Réalisation du convertisseur complet DAB

Un prototype du micro convertisseur, comportant deux puces intégrées de l’onduleur et du redresseur reliées par le transformateur planar a été réalisé afin de tester le mode de fonctionnement DAB et d'étudier les caractéristiques ainsi que les performances de cette structure. Basée sur ce design, la valeur de l’inductance de fuite est Ls = 54nH autorisant un transfert de puissance maximal supérieur à 10W tout en limitant la circulation d’énergie réactive à quelques % de la puissance transférée. Les autres paramètres du convertisseur sont VE = 5V ; VS = 5V ; l'inductance magnétisante Lm = 4µH ; la fréquence de découpage f = 1 MHz ; rapport de transformation m = 1. La caractérisation de ce circuit sera mise en place dans les prochaines semaines.

La partie suivante introduit le dimensionnement de la première version du circuit de mesure et de commande de l’équilibreur en se basant sur une stratégie de contrôle simplifiée.

IV.3.1.Circuit de mesure et de commande de l’équilibreur

Comme ce qu’on a abordé précédemment, le circuit intégré LTC 6803 utilisé dans notre cas, permet de capturer directement au maximum la tension de 12 cellules de stockage en série en employant un multiplexeur associé à un convertisseur analogique numérique à modulation delta-sigma [LTC6803]. Le temps pour une mesure complète de la tension de toutes les cellules du pack est environ 10ms. Le circuit LTC 6803 possède un port série compatible SPI permettant de communiquer avec un contrôleur afin de réaliser les transferts de données mesurées. Ce port comporte de 4 pins (CSB : chip select bit ; SDO : data output ; SDI : data input ; SCK : clock signal) permettant un transfert de données en série commandé. Nous proposons donc dans cette version d’utiliser deux microcontrôleurs associés à un FPGA pour mettre en place des stratégies d’asservissement.

Le premier microcontrôleur sert non seulement à communiquer avec ce circuit afin de recevoir des données de mesure de tension via le bus de données série (l’échantillonnage est synchronisé à un signal d’horloge imposé par le contrôleur), mais aussi à mettre en place l’algorithme de comparaison. Pour cet algorithme, les tensions des cellules numéro 1 à 8 seront mesurées successivement puis comparée afin de détecter toute dispersion de tension et pouvoir définir la direction du transfert d’énergie à mettre en place pour contenir les éventuelles dispersions (-voir la Figure IV.8).

Figure IV.8. Mesure et comparaison de tension des cellules

Les données de sortie du bloc de comparaison sont enregistrées et correspondent à une série de codes liées à 3 états de fonctionnement de chaque convertisseur de l’équilibreur soit la charge des cellules (2-8) par la cellule 1, soit la décharge, soit l'absence de transfert d'énergie. La mise en œuvre du deuxième microcontrôleur communiquant avec le premier permet de décoder ces informations et générer les commandes appropriées pour piloter chaque cellule de conversion de l’équilibreur. Cependant, le nombre limité de sorties des microcontrôleurs actuels connus ne permet pas de réaliser une gestion complète, instantanée de l’équilibreur comme ce qu’on a présenté dans le chapitre II. Pour contourner ce problème, nous proposons pour la suite, une stratégie de commande séquentielle en associant le deuxième microcontrôleur à un FPGA qui dispose de 48 sorties de commandes indépendantes.

Pour cette nouvelle stratégie, il n’y a qu’un convertisseur qui sera piloté pendant chaque séquence de l’équilibrage afin de transférer l’énergie entre une cellule du pack (2-8) et la cellule 1. Le circuit LTC 6803 mesure la tension de toutes les cellules et c’est également lui qui définit les séquences de l’équilibrage (quelle cellule charge et décharge) grâce à la comparaison entre les valeurs des tensions mesurées de chaque batterie par rapport à la tension de la cellule intermédiaire. L’intérêt de cette stratégie par rapport à celle précédente où les ponts redresseurs sont pilotés tout le temps est d’éviter les pertes inutiles liées au courant magnétisant permettant d’améliorer davantage le rendement de l’équilibreur.

Pour mettre en place cette stratégie, une cellule DAB a besoin de 4 PWM dont 2 PWM complémentaires pour commander 2 bras du côté redresseur ; 2 PWM pour commander l’onduleur dans les cas du déphasage en avance ainsi qu’en arrière. La valeur du déphasage est fixée au niveau d'un second microcontrôleur couplé à un FPGA de façon à ce que le

courant d’équilibrage soit inférieur ou égal à la valeur nominale (2A) à tous les points de fonctionnement. Chaque signal de commande PWM est appliqué au circuit intégré correspondant via une liaison isolée par une capacité de découpage (Figure IV.9)

Figure IV.9. Commande d’une cellule DAB

La communication du circuit FPGA avec le deuxième microcontrôleur permet d’activer ou de désactiver les convertisseurs pendant chaque séquence en générant 4 commandes PWM avec les déphasages appropriés. Le bloc « programme chip select » choisira 4 pins correspondant pour envoyer 4 signaux de commande. A la sortie du RµC où les cellules de conversion sont connectées en parallèle sur la cellule de stockage 1, on utilise donc 14 PWM pour commander 7 redresseurs. A l’entrée du RµC, les cellules de conversion sont connectées en série au niveau des bornes d'interconnexion des cellules de stockage, on utilise donc 14 PWM pour piloter 7 onduleurs. Au total, on a besoin de 28 PWM (voir Figure IV.10).

Figure IV.10. Commandes par l’association de microcontrôleur- FPGA

Après avoir configuré la cellule de puissance élémentaire et choisi les méthodes de mesure ainsi que de contrôle appropriés, la première version d’équilibreur est mise en place, la Figure IV.11 présente le schéma des blocs principaux de la structure complète. Les régulateurs de tension sont également mis en œuvre afin d’alimenter les circuits de contrôle par les niveaux de tension adaptés (3.3-5V). De plus, l’utilisation d’une interface Wi-Fi

connectée au premier microcontrôleur permet de visualiser l’évolution des tensions des cellules de stockage au cours de l’équilibrage.

Figure IV.11. Schéma des blocs principaux de la structure complète

IV.3.1.Réalisation de l’équilibreur complet

La première version du circuit imprimé à 4 couches est conçue et fabriquée. Les travaux de caractérisation pour valider les fonctions de mesure ainsi que de commande seront présentés prochainement.