oscillation résiduelle de l'ordre de 1,5 App à la fréquence de découpage. La fréquence de découpage étant très élevée par rapport à la fréquence de la perturbation PI, la représentation graphique du courant I in_2 se traduit ici par une bande de valeur milieu d'environ 15 A et d'amplitude 1,5 App.

On peut noter que les courants I in_2, 1 n_3 et I in_4 se sont pas ou très peu perturbés par la perturbation PI, seul le courant lin_l subissant la perturbation PI. .

La figure 4b montre l'évolution des grandeurs électriques d'entrée du convertisseur :

- le courant lin est égal à la somme des courants circulant dans l'inductance d'entrée du circuit de conversion de chaque bras de conversion BC1 à BC4. Ainsi, lin a une composante continue de l'ordre de 60 A sur laquelle se superpose une composante alternative d'environ 10 à 12 App, apportée par la perturbation PI via le courant l_in_l ;

- la tension Vin a ici une composante continue de l'ordre de 45 V sur laquelle se superpose une composante alternative très faible , de l'ordre de 5 Vpp (Volt crête à crête).

La figure 4c montre l'évolution des grandeurs électriques de sortie du convertisseur :

- le courant lout est égal à la somme des courants produits par les circuit de conversion CCI à CC4 de chaque bras de conversion BC1 à BC4. lout a ici une composante continu de l'ordre de 25 A sur laquelle se superpose une composante alternative d'environ 2 App, apportée par une composante alternative de même amplitude présente sur le courant lout_l fourni par le bras de conversion sur lequel est appliquée la perturbation PI,

- la tension Vout a ici une composante continue de l'ordre de 100 V, sur laquelle se superpose une composante alternative d'environ 8 Vpp.

Après filtrage des composantes continues des signaux Vin, lin, l'impédance d'entrée du convertisseur à la fréquence de la perturbation PI peut être calculée. De manière similaire, après filtrage des composantes continues des signaux Vout, lout, l'impédance de sortie du convertisseur à la fréquence de la perturbation PI peut être calculée.

En synthèse, l'invention propose un nouveau convertisseur de puissance notamment adapté pour une charge électrochimique non linéaire, et un système de conversion comprenant une source d'énergie électrochimique non linéaire et un convertisseur, convertisseur et système de conversion qui apportent notamment les bénéfices techniques et économiques suivants :

- une régulation en continu du transfert de puissance entre la source et le dispositif de sortie,

- des moyens de mesure d'impédance permettant le suivi en temps réel du fonctionnement de la source et de la charge, sans adjonction de moyens supplémentaires et sans perturbation du fonctionnement du convertisseur. Nomenclature

S, DS source d'énergie électrique et élément de stockage d'énergie électrique

IN, OUT borne d'entrée et borne de sortie du convertisseur lin première grandeur électrique (courant dans l'exemple) d'entrée

I i n_x fraction de la première grandeur électrique d'entrée sur le bras de conversion x

I *in valeur attendue de la première grandeur électrique d'entrée

I *in_x valeur attendue de la fraction de la première grandeur électrique d'entrée sur le bras de conversion x l°in_x valeur mesurée de la fraction de la première grandeur électrique d'entrée sur le bras de conversion x

Vin deuxième grandeur électrique (tension dans l'exemple) d'entrée lout première grandeur électrique (courant dans l'exemple) de sortie lout_x fraction de la première grandeur électrique de sortie

Vout deuxième grandeur électrique (tension dans l'exemple) de sortie

V*out valeur attendue de la deuxième grandeur électrique de sortie

V°out valeur mesurée de la deuxième grandeur électrique de sortie n nombre de bras de conversion régulés

BC1, ...BCx, ... BCn n bras de conversion régulés

RCx signaux de commande de régulation

CCI, Ccx, CCn circuit de conversion

MRI, ...MRx, ... MRn dispositifs de régulation, un par circuit de conversion

21 dispositif de mesure de la fraction de rang x de la 1ère grandeur électrique d'entrée (lin_x)

22 soustracteur

23 dispositif de correction

MRO moyen de commande de régulation

11 dispositif de mesure de la deuxième grandeur électrique de sortie (Vout)

12 soustracteur

13 dispositif de correction

Ml moyens pour déterminer une impédance

CP circuit de perturbation moyen de traitement dispositif de mesure des grandeurs d'entrée (Vin, lin) et / ou des grandeurs de sortie (Vout, lout) circuit de mesure dispositif de filtrage de la composante continue dispositif de conditionnement dispositif de calcul d'impédance