Electrification véhicules ; Apport des convertisseurs multicellulaires

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CONTRAINTES LIEES AU DOMAINE DES TRANSPORTS ET BESOINS D’ELECTRIFICATION

Les moyens de transports sont soumis à de fortes contraintes réglementaires afin de réduire les émissions polluantes et préserver l’environnement. A cela s’ajoute des contraintes de compétitivité en termes de coût (conception, production et maintenance) et de performances (compacité, masse, consommation, fiabilité, confort,…)[AgDe13, Chan07, KBBM10, LuEm02].
L’électrification des systèmes d’actionnement et de propulsion appuyée par des processus, des méthodologies et des outils de développement adéquats est l’une des solutions les plus prometteuses permettant de satisfaire l’essentiel de ces contraintes.
Cette électrification se traduit par une augmentation de l’énergie électrique embarquée au sein des véhicules. La figure I.1 fournit quelques ordres de grandeurs de la puissance électrique embarquée dans des véhicules électriques et hybrides en fonction des niveaux et des technologies d’électrification de la chaîne de propulsion (micro-hybride, semi hybride, hybride complet et hybride rechargeable)[Laro13, Tamo07].
L’utilisation et la gestion de l’énergie électrique embarquée dans ces moyens de transports font appel à des chaînes de conversion et d’actionnement mécatroniques caractérisées par une collaboration étroite entre l’électrotechnique/l’électronique de puissance, la commande/ l’électronique embarquée et la mécanique. Il est donc indispensable de mettre en place de nouvelles méthodologies dans le processus de conception pour faire face à ce challenge et pouvoir lever le maximum de risques d’intégration dès les premières phases de conception.

SYSTEMES DE PUISSANCE EMBARQUES AUTOMOBILES

Les véhicules électriques ou hybrides sont en continuelle évolution, les principales innovations liées à ces véhicules au-delà de celles réalisées dans la chaîne de traction et des systèmes de stockage d’énergie, résident dans la conception optimale des différents sous-systèmes mécatroniques. La conception est en lien direct avec le fonctionnement de ces auxiliaires du véhicule en pleine évolution, poussée par les besoins sociétaux en termes d’environnement et d’efficacité énergétique [Hori14].
Cette partie présente des architectures électriques de véhicules existantes et qui évolues avec l’électrification du véhicule. En effet, le choix du niveau de tension du bus à bord du véhicule est une question stratégique pour le concepteur, ce dernier impacte directement le développement des systèmes auxiliaires assurant des fonctions autant importantes que le système de propulsion au sein du véhicule. Des exemples de fonctions électrifiées au sein du véhicule sont donnés pour expliquer le contexte de développement et des contraintes associées.

ARCHITECTURES DU RESEAU ELECTRIQUE EMBARQUE

La structure électrique à bord du véhicule fait transiter la puissance électrique entre les sources et les charges, le choix d’un niveau de tension à utiliser influe nettement sur les composants ainsi que le système de puissance à concevoir, cette problématique capitale pour les constructeurs et les équipementiers se traduit par un effort de développement à chaque changement de niveau de puissance. Actuellement chez les constructeurs automobiles on peut trouver différents niveaux de tension qui diffèrent d’un constructeur à un autre [EmLR08, EmWK06, GaEM05, Mehs00]. L’architecture électrique d’un véhicule électrique ou hybride est composée principalement de la partie traction faisant intervenir la source principale de stockage d’énergie embarquée et le moteur de traction. La gestion d’énergie du système global nécessite l’utilisation des convertisseurs d’électronique de puissance pour conditionner le flux d’énergie entre les différents constituants de la chaîne de conversion globale (figure I.2)[Bouc11, SaVG11].
FIGURE I.2 : COMPOSITION DE LA CHAINE DE TRACTION D’UN VEHICULE
A la partie traction du véhicule électrique ou hybride, s’ajoute tous les systèmes ou sous-systèmes [BCMW11, Burt03, ChSa12](communément appelés auxiliaires) qui remplissent différentes fonctions nécessaires au bon fonctionnement (performance et sécurité) du véhicule ainsi que l’assistance de direction, la climatisation et les fonctions de confort et de divertissement dans la partie habitacle.
Ces auxiliaires ont connu un développement et une forte progression avec l’électrification, en transformant les fonctions réalisées auparavant avec d’autres vecteurs énergétiques (hydraulique, mécanique) en fonctions électriques, parmi ces fonctions on peut citer le freinage, la suspension, la direction assistée … etc.
Dans la littérature scientifique et chez les constructeurs automobiles, différents niveaux de tension subsistent pour faire le lien entre les sources d’énergie et les charges [EmLR08, EmWK06]. Ces configurations et ces niveaux de puissance sont propres à chaque constructeur, mais des tendances générales se dégagent naturellement sur des catégories de niveaux pour optimiser la conception et permettre aux concepteurs de proposer des solutions normalisées et optimales.
En effet, parmi ces configurations on retrouve l’utilisation simultanée de deux niveaux sur deux réseaux distincts mais connectés, l’un de forte tension nécessaire pour lier la batterie haute tension à la traction du véhicule en évitant l’utilisation de plusieurs convertisseurs et limiter les pertes, ce réseau permet aussi d’alimenter des fonctions électriques de grande puissance telles que la climatisation. Le réseau secondaire est utilisé pour le reste des fonctions au sein du véhicule. Ce réseau, de faible tension peut être de 48V, 36V ou de 12V ou exceptionnellement de deux niveaux de faible tension. L’utilisation d’un tel réseau permet de remplir facilement les conditions de sécurité et d’utiliser directement des sous-systèmes conventionnels développés déjà éprouvés pour le véhicule standard.
Cela permet de réduire fortement l’effort de développement en favorisant l’utilisation des systèmes et des composants standard et d’améliorer les contraintes de sécurité. Par contre, ce réseau n’est pas compatible pour des applications de fortes puissances nécessitant de forts courants et induisant ainsi de fortes pertes dans le système.
La figure I.3 présente une architecture d’un véhicule avec deux bus haute et faible tension, chacun lié à sa batterie et alimentant des fonctions spécifiques[EmWK06].
Le réseau 48 V est fortement plébiscité pour augmenter le niveau de puissance embarqué et alimenter des fonctions de plus en plus gourmandes. En effet plusieurs études [ChRD02, DaFe06, EmLR08, EmWK06, ScDr04] ont proposé d’ajouter un réseau secondaire à 48V pour favoriser le recours à des composants standards et en même temps augmenter le niveau de puissance embarquée. La figure I.4 ci-dessous représente un exemple avec un réseau 48V et les autres bus de tension qui peuvent exister au sein d’un véhicule.

EXEMPLE D’UN RESEAU DE BORD AUTOMOBILE

Le réseau de bord automobile (RBA) sert à alimenter les fonctions nécessaires à la conduite et à la sécurité comportant le tableau de bord et toutes les autres fonctions de divertissement et de confort. Le convertisseur alimentant ce réseau de bord doit répondre à certaines contraintes fortes en termes de densité de puissance sous faible tension [EmLR08](la plupart des fonctions conventionnelles sont alimentées sous 14V)
Ce réseau est caractérisé par de fortes variations de la demande en puissance, selon les besoins des utilisateurs (charges alimentées dépendantes des usages), d’autres fonctions sont alimentées en continu avec une forte criticité pour la sécurité et le bon fonctionnement des passagers.
Les systèmes alimentés par ce réseau de bord se situent généralement dans le compartiment habitacle, parmi les fonctions qu’on peut citer :
– Instrumentation du tableau de bord
– Eclairage partie habitacle
– Sièges électriques
– Vitres électriques
– Système audio et vidéo
– Ventilation
– …….etc

EXEMPLE DE LA DIRECTION ASSISTEE ELECTRIQUE

La Direction à Assistance Electrique (DAE) se développe depuis une trentaine d’années grâce aux progrès de la mécatronique. Elle remplace les assistances hydrauliques (DAH) apparues très tôt sur les véhicules industriels et les gros engins pour réduire l’effort à fournir lors d’une manœuvre de la direction en accompagnant les gestes du conducteur (assistance au conducteur). La DAE constitue une étape vers la suppression à terme de toute liaison mécanique (colonne) entre le conducteur et les roues au profit d’une liaison complètement électrique appelée Steer By Wire (SBW) [AWLY12, BlTh06, RoUE03]
Un système de direction assistée électrique est constitué de plusieurs éléments (figure I.5 ) dont le moteur électromécanique et son alimentation par un convertisseur de puissance. La commande de ce système fait appel aux différents capteurs sur le volant et sur la crémaillère liée aux roues. Comparée aux assistances hydrauliques, la DAE permet de supprimer les fluides et les pièces qui s’y rattachent, telles que la pompe d’assistance et les canalisations ainsi que la courroie et la poulie, ce qui donne des gains en masse, volume et maintenance.
Sur le marché, il existe plusieurs types d’assistance de direction, la différence principale vient de l’emplacement du moteur d’assistance et du niveau d’assistance à apporter au conducteur [Gasc04]:
• DAE intégrée au niveau de la colonne de direction (figure I.6).
Le moteur d’assistance agit sur la colonne de direction via un réducteur à roue et vis sans fin.
FIGURE I.6 : DAE INTEGREE AU NIVEAU DE LA COLONNE DE DIRECTION
• DAE intégrée sur les pignons de la crémaillère (figure I.7).
FIGURE I.7 : DAE INTEGREE SUR LES PIGNONS DE LA CREMAILLERE
• DAE intégrée au niveau de la crémaillère (figure I.8).
Le moteur d’assistance est situé directement sur la crémaillère :
FIGURE I.8 : DAE INTEGREE AU NIVEAU DE LA CREMAILLERE
• DAE complètement électrique (Steer by wire) :
Dans cette catégorie, on retrouve les architectures précédentes d’assistance à la direction, par contre le lien mécanique entre le volant et la crémaillère est rompu au bénéfice d’une liaison électrique, à l’aide de capteurs et d’actionneurs. La colonne de direction se retrouve éliminée permettant ainsi un gain supplémentaire sur le volume et l’encombrement.
Dans un marché concurrentiel, les industriels de l’automobile améliorent sans cesse les prestations en développant des voitures plus performantes et plus fiables. De ce fait, la direction assistée électrique est aussi soumise à des contraintes, notamment mécaniques de part des efforts transmis entre la roue et le volant ou bien électriques liées à une demande plus importante en énergie pour exercer certaines manœuvres.

Table des matières

Introduction Générale
I. Chapitre I : Electrification véhicules ; Apport des convertisseurs multicellulaires
1.1 Introduction
1.2 Contraintes liées au domaine des transports et besoins d’électrification
1.2.1 Systèmes de puissance embarqués automobiles
1.2.2 Architectures du réseau électrique embarqué
1.2.3 Exemple d’un réseau de bord automobile
1.2.4 Exemple de la direction assistée électrique
1.3 Conception des systèmes mécatroniques
1.3.1 Chaîne mécatronique type
1.3.2 Définitions liées au processus de conception mécatronique
1.3.3 Besoins en termes de méthodologies de conception de systèmes d’actionnement mécatroniques embarques
1.4 Conception des convertisseurs statiques embarqués
1.4.1 Approche de conception par simulation
1.4.2 Approche de conception par optimisation
1.5 Topologies de convertisseurs statiques
1.5.1 Structures de conversion DC-DC
1.5.2 Les convertisseurs multicellulaires
1.5.3 Le convertisseur Buck entrelacé
1.6 Conclusion
II. Chapitre II : Conception par optimisation sous contraintes multi-physiques de convertisseurs statiques multicellulaires
2.1 Introduction
2.2 Méthodologie de conception par optimisation
2.2.1 Présentation de la démarche d’optimisation
2.2.2 Modélisation en vue du pré-dimensionnement multi-niveau de convertisseurs statiques
2.2.3 Algorithmes d’optimisation
2.3 Adaptation de la méthodologie de pré-dimensionnement
2.3.1 Support de l’étude : convertisseur Buck entrelacé
2.3.2 Modélisation multi-physique des contraintes considérées
2.4 Intégration dans l’optimisation
2.5 Résultats de pré-dimensionnement par optimisation
2.5.1 Résultats d’optimisation mono-objectif du volume sous contraintes électriques, thermiques et de rendement
2.5.2 Résultats d’optimisation sous contrainte de compatibilité électromagnétique (CEM)
2.5.3 Résultats d’optimisation multi-objectif du volume et du rendement
2.5.4 Résultats d’optimisation avec la reconfiguration du convertisseur
2.6 Conclusion
III. Chapitre III : Fiabilisation par conception de convertisseurs multicellulaires embarqués
3.1 Introduction
3.2 Définitions et métriques liées à la fiabilité
3.3 Fiabilité d’un convertisseur de puissance
3.3.1 Contraintes physiques et mécanismes de défaillance
3.4 Méthodologies d’estimation de la fiabilité prévisionnelle
3.4.1 Recueils de fiabilité
3.4.2 Méthode basée sur les tests accélérés
3.4.3 Comparaison des méthodes d’estimation de la fiabilité
3.5 Intégration de la fiabilité dans une méthodologie de conception
3.5.1 Cahier des charges
3.5.2 Profils de missions
3.5.3 Modèles électrothermiques
3.5.4 Comptage des cycles/Transposition des profil de mission
3.5.5 Synthèse des étapes d’évaluation de la fiabilité
3.6 Résultats d’évaluation de la fiabilité
3.6.1 Fiabilité selon les données des tests accélérés
3.6.2 Fiabilité selon un recueil
3.6.3 Intégration de la fiabilité du convertisseur dans la méthodologie de conception par optimisation
3.7 Conclusion
IV. Chapitre IV : Fiabilisation par tolérance aux défauts des convertisseurs multicellulaires embarques
4.1 Introduction
4.2 Modélisation et commande des hacheurs Buck entrelacés
4.2.1 Modélisation en vue de la commande
4.2.2 Synthèse de la commande
4.2.3 Résultats de simulation
4.3 Commande tolérante aux défauts
4.3.1 Principe
4.3.2 Résultats de simulation
4.4 Validation expérimentale
4.1.2 Mode de fonctionnement sain
4.4.1 Mode de fonctionnement dégradé
4.5 Conclusion
Conclusion Générale
Perspectives
Production scientifique
Bibliographie
Annexes I
Annexes II
Annexes III

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