Les convertisseurs dans le domaine de la traction automobile

État de l’art du véhicule électrique

Déploiement du Véhicule électrique

L’un des moyens de transports le plus répandu depuis des siècles maintenant est le véhicule automobile. Celui-ci est composé généralement d’une structure sur laquelle est installé un groupe moto propulseur composé essentiellement d’un moteur produisant l’énergie mécanique nécessaire au déplacement (Figure I-7). Le moteur de loin le plus employé à combustion interne communément appelé moteur thermique ou à explosion. En dépit d’un rendement médiocre, l’intérêt de cette solution est dans l’autonomie liée à l’énergie massique élevée du carburant et sa facilité pour le stockage. La sophistication des modèles de production de ces véhicules ainsi que la consommation de masse, sont autant de facteurs qui ont fait que l’automobile s’est rapidement imposée comme le principal moyen de déplacement notamment dans et entre les grandes agglomérations. En aout 2017 le nombre de véhicules thermiques toutes catégories confondues a dépassé la barre d’un milliard, avec 2,9 voitures produites et vendues chaque seconde dans le monde; on compte en France pas moins de 38 millions d’automobiles [1]. En 2015, les ventes de véhicules ont atteint 90,68 millions d’unités (89,7 en 2014), suite à l’arrivée de la Chine, devenue premier marché et producteur automobile mondial, devant les États-Unis, le Japon et l’Allemagne. Des études estiment que le parc automobile mondial devrait atteindre 3 milliards de voitures d’ici 2050 alimenté principalement (80%) par les économies en développement. Cette expansion de véhicules thermiques engendre des problématiques environnementales fortes notamment sur la qualité de l’air et le réchauffement climatique, avec des conséquences sociétales et géopolitiques non réfutables. Dans ce contexte, un nouveau cahier des charges doit être établi pour les véhicules du futur. Ceux-ci doivent être le moins polluant possible mais aussi moins énergivores. Face au véhicule à combustion, le véhicule électrique dit « zéro émission » à l’usage offre l’opportunité d’être alimenté par une énergie électrique qui peut être d’origine renouvelable et produite localement. Le véhicule électrique existait au début du 19ème siècle avant même le véhicule à combustion interne [2]. Les taxis parisiens étaient en 1898 électriques et se rechargeaient via une infrastructure d’échange de batterie ou dans des stations comme celles connues aujourd’hui sous le nom de « bornes de recharge publiques » (Figure I-1). L’autonomie de ces véhicules était entre 50 et 80 km avec des vitesses de déplacement inférieures à 40 km/h.

Avec 4000 exemplaires par jour et 16.5 millions d’exemplaires produits entre 1908 et 1927 à des couts réduits grâce à la maîtrise et à la sophistication des chaines de productions, la légendaire Ford T à combustion a propulsé les véhicules thermiques dans une nouvelle ère industrielle et sociétale et occasionné en même temps le déclin des véhicules électriques en circulation jusqu’à ne représenter qu’une part négligeable du parc automobile mondial de 1925. De 1959 jusqu’aux années 2000, de nouvelles tentatives de production de véhicules électriques ont été réalisées par l’entreprise Henry Kilowatt aux États Unis. Celles-ci n’ont pas connu le succès attendu, de même en France lorsqu’à cette époque-là, la Renault Elektro-Clio a été produite à 400 exemplaires, la Chevrolet EV1 à 1100 exemplaires et la Peugeot 106 électrique à 6400 exemplaires à comparer aux 2.8 millions d’exemplaires du même modèle à moteur thermique ! Les nombreux progrès réalisés sur les batteries Lithium-ion dans la décennie 2000 ont permis d’envisager à nouveau le VE comme une solution pertinente de mobilité. Dans ces véhicules électriques ou hybrides, le système de stockage d’énergie (SSE) est constitué d’un pack de batterie formé de plusieurs modules contenant plusieurs cellules unitaires connectées en série (pour plus de puissance) ou en parallèle (pour plus d’énergie)[3]. Actuellement, les VE atteignent des autonomies de 150 km et qui peuvent aller jusqu’à 500 km pour un modèle haut de gamme comme la Tesla S (250 km/h et le 0 à 100 km/h en 2.8 s).
– En 2010, apparaît le modèle Nissan LEAF équipée de batterie Lithium-ion. On retrouve la même technologie de batterie sur les Renault Zoe, Mitsubishi i-MiEV et Bolloré Bluecar (qui utilisent des batteries lithium métal polymère).

Les convertisseurs dans le domaine de la traction automobile

Dans le domaine de la traction électrique, le système de stockage fournit une tension utilisée non seulement pour propulser le véhicule mais aussi pour alimenter les différents systèmes de confort, d’assistance à la conduite et à la sécurité du véhicule et de ses occupants. Les organes qui assurent ces fonctionnalités fonctionnent souvent à l’électricité sans pour autant travailler aux tensions délivrées par la batterie principale du véhicule .

On trouve ainsi dans un véhicule principalement trois types de convertisseurs.
• Les convertisseurs AC-DC : redresseurs,
• Les convertisseurs DC-DC : hacheurs,
• Les convertisseurs DC-AC : onduleurs, généralement triphasés.

Nous nous plaçons dans le cas des modules de puissance des convertisseurs statiques qui assurent les fonctions de conversion d’énergie (AC/DC ou DC/AC) pour les applications moyennes et fortes puissances en général et dans le domaine du VE en particulier.

Deux grandes familles de transistors sont utilisées aujourd’hui dans ces convertisseurs : MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ou transistor à effet de champ à grille isolée) et IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor ou transistor bipolaire à grille isolée).

Le choix de ces composants dépend de plusieurs paramètres notamment les puissances et tensions ainsi que la fréquence à laquelle ils doivent commuter pour générer la forme du signal que l’application requiert.

Pour les applications automobiles, les MOSFET et IGBT à base de silicium sont principalement utilisés (Figure I-10). Dans ce domaine, la tension continue de la batterie est découpée à des fréquences allant de 5 à 20 kHz. Ce découpage est généralement réalisé par l’utilisation des lois de commande de type MLI (Modulation de largeur d’impulsion), commande par hystérésis, commande vectorielle, etc… De nouveaux matériaux émergent afin de remplacer le silicium : le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de Galium (GaN) [19]. Ces matériaux promettent des fréquences de commutation plus élevées, des pertes fortement réduites et des températures de fonctionnement plus élevées qui permettront des systèmes de refroidissement plus compact mais nécessiteront aussi une meilleure maîtrise de la CEM. Que ce soit les MOSFET-SiC ou IGBT-Si, les composants nécessaires pour assurer la fonction de conversion DC/AC se présentent sous la forme de modules. Le moteur de traction dans un VE est triphasé, ceci implique que la structure d’onduleur doit être composée d’au minimum six interrupteurs bidirectionnels en courant constitués par l’association d’un IGBT ou un MOSFET avec une diode anti-parallèle.

Le convertisseur de puissance dans la chaine de traction

Le module de puissance planaire

Le module de puissance constitue à lui seul environ 40 % du coût d’un système de conversion automobile [20][27]. Ainsi, même si un module remplit parfaitement le cahier des charges d’un point de vue technique, il se peut qu’il ne soit retenu de par son coût trop important. Celui-ci constitue un enjeu majeur pour les concepteurs et les exploitants du secteur automobile. Pour diminuer le coût de ces dispositifs, des efforts sont menés pour optimiser leur intégration, accroître la densité de puissance volumique d’une part et améliorer la fiabilité et les performances de conversion d’énergie d’autre part.

Cette partie définira le contexte et les objectifs de notre travail. Nous ne nous intéresserons qu’aux structures planaires ou 2D des modules de puissance. Ce mode d’intégration est très répandu et très utilisé dans les applications automobiles en raison notamment de la bonne maitrise des procédés de fabrication et des coûts de cette technologie. En nous appuyant sur un exemple, nous définirons les constituants des modules de puissance 2D, nous présenterons ses points forts et nous aborderons ses principaux points faibles. Description d’un module de puissance planaire – cas d’étude le module FS400 Les semiconducteurs de puissance utilisés dans un module de puissance sont des puces à structure verticale, de type VDMOS, IGBT et diodes de puissance. La spécificité de ces composants est leur fort calibre en courant, une faible chute de tension à l’état passant et une grande tenue en tension.

Table des matières

INTRODUCTION
I Cadre et objectifs du travail 
État de l’art du véhicule électrique
Le véhicule électrique d’aujourd’hui
La chaine de traction
Les convertisseurs dans le domaine de la traction automobile
Le convertisseur de puissance dans la chaine de traction
Contexte et axes de recherche
II Modélisation d’un module de puissance en vue du prototypage virtuel
Prototypage virtuel d’un module de puissance
Détermination des impédances parasites du convertisseur sélectionné
Modélisation des composants actifs – Simplorer®
Conclusion
III Exploitation de la simulation pour le prototypage virtuel
Etude de la commutation – Méthodologie de calcul adoptée
Performances à l’amorçage
Performances au blocage
Synthèse et conclusions
IV Vers une conception virtuelle qui maîtrise les surtensions : optimisation du découplage interne, du routage et de la résistance de grille
Vers la montée en tension sur le bus DC – Architecture à découplage intégré en vue de la réduction des surtensions
De l’analyse au prototypage virtuel d’un module de puissance – Le concept
Conclusion
V La conception inverse par algorithmes d’optimisation
La conception virtuelle par optimisation fonctionnelle
Optimisation sur plans d’expériences iso-puissances
L’outil d’aide à la conception
Vers l’hybridation du module de puissance à fonctions de découplage intégrées
Conclusion
VI Conclusion générale et perspectives
Conclusion générale
Perspectives
VII Annexe
Modules de puissance avec découplage intégré – État de l’art
Feuilles des spécifications
Polynômes d’interpolation
CONCLUSION

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