Utilisation des convertisseurs de puissance bidirectionnels et des systèmes PFC pour améliorer le rendement des véhicules électriques hybrides, des véhicules électriques à batterie et du réseau électrique

Les concepteurs de systèmes d'alimentation pour véhicules électriques hybrides et véhicules électriques à batterie sont soumis à une pression constante pour améliorer le rendement et la fiabilité tout en réduisant les coûts. Si le passage à des rails d'alimentation doubles de 12 V et 48 V a contribué à améliorer le rendement en réduisant le poids du câblage du châssis, les concepteurs ont besoin de solutions spécifiques pour mieux gérer les deux sources d'alimentation afin qu'elles puissent mieux fonctionner ensemble, tout en permettant au véhicule de prendre en charge des applications bidirectionnelles véhicule-réseau (V2G).

Ce besoin a conduit au développement de convertisseurs bidirectionnels et de systèmes de correction bidirectionnelle du facteur de puissance (PFC) qui permettent aux concepteurs d'optimiser les performances globales d'un véhicule électrique double 12 V/48 V et de le connecter au réseau pour un flux de puissance bidirectionnel.

Cet article définit et examine les avantages de la conversion de puissance bidirectionnelle dans les systèmes automobiles, ainsi que les normes associées. Il présente ensuite des solutions de fournisseurs tels que Texas Instruments, Analog Devices et Infineon Technologies, et montre comment elles peuvent être utilisées pour mettre en œuvre des convertisseurs de puissance bidirectionnels.

En quoi consiste la conversion de puissance bidirectionnelle ?

Dans un véhicule électrique hybride à architecture bi-tension 12 V/48 V, une alimentation bidirectionnelle relie les systèmes de 12 V et 48 V de sorte que l'une des batteries peut être rechargée par l'autre. Elle permet également à chaque batterie de fournir une puissance supplémentaire pour l'un ou l'autre rail de tension en cas de surcharge (figure 1). Les concepteurs peuvent ainsi utiliser des batteries plus petites pour chacun d'entre eux, ce qui se traduit par une plus grande fiabilité, un meilleur rendement et un coût moindre.

Figure 1 : Une alimentation bidirectionnelle au cœur d'une architecture bi-tension relie les systèmes de 12 V et 48 V afin que chaque batterie puisse être rechargée par l'autre et fournisse une puissance supplémentaire en cas de surcharge. (Source de l'image : Texas Instruments)

Dans les véhicules électriques à batterie, les concepteurs peuvent utiliser la correction du facteur de puissance bidirectionnelle pour gérer la charge bidirectionnelle des batteries, ainsi que le fonctionnement V2G. Un système V2G favorise un plus grand rendement de plusieurs façons :

• Il peut renvoyer l'énergie au réseau pendant les périodes de forte demande
• Il peut réduire le régime de charge des batteries, si nécessaire, pour aider à équilibrer la charge sur le réseau
• Il permet d'utiliser le véhicule pour stocker de l'énergie provenant de sources renouvelables

Alors que les systèmes à double tension des véhicules électriques hybrides sont autonomes à l'intérieur du véhicule et favorisent les économies de carburant, le chargeur bidirectionnel d'un système V2G est conçu pour apporter des bénéfices plus larges en termes de coûts, au-delà des améliorations d'économies de carburant, et il doit interfacer avec le monde extérieur.

La mise en œuvre d'un système V2G nécessite des technologies et des algorithmes de communication pour détecter l'état du réseau, ainsi qu'une capacité d'interface avec l'infrastructure de recharge de véhicules électriques (figure 2).

Figure 2 : Outre la conversion de puissance bidirectionnelle, les systèmes V2G doivent inclure diverses normes d'interconnexion et de communication. (Source de l'image : Honda)

L'infrastructure V2G qui en résulte apporte des avantages économiques, notamment la capacité de fournir de l'électricité au réseau pendant les périodes de pointe (ce qui peut générer des revenus pour le propriétaire du véhicule) et de recharger les batteries des véhicules pendant les périodes de faible demande d'électricité (ce qui réduit les coûts de recharge des véhicules).

Normes relatives à la conversion de puissance bidirectionnelle

Les spécifications LV148/VDA320 définissent les exigences électriques et les conditions d'essai pour combiner un bus de 48 V et un bus de 12 V dans les systèmes automobiles à double tension (figure 3). La norme LV148 a été adoptée par les constructeurs automobiles allemands Audi, BMW, Daimler, Porsche et Volkswagen, et elle s'applique aux véhicules à combustion interne classiques, ainsi qu'aux véhicules électriques hybrides. Au moment de la rédaction du présent article, la norme ISO 21780 relative aux « Véhicules routiers - Tension d'alimentation de 48 V - Exigences électriques et essais » est en cours d'élaboration.

Figure 3 : Les spécifications LV148/VDA320 définissent les exigences électriques et les conditions d'essai pour la combinaison d'un bus de 48 V et d'un bus de 12 V dans les systèmes automobiles à double tension ; la figure présente les spécifications pour un bus de 48 V. (Source de l'image : Texas Instruments)

Plusieurs protocoles de communication peuvent s'appliquer aux systèmes V2G, notamment :

• ISO/CEI 15118 : Définit une interface de communication V2G pour la charge/décharge bidirectionnelle de véhicules électriques. Ce protocole utilise la spécification IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY (HPGP) pour les communications par courant porteur en ligne à large bande comme le meilleur protocole pour assurer une communication robuste et un débit de données élevé. Fonctionnant à des fréquences comprises entre 2 MHz et 30 MHz, la spécification HPGP permet au système de distinguer les données valides sur une ligne connectée, du bruit provenant d'autres sources proches.
• CEI 61850 : Définit les protocoles de communication pour les dispositifs électroniques intelligents dans les sous-stations électriques qui peuvent aider à gérer le flux d'énergie entre les ressources d'électricité renouvelables et les équipements d'alimentation des véhicules électriques (EVSE), tels que les chargeurs.

Figure 4 : La norme CEI 61850 définit les flux de puissance et de données pour les systèmes V2G et utilise la spécification IEEE P1901.2 HPGP PLC pour garantir une communication robuste et un débit de données élevé. (Source de l'image : IBIS)

Convertisseurs CC/CC multiphases bidirectionnels pour systèmes de 12 V/48 V

Le niveau de puissance élevé d'un convertisseur CC/CC bidirectionnel typique de 12 V/48 V entraîne généralement l'utilisation d'une topologie multiphase. Une conception multiphase améliore le rendement global de la conversion en permettant la chute de phase, ce qui réduit le nombre de phases actives à mesure que la demande de puissance diminue. Les conceptions multiphases permettent également d'utiliser des composants de filtre plus petits sur les sorties de chaque phase ; l'utilisation d'inductances plus compactes améliore les performances en cas de transitoires de charge. Enfin, l'exploitation des phases avec un entrelacement approprié permet d'obtenir une ondulation de sortie plus faible.

Le dispositif LM5170-Q1 de Texas Instruments est un contrôleur de courant bidirectionnel multiphase à hautes performances, destiné à gérer le transfert de courant entre la section 48 V et la section 12 V des systèmes automobiles à double batterie (figure 5). Il intègre des fonctions analogiques essentielles qui permettent de concevoir des convertisseurs de forte puissance avec un nombre minimal de composants externes. Le fonctionnement en parallèle multiphase est obtenu en connectant deux contrôleurs LM5170-Q1 pour un fonctionnement à 3 ou 4 phases, ou en synchronisant plusieurs contrôleurs à des horloges déphasées pour un nombre plus élevé de phases.

Figure 5 : Le contrôleur de courant bidirectionnel multiphase LM5170-Q1 gère le transfert de courant entre les sections 48 V et 12 V d'un système automobile à double batterie ; les flèches rouges mettent en évidence le flux de courant bidirectionnel. (Source de l'image : Texas Instruments)

Le dispositif LM5170-Q1 comprend des amplificateurs de détection de courant différentiels à deux canaux et des moniteurs de courant à canaux dédiés pour atteindre une précision de courant typique de 1 %. De robustes circuits d'attaque de grille en demi-pont de 5 A sont capables de commander des commutateurs MOSFET en parallèle fournissant 500 W ou plus par canal. Le mode d'émulation de diode des redresseurs synchrones empêche les courants négatifs, mais permet également un fonctionnement en mode discontinu pour un meilleur rendement à faibles charges. Les fonctionnalités de protection polyvalentes comprennent la limitation du courant cycle par cycle, la protection contre les surtensions aux ports haute tension et basse tension, la détection de défaillance de MOSFET et la protection contre la surchauffe. Ce contrôleur est capable d'assurer la sécurité fonctionnelle automobile.

Texas Instruments propose le module d'évaluation LM5170EVM-BIDIR afin que les ingénieurs puissent évaluer le dispositif LM5170-Q1 dans des applications de systèmes à double batterie de 12 V/48 V. Les deux phases fonctionnent en mode entrelacé de 180˚ et partagent de manière égale un courant continu maximal de 60 A. Ce module d'évaluation comprend également divers cavaliers permettant de configurer le circuit de manière souple et pratique afin de s'adapter à de nombreux cas d'utilisation différents, notamment la possibilité d'être contrôlé par un microcontrôleur (MCU) et des convertisseurs unidirectionnels haute puissance de type abaisseur ou élévateur.

Architecture multiphase maître/esclave pour convertisseurs bidirectionnels

Analog Devices propose le contrôleur régulateur à découpage abaisseur-élévateur LT8708 pour une utilisation dans les convertisseurs de puissance bidirectionnels de 12 V/48 V. Le LT8708 est un contrôleur CC/CC synchrone abaisseur-élévateur de 80 V à 4 interrupteurs avec capacité bidirectionnelle qui peut prendre en charge des courants de charge jusqu'à environ 30 A. Pour des besoins de courant plus élevés, le contrôleur maître LT8708 peut être combiné avec une ou plusieurs puces esclaves. L'utilisation d'une architecture maître/esclave peut réduire le coût des solutions dans les conceptions multiphases, car un seul circuit intégré maître (plus coûteux) peut contrôler plusieurs circuits intégrés esclaves (moins onéreux).

Comme les esclaves sont connectés au maître, ils augmentent proportionnellement la puissance et la tenue en courant du système. Cependant, il est important que l'esclave présente les mêmes modes de conduction que le dispositif LT8708 afin qu'il puisse conduire le courant et la puissance dans la même direction que le maître. Le maître contrôle les limites globales de courant et de tension pour un système LT8708 multiphase, et les esclaves respectent ces limites.

Un esclave peut être facilement mis en parallèle avec le LT8708 en connectant quatre signaux ensemble (figure 6). Deux limites de courant supplémentaires (courant direct V_IN et courant inverse V_IN) sont disponibles sur chaque esclave et peuvent être réglées de manière indépendante.

Figure 6 : Un convertisseur CC/CC triphasé utilisant les circuits intégrés maître et esclaves du dispositif LT8708 met en évidence les quatre interconnexions de signaux. (Source de l'image : Analog Devices)

La carte de démonstration DC2719A d'Analog Devices utilise un dispositif LT8708 combiné avec un esclave associé (LT8708-1) de manière à délivrer un courant de 40 A. Cette carte peut fonctionner en mode direct et en mode inverse. Le contrôleur comporte des régulateurs de tension d'entrée et de sortie intégrés, ainsi que deux ensembles de régulateurs de courant d'entrée et de sortie, qui contrôlent le flux de courant dans le sens direct ou inverse. Des fonctionnalités sont incluses pour simplifier la conversion de puissance bidirectionnelle dans les systèmes de secours à batterie/condensateur et d'autres applications nécessitant une régulation de V_IN, V_OUT, I_IN et/ou I_OUT.

Correction bidirectionnelle du facteur de puissance pour les véhicules électriques à batterie interactifs sur le réseau

Pour les concepteurs de véhicules électriques à batterie interactifs sur le réseau, Infineon propose la carte d'évaluation EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1, un système de correction du facteur de puissance de 3300 W sans pont de type totem-pôle avec capacité de puissance bidirectionnelle (figure 7). Cette carte PFC sans pont de type totem-pôle est destinée aux applications qui exigent un rendement élevé (environ 99 %) et une forte densité de puissance (72 watts par pouce cube).

Figure 7 : La carte EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 est une carte PFC sans pont de type totem-pôle de 3300 W. (Source de l'image : Infineon)

La topologie totem-pôle des applications PFC avec fonctionnement en mode de conduction continue (CCM) est rendue possible par l'utilisation de semi-conducteurs à large bande interdite. Dans ce cas, le MOSFET CoolSiC IMZA65R048M1 d'Infineon en boîtier TO-247 à quatre broches est utilisé pour porter le rendement à 99 % à demi-charge. Le convertisseur fonctionne exclusivement à une tension secteur élevée (176 V RMS minimum, 230 V RMS nominaux) en mode CCM avec une fréquence de commutation de 65 kHz.

Ce totem-pôle bidirectionnel sans pont de 3300 W (PFC/CA/CC et onduleur/CA/CC) est une solution système développée avec les semi-conducteurs de puissance d'Infineon, ainsi que les circuits d'attaque et les contrôleurs d'Infineon. Dispositifs d'Infineon utilisés dans la conception :

• MOSFET CoolSiC de 64 mΩ et 650 V (IMZA65R048M1) dans un boîtier TO-247 à quatre broches en tant que commutateur haute fréquence totem-pôle PFC
• MOSFET CoolMOS C7 de 17 mΩ et 600 V (IPW60R017C7) dans un boîtier TO-247 pour le trajet de retour totem-pôle PFC (pont basse fréquence)
• Circuits d'attaque de grille isolés 2EDF7275F (EiceDRIVER)
• Contrôleur flyback ICE5QSAG QR et MOSFET CoolMOS P7 de 950 volts(IPU95R3K7P7AKMA1) pour l'alimentation auxiliaire de polarisation
• Microcontrôleur XMC1404Q048X0200AAXUMA1 d'Infineon pour la mise en œuvre du contrôle de la correction du facteur de puissance

Le totem-pôle implémenté dans la carte EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 fonctionne en conduction continue (CCM) en mode redresseur (PFC) et onduleur, avec une mise en œuvre du contrôle numérique complète utilisant le microcontrôleur XMC1404Q048X0200AAXUMA1 d'Infineon.

Conclusion

Les concepteurs cherchant à améliorer le rendement, les architectures à double tension 12 V/48 V sont apparues comme étant la topologie de choix pour les véhicules électriques hybrides et les véhicules électriques à batterie. Cela a créé un besoin de gestion efficace de l'alimentation afin d'optimiser leur utilisation. Les convertisseurs CC/CC bidirectionnels et les chargeurs de batterie ont été conçus pour permettre aux systèmes de 12 V et 48 V de mieux fonctionner ensemble dans les cas où il faut recharger l'une ou l'autre batterie ou en cas de surcharge.

De plus, dans le cas des véhicules électriques à batterie, un étage PFC bidirectionnel permet un flux de puissance bidirectionnel entre la batterie et le réseau électrique. La connexion V2G qui en résulte apporte des avantages économiques qui vont au-delà de l'amélioration des économies de carburant, notamment la capacité de fournir de l'énergie au réseau pendant les périodes de pointe et de recharger les batteries des véhicules pendant les périodes de faible demande d'électricité.

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