5 topologies de convertisseurs CC-CC bidirectionnels pour les véhicules électriques et les systèmes de stockage

Principaux enseignements

• L'exigence d'isolation détermine en premier lieu la famille de topologies, car elle exclut d'emblée les solutions à transformateur ou non isolées avant toute autre comparaison.
• La plage de tension et la durée de fonctionnement à faible charge distinguent le pont actif double du CLLC, les larges plages jouant en faveur du premier et les rapports quasi constants en faveur du second.
• Chaque topologie implique une charge de contrôle qui lui est propre ; il convient donc de tester votre contrôleur à l'aide de modèles précis au niveau de la commutation des différentes options envisageables avant de passer commande du matériel.

La topologie du convertisseur CC/CC bidirectionnel que vous choisissez détermine le rendement, l'isolation et la complexité de la commande de chaque chargeur ou système de stockage qui en est équipé.

Un convertisseur CC/CC bidirectionnel transfère l'Énergie e entre deux tensions continues dans les deux sens ; ainsi, un même étage de puissance permet à la fois de charger et de décharger une batterie. Le volume d'électronique de puissance nécessaire à cela est important. À la fin de l'année 2025, les opérateurs de réseau américains disposaient de 43,6 gigawatts de stockage par batterie, et chacune de ces batteries est reliée à un convertisseur permettant le passage du courant dans les deux sens.

Cinq topologies couvrent la plupart des bornes de recharge pour véhicules électriques, des racks de stockage et des micro-réseaux en courant continu. Elles se distinguent par le nombre de commutateurs, la plage de tension et le degré de complexité du problème de contrôle. Vous ferez votre choix plus rapidement en les comparant sur la base de critères identiques.

Comment l'isolation divise les convertisseurs CC/CC bidirectionnels en deux familles

La principale différence entre les convertisseurs bidirectionnels isolés et non isolés réside dans la présence d'un transformateur haute fréquence. Les modèles isolés en intègrent un entre les deux côtés, ce qui bloque le courant de défaut et permet d'obtenir un rapport de tension élevé. Les modèles non isolés partagent une masse commune, utilisent moins de composants et présentent une perte d'Énergie s moindre à puissance égale.

Prenons l'exemple d'un chargeur embarqué pour véhicule électrique qui alimente une habitation en électricité. La batterie doit rester isolée galvaniquement du réseau électrique ; l'étage CC/CC nécessite donc un transformateur. Un rack de stockage relié à un bus CC déjà isolé en amont n'est pas soumis à cette exigence, et l'ajout d'un transformateur à cet endroit ne ferait qu'augmenter le coût, le poids et les pertes. 

« Réglez d’abord cette question, car cela élimine la moitié des candidats avant même de comparer quoi que ce soit d’autre. »

Comparaison de 5 topologies de convertisseurs CC/CC bidirectionnels en fonction de leur domaine d'application

Trois de ces topologies de convertisseurs de puissance sont non isolées et deux sont isolées. Chaque entrée explique comment le circuit achemine la puissance, où il s'intègre et quel est le travail de contrôle qu'il implique.

1. Convertisseur buck-boost en demi-pont

Le convertisseur buck-boost en demi-pont est l'étage bidirectionnel le plus simple : il comporte deux commutateurs et une inductance. Il effectue une conversion buck depuis le bus pour charger la batterie, et une conversion boost depuis la batterie pour la décharger. Chaque sens utilise les deux mêmes commutateurs et la même inductance ; une seule boucle de courant gère donc les deux sens. La tension de la batterie doit toujours rester inférieure à la tension du bus.

Imaginez un pack de 350 V connecté à un bus de 750 V en courant continu. L'étage fonctionne à un rapport cyclique proche de 47 %, le nombre de composants est réduit au minimum et le rendement est élevé. C'est la configuration par défaut pour les racks de stockage et les micro-réseaux en courant continu présentant une relation de tension fixe. Les problèmes commencent lorsque les deux tensions se rapprochent, car le rapport cyclique atteint sa limite et la capacité de contrôle disparaît.

2. Convertisseur buck-boost à quatre commutateurs

Le convertisseur buck-boost à quatre commutateurs place un demi-pont à chaque extrémité d'une inductance, de sorte que chaque côté peut se situer au-dessus ou en dessous de l'autre. Cela permet de s'affranchir de la règle d'ordre des tensions propre à l'étage plus simple, sans avoir à ajouter de transformateur.

Un bloc de batteries dont la tension varie entre 300 V et 500 V par rapport à un bus de 400 V correspond parfaitement au cas de figure type, puisque le bloc de batteries dépasse la tension du bus à chaque cycle. Ce système nécessite quatre commutateurs et le courant de l'inductance circule toujours à travers deux composants en série, ce qui entraîne des pertes par conduction plus élevées que dans un étage à deux commutateurs. La transition entre les modes « buck » et « boost » doit faire l'objet d'une modulation minutieuse, sans quoi le courant présentera une perturbation visible à chaque croisement des tensions.

3. Convertisseur buck-boost entrelacé

Le convertisseur buck-boost entrelacé fait fonctionner plusieurs phases de demi-pont en parallèle, chacune décalée dans le temps, de sorte que les phases se partagent le courant. L'ondulation aux bornes de la batterie s'annule en partie, ce qui permet de réduire la taille des inductances et des condensateurs.

Une version triphasée transportant 300 A fait passer environ 100 A par chaque phase, celles-ci étant espacées de 120 degrés. Cela en fait le choix pratique pour les racks de stockage à courant élevé et les étages de sortie des chargeurs rapides. La désactivation de certaines phases en cas de faible charge permet de récupérer une partie du rendement perdu en raison du coût supplémentaire des commutateurs. La tâche supplémentaire consiste à équilibrer les courants. Chaque phase nécessite son propre système de détection, et un contrôleur qui laisse une phase dériver provoquera la surchauffe de cette bobine bien avant que le courant total ne semble anormal.

4. Convertisseur à double pont actif

Le convertisseur à double pont actif relie deux ponts complets par l'intermédiaire d'un transformateur haute fréquence et régule la puissance grâce au déphasage entre les deux. Il assure une isolation galvanique, un fonctionnement symétrique dans les deux sens et une large plage de tension à partir d'une seule variable de commande.

Cette plage en fait un choix courant pour les chargeurs desservant à la fois des batteries de 400 V et de 800 V. Son point faible réside dans les faibles charges, où les ponts perdent leur capacité de commutation en douceur et où le courant de circulation augmente. Pour y remédier, il faut recourir à des modes de modulation supplémentaires, tels que le déphasage double ou triple, ainsi qu’à une synchronisation précise entre les deux ponts. OPAL-RT exécute en temps réel des modèles précises de ce type d’étage, ce qui permet à votre contrôleur de gérer ces cas limites avant même que le transformateur ne soit bobiné.

5. Convertisseur résonant CLLC

Le convertisseur résonant CLLC intègre un circuit résonnant adapté de chaque côté du transformateur et assure la régulation en fonction de la fréquence de commutation. Les composants commutent en douceur sur toute la plage de charge, ce qui permet de maintenir les pertes à un niveau très bas à proximité de la résonance.

Un prototype universitaire, un modèle à carbure de silicium de 25 kW, a atteint un rendement maximal de 98,8 % en décharge. La même étude a révélé des pertes totales du dispositif inférieures à celles d’un double pont actif. La limite réside dans la plage de gain. Une batterie présentant de fortes variations éloigne la fréquence de la résonance ; les concepteurs modifient donc souvent la tension du circuit intermédiaire pour maintenir le circuit résonnant à son point optimal. Cette solution convient aux chargeurs embarqués et aux modules de stockage dont la plage de fonctionnement de la batterie est étroite.

Comment choisir une topologie bidirectionnelle avant d'acheter du matériel

Choisissez la topologie en fonction de votre plage de tension, de vos exigences en matière d'isolation et de votre profil de charge, dans cet ordre. L'isolation permet de réduire le choix à deux ou trois options. La plage de tension et la part de temps passée en charge légère permettent ensuite de distinguer le pont double actif du CLLC. Cinq questions suffisent pour trancher dans la plupart des projets.

• Une norme de sécurité impose-t-elle une isolation galvanique ?
• La tension de la batterie dépasse-t-elle parfois la tension du bus ?
• Quel courant un étage doit-il supporter ?
• Combien d'heures le convertisseur fonctionnera-t-il à une charge inférieure à 20 % ?
• Votre matériel de commande est-il capable de gérer la synchronisation requise par chaque option ?

Un chargeur de véhicules électriques destiné à des flottes mixtes de 400 V et 800 V renvoie au « double pont actif ». Un produit de stockage par batterie de type « Énergie » présentant une fenêtre de conception étroite renvoie au CLLC. La dernière question est celle que les équipes ont tendance à ignorer, et c’est là que les délais prennent du retard.

« Les comparaisons théoriques ne permettent pas de montrer comment votre propre code de contrôle se comporte sur chaque circuit. »

Les comparaisons sur papier ne permettent pas de voir comment votre propre code de contrôle se comporte sur chaque circuit. OPAL-RT exécute les topologies candidates sous forme de modèles en temps réel avec le même contrôleur ; vous pouvez ainsi comparer les comportements mesurés et valider la conception sur le matériel en une seule fois.