IBTSS-05-OMM
Régulation du courant de batterie
Introduction
Ce projet traite de la réalisation et de la régulation d’un prototype de convertisseur DC/DC bidirectionnel servant à la charge de batterie de véhicule électrique.
Ce convertisseur prélèvera son énergie à partir du bus 700V d’un réseau de distribution à courant continu présent à l’HES‐SO.
L’infrastructure de ce réseau, situé au laboratoire « GridLab », est en pleine expansion et plusieurs projets, en lien à celui‐ci, sont en cours de réalisation.
Il s’agit donc de dimensionner, simuler, puis réaliser un premier prototype de chargeur, en vue de compléter cette infrastructure.
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.
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.
Chargeur rapide pour véhicule électrique
Etude d’une courbe de charge typique de batterie Li‐ion
La recharge d’une batterie Li‐ion se fait en deux étapes :
1. On fournit un courant constant et limité à la batterie. La tension de celle‐ci augmente alors progressivement. Une fois un seuil de tension atteint, on passe à la deuxième phase.
2. On applique alors une tension constante et stable sur la batterie. Le courant diminue progressivement. Une fois que ce courant passe en dessous d’un seuil, il faut arrêter la
charge.
Détermination de la topologie de conversion
En fonction des spécificités définies au chapitre 2.2, plusieurs topologies de base de conversion peuvent être intéressantes. Sur le vaste ensemble des convertisseurs continu/continu, beaucoup de topologies ne satisfont pas les critères de bidirectionnalité et de séparation galvanique.
Après recherche dans les littératures [3][4][5][6], trois structures de base semblent convenir pour le chargeur ; Le DAB (Dual Active Bridge), le SRC (Series Resonant Converter) et le DHB (Dual Half Bridge).
Conception
Une fois la topologie de base définie, celle‐ci et le principe de régulation qui lui est attribuée peut être étudiés de manière plus approfondie, puis simulés avant de dimensionner le prototype.
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.
Chargeur rapide pour véhicule électrique
Etude de la régulation
La topologie « DAB » possède un nombre de variables d’états non négligeable, ce qui fait de celle‐ci une structure relativement complexe à réguler. Cependant, comme elle est composée de quatre bras de semi‐conducteurs, celle‐ci possède plusieurs degrés de liberté.
En effet le rapport cyclique et le déphasage entre la commande des bras d’un même pont peuvent être pilotés indépendamment.
Chaque pont possède donc deux degrés de liberté, sans compter le déphasage de la commande entre les ponts. Cela fait donc au total cinq variables de réglage.
Diagramme « EMR »
Avant de déterminer le diagramme « EMR », il faut d’abord définir le but des régulations à mettre en oeuvre.
La structure est utilisée afin de fournir ou prélever de l’énergie à la batterie. Pour ce faire il faut assurer la valeur du courant circulant dans cette dernière. Il faut donc une régulation pour gérer ce courant de batterie.
En outre un transformateur est présent dans la structure. Ces éléments sont délicats car si le courant magnétisant circulant dans ceux‐ci devient trop élevé, une saturation du flux magnétique apparait.
Cela aurait pour conséquence de placer le convertisseur dans un état non désirable et le bon fonctionnement de celui‐ci ne serait plus assuré.
Il faut par conséquent une deuxième régulation capable de conserver la valeur moyenne du courant magnétisant proche de zéro.
Ces deux régulations vont permettre de contrôler la valeur moyenne des courants, en aucun cas celles‐ci seront capables d’éliminer les ondulations de courants dues aux commutations.
Validation
Afin de valider ce qui a été énoncé de manière théorique jusqu’à maintenant, telle que l’allure des signaux en fonctions des paramètres choisis, et de tester le comportement de la régulation face à un modèle plus proche de la réalité, plusieurs simulations sont réalisées avec le logiciel « Plecs ».
Le premier circuit simulé ne comprend que la structure de base du convertisseur « DAB » avec les paramètres définis jusqu’alors. Celle‐ci est d’abord pilotée en boucle ouverte afin de tester la validité du dimensionnement des paramètres.
Ensuite les boucles de régulation sont ajoutées pour contrôler le comportement du convertisseur face à celle‐ci.
Finalement certaines non‐idéalités sont rajoutées pour étudier les effets ce ces dernières sur la structure. Le logiciel « Plecs » offre la possibilité d’ajouter des propriétés thermiques pour certains composants et d’intégrer des modèles pour les refroidisseurs. Ainsi, et même si ces modèles ne sont pas parfaits, l’élévation de température des semi‐conducteurs peut être observée par simulation.
Conclusion
Ce projet traitait de la réalisation et de la régulation d’un prototype de convertisseur DC/DC bidirectionnel servant à la charge de batterie de véhicule électrique.
Au cours de l’étude préliminaire, les spécifications furent finalisées. En fonction de celles ci, la structure bidirectionnelle avec séparation galvanique « Dual Active Bridge (DAB)» a été choisie comme topologie de base de conversion.
Cette topologie fût analysée en détails et une série d’équations la caractérisant furent déterminées. Dans un même temps, plusieurs régulations furent dimensionnées sur le principe de régulation « IBC ».
Afin de confirmer le principe de régulation et de valider les équations, plusieurs simulations « Plecs » furent réalisées. Une fois cela fait, le dimensionnement du prototype et différentes programmations (du DSP, de la CPLD et de l’interface de commande) ont été réalisés.
La carte de contrôle fût testée à l’aide de simulations « HIL » avant de l’opposer au prototype.
Finalement, une fois toutes ces étapes validées, le premier prototype de convertisseur fût réalisé sur la base de module de conversion « N3PR ».
Bien que ce prototype fût testé et que le principe de conversion fût validé expérimentalement, les essais en boucle fermée à puissance nominale n’ont pas été effectués.
Par la suite, un convertisseur plus puissant pouvant satisfaire la charge rapide de batterie de véhicule électrique, pourra être dimensionné et réalisé sur la base des résultats de ce travail de diplôme.
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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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