[PDF] Conception dun convertisseur de puissance pour véhicules

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U?iversit? de Tech????gie de Be?f?rt ????tb??iard

T??S??

Pr?sent?e ?

L"Universit? de technologie de Belfort Montb?liard en?vue?de?l"obtention?du?grade?de?

D?CT?UR??

SC???C?S?P?UR??"???????UR?

Par

Ahmed?B?UC??R?T?

Conception?d"un?convertisseur?de?

multi-sources? Soutenue le ?? d?cembre ?0?? devant la Commission d"?xamen

Membres du ?ury :

?? ?UAL?US Rapporteur ?? V?TAL? Rapporteur Y? A?T?AM?RAT ?xaminateur M? C?RR?NC??N? Co?directeur de th?se A? D??RD?R Directeur de th?se P? V?N?T ?xaminateur

Ann?e?2011?

Remerciements??

Les travaux pr?sent?s dans ce m?moire ont ?t? r?alis?s dans les locaux des laboratoires Set et ?CLAB de Belfort? ?e tiens ? remercier tout particuli?rement mon directeur de th?se Mr D??RD?R Abdeslam? pour ses conseils? sa confiance tout au long de ses ann?es ; je remercie aussi Mr Maurizio C?RR?NC??N? Co?encadrant de cette th?se pour sa disponibilit?? son soutien et son implication pour le bon d?roulement de ce travail? ?e remercie ?galement les membres de jury Mr ?amid ?UAL?US? ?iovanni V?TAL?? Yousef A?T?AM?RAT et monsieur Pascal V?N?T? Ces ann?es ont ?t? agr?ables et enrichissantes? tant sur le plan humain que sur le plan intellectuel? gr?ce aux doctorants et aux enseignants?chercheurs du laboratoire? que je remercie chaleureusement pour leur g?n?rosit?? leur solidarit? et la bonne humeur ambiante? ?nfin? je remercie mes amis et ma famille? mon ?pouse ASS?A? qui m"a accompagn? avec beaucoup de compassion durant ces ann?es de th?se? qui a ?t? patiente? et a crue en moi m?me dans les p?riodes de doute? et mes filles ?N?S et Sabrina?Nada qui ont ?t? un moteur de motivation et de pers?v?rance chaque jour? ?nfin ?e d?die ce m?moire ? ma m?re et mon p?re? mes s?urs et mes fr?res?

S?MMA?R?

? Annexe?2.A......................................................................................151???

N?M?NCLATUR?

i ?????C?ATUR?

N?M?NCLATUR?S

ii

N?M?NCLATUR?

iii

ABR?V?AT???S?

P?C : Pile ? combustible?

SC : Super?condensateur?

DC : Direct current?

AC : Alternating current?

MCC : Moteur ? courant continu?

MAP : Moteur ? aimant permanent?

MSAP : Moteur synchrone ? aimant permanent?

MRV : Moteur ? r?luctance variable?

MAS : Moteur asynchrone?

Bus DC: Bus continu?

MC : Couplage magn?tique?

V?s : Voiture ?lectrique?

V??s : Voiture hybride ?lectrique?

P? : r?gulateur proportionnel? int?grale

Pcharge : La puissance de charge?

Pch : La puissance de charge ? ou du bus continu ? ?W?? P e : La puissance moyenne d"entr?e ?W?? P pertes : La puissance des pertes dans les semi?conducteurs ?W?? P con : La puissance des pertes par conduction ?W?? P com : La puissance des pertes par commutation ?W?? P kr : La puissance dissip?e ? la fermeture de composant semi?conducteur ?W?? P d : La puissance maximal dissip?e par un semi?conducteur ?W?? P kf : La puissance dissip?e ? l"ouverture de composant semi?conducteur ?W?? W CT? : Pertes en conduction d"origine bipolaire de la fonction transistor ???? W CT? : Pertes en conduction d"origine ohmique de transistor ???? W CD? : Pertes en conduction d"origine bipolaire de la diode ???? W CD? : Pertes en conduction d"origine ohmique ???? V

DC : La tension du bus continu ?V??

N?M?NCLATUR?S

iv VP?C : La tension aux bornes de la pile ? combustible? V P?Cmin : La tension minimale admise aux bornes de la pile ? combustible au cours du fonctionnement ?V?? V P?Cmax : La tension maximale admise aux bornes de la pile ? combustible au cours du fonctionnement ?V?? V SC : La tension aux bornes des super?condensateurs ?V?? V SCmin : La tension minimale admise aux bornes des supercondensateurs au cours du ?onctionnement ?V?? V c : Tension au borne de la capacit? de filtrage C? ?V?? V SCmax : La tension maximale admise aux bornes des supercondensateurs au cours du fonctionnement ?V?? V

0 : Tension initiale de la P?C ou de SC ?V??

V

T0 : Tension de seuil d"origine bipolaire ?V??

V

D0 : Tension de seuil d"origine bipolaire ?V??

V f : Tension de polarisation de la diode ?V?? e a ?eb?ec : Les forces ?lectromotrices induit ? f???m? ? ?V?

S : Le courant de sortie ?A??

P?C : Le courant de la pile ? combustible ?A??

SC : Le courant de super?condensateur ?A??

ch : Le courant de la charge ? courant de bus continu ? ?A??

L? : Le courant de la bobine L? ?A??

L? : Le courant de la bobine L? ?A??

C e : Le couple de la machine ?N?m?? T on : Dur?e de la commande ? l"ouverture de transistor ?S?? T s : Pas d"echantiollonage ?S?? T c : P?riode de commutation ?S?? ??D?C?S? K i?Kp : Param?tres de correcteur P?? R DS : R?sistance drain source d"un semi?conducteur ?!?? T j : Temp?rature de jonction maximum ??C?? T a : Temp?rature ambiante ??C?? T j : Temp?rature de jonction maximum ??C??

N?M?NCLATUR?

v

P : Nombre de paires de p?les

SY?B???S??R?CS?

" : le rendement de convertisseur DC?DC ?%?? # : rapport cyclique? ! : vitesse de rotation ?rad?s?? $e : flux d"excitation ?Wb?? e : angle ?lectrique ?rad?? % : angle m?canique ?rad?? jc : r?sistance thermique entre jonction et boitier ??C?W?? cs :?r?sistance?thermique?de?l"isolant?[?C/W?. sa : r?sistance thermique de refroidisseur ??C?W?? y : L"angle?entre?le?courant et?f.?.m.?sur?chaque?phase?d"une?machine?[Rad??

N?M?NCLATUR?S?

vi? ?NTR?DUCT??N ??N?RAL?? Les? recherches? actuelles? en? ?lectronique? de? puissance? dans? le? domaine?des? applications? automobiles? notamment? les? voitures? ?lectriques? ??Vs?? et? la? voiture? hybride? La?plupart?de?ces?recherches?proposent?des?topologies?de? convertisseurs???tension?de?bus? les? pertes? ?nerg?tiques? du? convertisseur? de? conditionnement? ?convertisseur? DC-DC?? sont? des? sources? et? du? bus? DC? sont? ?loign?s.? Ce? raisonnement? est? aussi? valable? du? c?t?? du? convertisseur? alimentant? le? moteur? de? traction? ?convertisseur? AC-DC?? o?? les? pertes? sont? choix.?? Lors? des? d?marrages/arr?ts? tr?s? fr?quents? du? V?? en? mode? urbain?? les? niveaux?de? de?tension.? ?NTR?DUCT??N ??N?RAL?? ?et? autoroute.? Ceci? apporterait? une? am?lioration? du? rendement? ?nerg?tique? de? l"ensemble? sources-moteurs? notamment? en? mode? urbain.? Par? ailleurs?? afin? de? r?duire? le? volume? de? l"?lectronique? de? puissance?? nous? int?grerons? d"une? part?? tous? les? composants? semi- conducteurs? sur? un? m?me? bo?tier? avec? un? seul? refroidisseur? et? d"autre? part?? nous? sera? ?galement?? possible? de? centraliser? toute? l"?lectronique? de? commande?? de? mesure? et? d"acquisition.?

ainsi? que? les? outils? d?velopp?s?? les? r?sultats? obtenus?? leurs? potentialit?s? mais? aussi? leurs?

limites?d"utilisation.? Dans? le? premier? chapitre?? nous? pr?sentons? un? ?tat? de? l"art? sur? les? composants? ?lectriques? des? v?hicules? routiers? ?automobiles??.? ?nsuite?? nous? donnerons? les? caract?ristiques? des? diff?rentes? sources? embarqu?es? ?batteries?? pile?a? combustible?? super- condensateur?? et? les? diff?rentes? technologies? de? motorisation? les? mieux? adapt?es? dans? le? probl?matique? du? conditionnement? d"?nergie? multi? -source? o?? l"on? traitera? diff?rentes? litt?rature? actuelle? dans? le? domaine? du? conditionnement? d"?nergie? ?? bord? des?v?hicules? ?lectriques.? Le? deuxi?me? chapitre? est? consacr?? ?? la? pr?sentation? d"une? structure? originale? de? topologie? g?n?rale? du? convertisseur?propos??une??tude?d?taill?e?sera?men?e?sur?sa?partie? continu-continu? ?DC-DC?? assurant? le?conditionnement?d"?nergie?des?deux?sources??pile??? modes? de? fonctionnement? de? ce? convertisseur? DC-DC? seront? mis? en? ?vidence? ?? travers? ?NTR?DUCT??N ??N?RAL?? ? Dans? le? troisi?me? chapitre? nous? retracerons? nos? travaux? de? mod?lisation? et? de? et? par? simulation? de? ce? syst?me? sera? d?taill?e? notamment? ?? travers? de? l"exposition? des? partie?commande?seront?discut?es.? Le? quatri?me? chapitre? montrera?? ?? travers? la? r?alisation? d"une? maquette??? ?chelle? d"une? br?ve? ?tude? bibliographique? sur? les? dissipateurs? thermiques? en? ?lectronique? de? convertisseur?propos?.?? ?NTR?DUCT??N ??N?RAL?? Chapitre ? ?TAT D? L"ART D?S ?NV?RT?SS?URS DANS L?S V???CUL?S ?L?CTR?QU?S ?

C?AP?TR??1?

?TAT?D???"ART?D?S?

C??V?RT?SS?URS?D??PU?SSA?C??

P?UR???S?V???CU??S?

???CTR?QU?S? Chapitre ? ?TAT D? L"ART D?S ?NV?RT?SS?URS DANS L?S V???CUL?S ?L?CTR?QU?S ? Chapitre ? ?TAT D? L"ART D?S ?NV?RT?SS?URS DANS L?S V???CUL?S ?L?CTR?QU?S ? 7?

1.1. ?ntroduction?

cl?? d"un? point? de? vue? consommation? ?nerg?tique? et? de? l"impact? environnemental.? Afin? thermique? par? une? source? d"?nergie? ?lectrique? avec? un? taux? d"hybridation?plus? ou? moins? important?et?la?solution??00% ?lectrique avec des probl?mes d"autonomie et de co?t qui?lui?

sont? associ?s.? Ce? travail? de? th?se? entre? dans? le? cadre? des? v?hicules? ?00% ?lectriques et

s"int?resse ? leurs chaines de tractions ainsi que l"alimentation de leurs auxiliaires? La chaine de traction ?lectrique est g?n?ralement compos?e des sources ?batteries ou piles ? combustible ?P?C)) et des r?cepteurs ?moteur de traction et des auxiliaires)? La gestion d"?nergie entres ces deux derniers n?cessite l"utilisation des convertisseurs d"?lectronique de puissance pour conditionner le flux d"?nergie entres eux? figure ???? Dans un premier temps? nous nous int?resserons aux sources d"alimentation : batteries ou pile ? combustible ?P?C)) ainsi qu"aux super condensateurs ?SC) comme source auxiliaire

tr?s utile dans le cas de forte demande de puissance? et dans le cas de freinage pour la

r?cup?ration d"?nergie? Puis? nous traiterons du moteur de traction et des auxiliaires? Apr?s cela nous approfondirons la probl?matique de la gestion d"?nergie dans la voiture ?lectrique par une comparaison entre plusieurs topologies des convertisseurs DC?DC multi?sources? Cette comparaison sera pr?sent?e notamment sur la base des topologies isol?es et non isol?es? ?n se basant sur cette comparaison nous montrons l"int?r?t de d?velopper une nouvelle topologie ? la base d"une structure non isol?e? ?igure?1.1. Architecture d"une chaine de traction ?lectrique Chapitre ? ?TAT D? L"ART D?S ?NV?RT?SS?URS DANS L?S V???CUL?S ?L?CTR?QU?S ? 8?

1.2. ?es?sources?d"?nergie?embarqu?e??

sp?cialistes? de? ce? domaine.? ?nfin?? la? derni?re? technologie? est? repr?sent?e? par? les? super?

1.2.1??es?Batteries??

qu"une??batterie blocs??l?mentaires?[?.??.? principe? chimique? de? l"oxydor?duction?? selon? lequel? l"association? d"un? oxydant? et? d"un? ?une? positive?? une? n?gative?? appel?es? g?n?ralement? cathode? et? anode?? reli?s? par? un? pont? ?lectrolytique.?

l"?tat? A? en? lib?rant?? sous? forme? ?lectrique?? l"?nergie? chimique? accumul?e? au? cours? de? la?

Chapitre ? ?TAT D? L"ART D?S ?NV?RT?SS?URS DANS L?S V???CUL?S ?L?CTR?QU?S ? 9? ???lectrode?n?gative?? ?lectrolyte?

Conducteur?ionique?

?lectrode?positive?

D?charge

?xydation ?x1?(cation)? Red

2?(anion)

R?duction

Charge

R?duction

Red1?(anion)?

?x

2?(cation)

?xydati on? ?l? existe? des? batteries? de? diff?rentes? formes? ?structure? ou? technologie??? par? contre?

l"utilisation? des? ces? diff?rentes? technologies? dans? les? voitures? ?lectriques? doit? respecter?

? Une?bonne?puissance?massique??rapport?puissance?/poids?en?W/kg???permettant?des? acc?l?rations?importantes.?? ? une?bonne??nergie?massique??Wh/kg??synonyme?d"une?bonne?autonomie.? ? Une?tension?stable?engendrant?des?performances?r?guli?res.? ? Un?dur?e?de?vie??lev?e??calcul?e?en?nombre?de?cycles?charge/?d?charge??conduisant??? ? ?ntretien?faible?et?recyclable.? v?hicules??lectriques?notamment?[?.???:? ? La?batterie?plomb??Pb??utilis?e?sur?la?C????lectrique.? ? La?batterie?nickel?cadmium??Ni?Cd??utilis?e?sur?les??0??et?Saxo??lectriques.? ? La?batterie?nickel?m?tal?hydrure??Ni-M???est?utilis?e?sur?les?v?hicules?japonais?et? am?ricains.? ? La?batterie?lithium-ion??Li-ion??est?mont?e?sur?le?prototype??0??Vedlic?qui?embarque? ??000Wh?pour???0?kg?de?batterie.?

utilis?es? ou? ?? l"?tude? pour? la? traction? d"un? v?hicule? terrestre.? Les? couples? nickel-hydrure?

Chapitre ? ?TAT D? L"ART D?S ?NV?RT?SS?URS DANS L?S V???CUL?S ?L?CTR?QU?S ? ?0?

de? fiabilit?? non? encore? r?solus? ?? ce? jour? [?.???.? Le? type? Zebra?? qui? offre? une? densit??

?nerg?tique? int?ressante?? a? pour? l"instant? vu? son? d?veloppement? limit?? ?? l"?quipement? ???V? pour? respectivement? les? technologies? plomb?? Ni/Cd? et? Ni/M??.? Cette? haute? tension? ?t??produits??avec??en?particulier??l"Altra ?V de?Nissan?en??998?[?.??.? Chapitre ? ?TAT D? L"ART D?S ?NV?RT?SS?URS DANS L?S V???CUL?S ?L?CTR?QU?S ?

Plomb??i-Cd??i-???Z?BRA??ithium?

phosphate? ?i-ion??ithium? polym?re? ?nergie? sp?cifique? (Wh/kg)? ?0-?0? ??-80? ?0 -??0? ??0? ??0 -??0? ??0 -?90? ??0 -?90?

Densit??

d"?nergie? (Wh/litre)?? 7? -??0?

80-??0?

??0 -??0? ?80? ?90 -??0? ??0 -??0? ??0 -??0?

Puissance?en?

pointe?(W/kg)?? ?usqu"??

700????usqu"??900??

?00? ?usqu"??

800???usqu"????00???usqu"????0?

?ombre?de? cycles1? ?00-? ?00 ??00 ?000? ??00?? 800?
>??000?? ?00 -?000? ?00-?00?

Autod?charge?

par?mois? ??% ?0 % ?0 % ??% par jour ? % ?0 % ?0 %

Tension?

nominale? d"un??l?ment ? V ??? V ??? V ??? V ??? V ???V ??7V ?amme?de? temp?rature? de? fonctionnement ? ?0?C ?0?C ? ?0?C ?0?C ? ?0?C ?0?C ? ?0?C ?0?C ?0?C ? ???C ?charge) ??0?C ? ?0?C ?d?charge) ?0?C ?0?C 0?C ?0?C

Avantages

?aible co?t ?iabilit??

Performance

froid? Tr?s bonne densit? ?nerg?tique bonne densit? ?nerg?tique? bonne cyclabilit?

Tr?s bonne

densit? d"?nergie? s?curit?? co?t? cyclabilit? ?xcellente ?nergie et puissance Batteries minces possibles ?nconv?nients ?aible ?nergie? mort subite

Relativem?

ement bassequotesdbs_dbs10.pdfusesText_16

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