Soutenance mémoire
Cahier des charges
Le présent cahier des charges se concentre sur le chargeur DC/DC pour l’interfaçage d’une source d’énergie (batterie, panneaux photovoltaïques) avec le bus continu du système, soit la batterie de stockage intermédiaire.
Description
Dans le cadre d’une collaboration avec un partenaire industriel, le Laboratoire d’Electronique Industrielle (EoI) est en charge de réaliser un dispositif d’alimentation afin de connecter un système d’imagerie médicale (Radiographie) à un réseau électrique monophasé basse tension. Le but est de garantir la fonctionnalité et l’autonomie du système grâce à des éléments d’accumulation d’énergie et cela indépendamment de l’état du réseau (même en l’absence de tension réseau pour une durée déterminée). Un bus batterie (DC) intermédiaire permet de découpler le réseau du système d’imagerie médicale. Afin de charger la batterie connectée au bus, deux chargeurs sont utilisés : le premier permet la recharge de la batterie grâce au réseau (AC/DC) et le second (DC/DC) doit être réalisé afin de permettre l’utilisation d’une autre source d’énergie de type continue. Ce projet se concentre sur le deuxième type de convertisseur (DC/DC).
Les sources d’énergie sont principalement de trois types différents :
♦ Bus continu (DC) d’une installation photovoltaïque
♦ Installation photovoltaïque directe
♦ Batterie auxiliaire .
La commande ainsi que la régulation du chargeur sont réalisées grâce à un processeur de signal numérique (DSP – Digital Signal Processor) qui contrôle le système de manière globale. Le chargement de la batterie sur le bus continu peut être effectué par le chargeur AC/DC et/ou par le chargeur DC/DC. Un algorithme de contrôle du système complet (chargeur AC/DC et DC/DC) doit permettre de contrôler les deux convertisseurs mais ne fait pas l’objet de ce projet.
Spécifications et contraintes
Les spécifications concernant le chargeur DC/DC sont :
● Plage de tension de la source d’énergie : 12. .48[?] (La plage pouvant être réduite à 24. .48[?] si la première est trop ambitieuse).
● Sources de type différentes : Bus continu de panneaux PVs, panneaux PVs en liaison directe, batterie auxiliaire.
● Tension du bus continu : 48[?].
● Capacité de la batterie sur le bus continu : 20[?ℎ].
Les contraintes à respecter sont les suivantes :
● Topologie abaisseur/élévateur.
● Convertisseur monodirectionnel.
● Séparation galvanique par le biais d’un transformateur travaillant à haute fréquence pour la diminution de volume. Optimisation du chargement de la batterie sur le bus continu au détriment du MPPT de la source d’énergie : si la puissance demandée par la batterie est plus grande que la puissance maximale disponible par les panneaux solaires, le MPPT est réalisé sinon la puissance prélevée sera diminuée afin de respecter l’optimisation du chargement de la batterie (ce point ne sera pas implémenté dans ce projet.).
● Gestion de la commande et régulation par un organe central (DSP).
● Sécurité software pour l’enclenchement et le déclenchement du chargeur (contrôlé par le DSP).
Tâches à réaliser
Voici les tâches principales devant être réalisées :
◆ Définition de la topologie du chargeur DC/DC :
o Définir une stratégie pour réduire le coût du convertisseur (topologie minimale nécessaire), obtenir un rendement maximal et charger la batterie de manière optimale (contrôle du courant de charge).
o Choix de la topologie selon les critères à respecter (cf. Spécifications et contraintes).
◆ Dimensionnement de la partie puissance :
o A l’aide d’un logiciel de simulation (« Simplorer ») :
◆ Mise en équations du sous-système.
◆ Calcul des valeurs d’inductances, condensateurs et du transformateur (contrôle à l’aide de simulations).
◆ Stratégie de commande et de régulation (tension et courant de sortie, contrôle de la puissance prélevée).
◆ Machine d’état pour les mises sous/hors tension ainsi que les modes de fonctionnement (via le DSP).
◆ Choix des fréquences de commutations.
◆ Calcul des valeurs de tension et courants sur les éléments (contrôle à l’aide de simulations).
o A l’aide d’un logiciel de simulation en temps réel (« Typhoon HIL ») :
◆ Contrôle du fonctionnement du code (DSP), formes d’ondes.
◆ Choix des composants et conception du/des PCBs :
o Recherche de composants répondants aux critères définis dans les tâches précédentes.
o Calcul des pertes pour identifier le rendement (et simulations pour le contrôle des calculs) : dans un premier temps avec les valeurs de composants usuels (approximation) puis avec les valeurs des composants commandés.
o Schémas électriques
o Conception du/des PBCs à l’aide d’un logiciel de routage (« Altium Designer »).
o Dimensionnement du dissipateur thermique et contrôle de sa température.
◆ Tests et mesures :
o Etablissement d’un protocole de test afin de vérifier le bon fonctionnement du dispositif.
o Mesures sur un banc d’essai si le temps le permet.
Régulation du dispositif
La régulation permet de contrôler deux paramètres du dispositif :
1. Le courant de sortie : le chargement de la batterie peut alors est contrôlée de manière précise.
2. Le courant magnétisant du transformateur : il est nécessaire de garantir un courant magnétisant moyen nul afin d’éviter la saturation du noyau magnétique.
Un schéma de principe permet de visualiser le dispositif ainsi que les boucles de régulations qui y sont attachées. Ensuite chaque régulation est analysée de manière indépendante moyennant la mise en équation, la simulation de la boucle de réglage afin de déterminer le type et les paramètres de chaque régulateur. La régulation se concentre sur les valeurs moyennes du système.
La topologie est divisée en étapes de transformation. La tension appliquée au transformateur agit sur deux paramètres distincts : le courant de sortie et le courant magnétisant. C’est pourquoi le flux se sépare en deux branches parallèles. Les deux boucles de régulation sont représentées par la couleur bleue.
Le système dispose de deux degrés de liberté pour le contrôler :
1. Le déphasage entre les deux bras du pont complet, noté ?, qui permet de contrôler le courant de sortie du dispositif.
2. Le rapport cyclique de chaque bras du pont complet, noté ?? ?? ??, qui permet le contrôle du courant magnétisant du transformateur (les rapports cycliques varient autour de 0.5).
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Table des matières
1 Introduction
2 Cahier des charges
2.1 Introduction
2.2 Description
2.3 Objectifs
2.4 Schéma fonctionnel
2.5 Spécifications et contraintes
2.6 Tâches à réaliser
2.7 Planning prévisionnel
2.8 Remarques
3 Phase 1 : Spécification
3.1 Choix de la topologie
3.2 Première sélection
3.3 Deuxième sélection
3.4 Synthèse et décision sur la topologie
4 Phase 2 : Conception
4.1 Système en boucle ouverte
4.1.1 Equations liés à la topologie
4.1.2 Formes d’ondes
4.1.3 Dimensionnement des éléments principaux
4.1.4 Contrôle par simulation
4.1.5 Valeurs numériques
4.1.6 Modèles pour le calcul des pertes
4.2 Régulation du dispositif
4.2.1 Schéma de principe
4.2.2 Régulation du courant de sortie
4.2.3 Régulation du courant magnétisant
4.2.4 Codage de la régulation
4.3 Synthèse de la phase de conception
5 Phase 3 : Simulation
5.1 Boucle fermée
5.1.1 Régulation du courant de sortie
5.1.2 Régulation du courant magnétisant
5.1.3 Saut de tension en entrée du dispositif
6 Phase 4 : Intégration
6.1 Contraintes sur les composants
6.1.1 Diodes du redresseur
6.1.2 Interrupteurs
6.1.3 Inductance de sortie
6.1.4 Transformateur
6.1.5 Condensateur d’entrée
6.1.6 Capteur de courant
6.1.7 CPLD et autres composants actifs
6.2 Calcul des pertes
6.2.1 Diodes
6.2.2 Interrupteurs
6.2.3 Inductance
6.2.4 Transformateur
6.2.5 Rendement estimé
6.2.6 Dissipateur thermique
6.3 Schémas électriques
6.3.2 Routage
6.4 Codage et régulation
6.4.1 Codage du CPLD
6.4.2 Codage du DSP
6.5 Synthèse de la phase d’intégration
7 Phase 5 : Vérification
8 Conclusion
