Soutenance mémoire
Cahier des charges
Description de l’installation
L’équipement actuel du micro‐réseau à courant‐continu, ainsi que le sujet du travail de diplôme et les futurs développements prévus, peuvent être schématisés selon la figure 1. Dans l’état actuel, ce réseau est composé d’un bus de tension de 700VDC, sur lequel plusieurs convertisseurs sont branchés, servant à l’interfaçage des équipements. Une installation de panneaux photovoltaïques, située sur le toit de l’école, permet d’alimenter le micro‐réseau en énergie, lorsque l’ensoleillement le permet. Cette énergie peut être stockée à l’aide de plusieurs batteries servant ainsi de buffer. Un convertisseur AC/DC de 10kW permet la connexion entre le micro‐réseau continu et le réseau de distribution alternatif de l’école. Celui‐ci a deux fonctions principales. Premièrement, il sert à injecter sur le réseau de distribution le surplus d’énergie produit par les cellules photovoltaïques. Deuxièmement étant bidirectionnel, il permet d’alimenter le micro réseau lorsque l’on consomme plus d’énergie que ce que les panneaux solaires peuvent fournir.
Spécificités du convertisseur
Toutes les spécificités du chargeur de batterie, comme la tension de sortie par exemple, ne sont pas clairement définies au début du projet. Certains paramètres doivent donc être rapidement déterminés en fonction de différents critères. Ces derniers sont les suivants :
• Le convertisseur doit prendre l’énergie du bus 700VDC pour satisfaire la charge du plus grand nombre de batteries Li‐Ion standards de voiture.
• La bidirectionnalité du chargeur doit être prévue afin d’expérimenter le transfert d’énergie dit « V2G » (vehicle to grid).
• Le convertisseur contiendra, si possible, un transformateur de type planaire servant d’isolation galvanique. A savoir que le choix de ce type de transformateur relève plus d’un intérêt d’étude que d’une réelle nécessité, car les caractéristiques de celui‐ci semblent prometteuses.
• Les éléments de base du convertisseur pourront être soit :
o conçus à l’aide d’équipements déjà existants au laboratoire d’électronique industrielle
o issus de certaines entreprises partenaires du projet, comme « Imperix SA » par exemple.
Tâches et objectifs du projet
Il s’agit de concevoir et réaliser un prototype de chargeur de batterie de véhicule électrique respectant les critères mentionnés au chapitre précédent. Dans un premier temps, une courte étude des batteries standards du marché ainsi qu’une entrevue des normes régissant ce genre de chargeur seront faites. Ceci afin de définir une bonne topologie de conversion pouvant satisfaire la recharge du plus grand nombre de batteries. Une fois la topologie choisie, il va falloir dimensionner le système, puis concevoir la partie puissance à l’aide de simulations. Ensuite le prototype de chargeur et la programmation de la carte de contrôle seront réalisés. Etant donné que le travail de diplôme porte sur la conception d’un prototype, et non d’un produit fini, les tests et mesures ne pourront pas être effectués sur une voiture commercialisée. De ce fait, et ce durant le projet, un banc d’essai doit être conçu permettant l’exécution de ces différents tests.
Spécification
Etude de marché sur les batteries de voitures électriques
L’office fédéral de l’énergie (OFEN) tient à jour une statistique liée aux différentes motorisations des voitures neuves. Cette statistique peut être utilisée afin de déterminer les voitures électriques les plus prisées de Suisse.
Etude de la topologie
Généralités de la structure
La topologie retenue pour réaliser le premier prototype du chargeur de batterie est le « Dual active bridge ». Concrètement, ce convertisseur comprend deux ponts complets de semi‐conducteurs placés de part et d’autres d’un transformateur. Ce dernier permet d’assurer la séparation galvanique du circuit. Le fait d’avoir un pont actif en sortie, et non un pont redresseur à diodes par exemple, donne l’avantage de la bidirectionnalité du flux de puissance. Un des éléments centraux de cette topologie est l’inductance dite « additionnelle » branchée en série au transformateur.
Allure des signaux
Dans un premier temps, tous les composants sont considérés idéaux, la tension de la capacité CH est supposée identique à UGrid et sans ondulations, de même pour la tension de CL avec UBatt. La tension de batterie peut aller de 300V à 400V selon le niveau de charge de celle‐ci. La tension maximale est retenue pour les calculs et le dimensionnement, car elle correspond au point de fonctionnement le plus critique pour les composants. Idéalement les ponts sont commandés de manière rectangulaire avec un rapport cyclique de 50% et un temps mort le plus petit possible. Comme expliqué précédemment, les deux commandes peuvent être déphasées afin de transférer une puissance plus ou moins élevée. En fonction des états des semi‐conducteurs S1 à S4, la tension UHac peut donc valoir +UH ou ‐UH, soit +700V ou ‐700V. En appliquant le principe similaire avec les semi‐conducteurs S1’ à S4’, la tension ULac peut valoir ±UL, soit ±400V. On peut voir ci‐dessous l’allure de ces tensions, sans considérer les temps morts. La période de commutation est représentée par la lettre « T ».
Choix des paramètres
Dans la plupart des cas de dimensionnement, on détermine le point de fonctionnement du système et son objectif, par exemple la puissance à transférer, pour en déduire les principaux paramètres et contraintes. Cependant, dans le cas de ce premier prototype, la plupart des composants sont déjà existants, étant donné qu’il s’agit de reprendre une structure et de l’adapter. Cette structure, déjà citée, est le « New Tripower Rack » ou « N3PR » et a été développée au laboratoire d’électronique de l’HES‐SO. Celle‐ci est un convertisseur AC‐DC utilisé comme un onduleur triphasé avec une puissance pouvant s’élever à 5kW. La topologie de ce convertisseur est basée sur trois bras de semi‐ conducteurs de type « SIC Cascode» et possède un étage de condensateurs (électrolytique aluminium). Le choix de ce convertisseur, entant que structure de base, s’est porté sur plusieurs critères. D’une part les niveaux de tension pour le bus DC du N3PR (700VDC) correspondent à la présente application, par conséquent les composants sont capables de supporter les contraintes en tension. D’autre part cette structure est connue, testée et fonctionnelle. L’objectif est donc d’utiliser les éléments de cette infrastructure de manière à pouvoir en tirer un maximum de puissance pour satisfaire l’application tout en respectant les contraintes maximales de chaque composants.
Concrètement, deux « N3PR » vont être utilisés. L’un deux sera placé du côté « haute tension » du convertisseur et l’autre du côté « basse tension ». Quatre semi conducteurs de chaque carte seront pilotés et correspondent aux interrupteurs S1 à S4 du côté haut et S1’ à S4’ du côté bas. Les étages de condensateurs seront branchés de manière à correspondre à « CH » et « CL ». Le transformateur et les inductances ne sont pas présents et vont devoir être dimensionnés et, par la suite, commandés ou réalisés .
D’après ces équations, trois paramètres interviennent pour fixer les valeurs de courant maximum :
• Le rapport de transformation « n »
• La fréquence de commutation des semi‐conducteurs « fs »
• L’inductance totale « Ltot » idéalisée par l’inductance additionnelle « Ladd » lorsque les inductances de fuite sont négligées .
Comme ces trois paramètres sont au dénominateur des équations, ils réagissent tous de la même manière. Si leur valeur augmente, les ondulations de courants diminuent, tout comme le courant de batterie. Le premier des paramètres fixé est le rapport de transformation. Celui‐ci est défini pour avoir des contraintes en courant similaires sur les composants du côté basse‐tension comme sur ceux du côté haute tension, car ces composants sont identiques. Selon ce principe, et en négligeant le courant magnétisant, un rapport de transformation de 1 semble adapté. En effet, les contraintes en courant du côté haute‐tension sont proportionnelles au courant primaire et ceux du côté basse‐tension au courant secondaire. Prendre un rapport de transformation unitaire simplifie aussi la plupart des équations. Plusieurs éléments entre en compte pour déterminer la fréquence de commutation des semi‐ conducteurs. Si cette fréquence est trop basse, les commutations s’entendraient et le bruit serait désagréable. Cela définit une limite inférieure. Au contraire, si cette fréquence est trop élevée, le microcontrôleur n’aurait plus assez de temps pour ses calculs entre deux échantillonnages, ce qui diminuerait la qualité de la régulation. Une fréquence élevée provoque plus de pertes par commutation car celles‐ci sont proportionnelles à cette fréquence. La taille du transformateur intervient aussi dans le choix de la fréquence de commutation. En effet, pour une même inductance magnétisante, l’ondulation du courant magnétisant diminue lorsque la fréquence . Le flux magnétique est alors réduit et la taille du noyau magnétique peut être diminuée. Avec toutes ces considérations, la fréquence de commutation est initialement fixée à 20kHz, cette même fréquence est utilisée pour le pilotage actuel des modules N3PR. Une fois ces deux paramètres fixés, le choix de la valeur de l’inductance additionnelle définira le courant maximal sur la batterie et donc la puissance maximale du convertisseur. Il faut, pour effectuer ce choix, déterminer l’influence de cette valeur sur les contraintes en courant dans les éléments limitants.
Toutes ces valeurs sont calculées lorsque le déphasage vaut 90°, c’est‐à‐dire lorsque les contraintes sont les plus élevées. Si ce déphasage diminue ces valeurs sont aussi diminuées. En comparant les équations (22), (23) et (27), on constate qu’en régime établi la valeur efficace du courant des condensateurs côté basse tension est plus faible que la valeur nominale. Par contre en régime transitoire, la valeur peut devenir 1.3 fois plus élevée que nominal. Ce dépassement n’est pas vraiment problématique car, comme mentionné précédemment, lorsque les condensateurs fonctionnent à une température plus basse que 105°C, ceux‐ci supportent de plus grande ondulations de courant. Avec l’inductance additionnelle choisie de 875µH, la valeur efficace des courants circulant dans les semi conducteurs n’atteignent pas les contraintes maximales données dans les fiches techniques. En effet, la valeur efficace du courant « ILadd » vaut au maximum 12A. C’est ce même courant qui circule dans les semi‐conducteurs du côté basse tension. Comme une commande rectangulaire avec un rapport cyclique de 50% est utilisée, chaque semi‐conducteur conduit la moitié du temps, par conséquent la valeur efficace du courant dans ceux‐ci est plus basse que 12A. Les semi‐conducteurs utilisés sur les modules N3PR sont de type « SIC Cascode » de la marque « United Silicon Carbide » avec le numéro d’article « UJC1210K ». D’après les spécificités de ceux‐ci la valeur continue du courant qu’ils peuvent supporter est de 21.5A lorsque la température de boitier est de 25°C et de 14A pour une température de 100°C. Les contraintes des courants circulants dans les semi‐ conducteurs n’est donc pas limitant par rapport aux ondulations de courants des condensateurs. Toutes ces contraintes sont calculées pour les éléments du côté basse‐tension. Du côté haute‐ tension les contraintes en courant sont proportionnelles au courant primaire du transformateur. Ce courant étant la somme du courant secondaire et du courant magnétisant (voir équation (13)), les contraintes du côté haute‐tension seront plus élevées que ceux du côté basse‐tension. Il faut donc limiter le courant magnétisant, c’est‐à‐dire avoir une inductance magnétisante élevée.
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Table des matières
1 Introduction
2 Cahier des charges
2.1 Description de l’installation
2.2 Spécificités du convertisseur
2.3 Tâches et objectifs du projet
3 Spécification
3.1 Etude de marché sur les batteries de voitures électriques
3.2 Etude d’une courbe de charge typique de batterie Li‐ion
3.3 Détermination de la topologie de conversion
4 Conception
4.1 Etude de la topologie
4.1.1 Généralités de la structure
4.1.2 Allure des signaux
4.2 Choix des paramètres
4.3 Etude de la régulation
4.3.1 Diagramme « EMR »
4.3.2 Régulation du courant de batterie
4.3.3 Régulation du courant magnétisant
4.4 Etude sur la mise en marche et l’arrêt du convertisseur
5 Validation
5.1 Simulation du convertisseur en boucle ouverte
5.2 Simulation du convertisseur en boucle fermée
5.3 Simulation du convertisseur avec non‐idéalités
5.4 Simulation du convertisseur avec modèle thermique
6 Intégration
6.1 Dimensionnement et réalisation des composants
6.2 Programmation de la carte de contrôle
6.2.1 Généralité du programme
6.2.2 La programmation de la « CPLD »
6.2.3 L’interface utilisateur « DSP Control Center »
6.3 Emulation « HIL » du convertisseur
6.3.1 Emulation en boucle ouverte
6.3.2 Emulation en boucle fermée
7 Vérification expérimentale
8 Conclusion
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