Transformateur à air pour un convertisseur dc-dc bidirectionnel haute densité de puissance haute fréquence pour l’application automobile
Auteur / Autrice : | Valentin Rigot |
Direction : | Emmanuel Odic, Tanguy Phulpin |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Génie électrique |
Date : | Soutenance le 21/04/2022 |
Etablissement(s) : | université Paris-Saclay |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....) |
Référent : CentraleSupélec (2015-....) | |
graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….) | |
Jury : | Président / Présidente : Philippe Ladoux |
Examinateurs / Examinatrices : Edith Clavel, Christian Martin, Xavier Margueron, Mohamed Bensetti | |
Rapporteur / Rapporteuse : Edith Clavel, Christian Martin |
Mots clés
Résumé
Face aux urgences climatiques et politiques, le véhicule électrique est en pleine expansion. Les besoins en termes de densité de puissance embarquée sont en constante augmentation, ce qui nécessite des évolutions conceptuelles en électronique de puissance pour dépasser les limites actuelles tout en assurant un rendement similaire.Cette thèse est focalisée sur la modélisation, l’optimisation et la réalisation d’un transformateur pour un fonctionnement à haute fréquence sans circuit magnétique. Ce transformateur a été intégré dans un convertisseur bidirectionnel pour valider le fonctionnement d’un chargeur de batterie de véhicule électrique à forte densité de puissance fonctionnant à la fréquence de 1,5MHz.Les travaux présentés contribuent à l’amélioration de la densité de puissance dans les chargeurs embarqués, en profitant notamment de l’essor des composants semi-conducteurs à grand gap qui élargissent les plages de fréquence et de puissance et autorisent ainsi la réalisation de convertisseurs plus compacts.Après nous être intéressés aux transformateurs à haute densité de puissance, nous mettons en évidence l’intérêt des transformateurs à air pour la forte densité de puissance. Une nouvelle géométrie de transformateur à air exploitant l’emplacement des spires pour minimiser le rayonnement magnétique tout en garantissant une certaine valeur d’inductance propre constitue ainsi la première rupture technologique de cette thèse. Une étude sur les conducteurs de haute fréquence a aussi été menée afin de déterminer le conducteur le plus adapté à notre application en prenant en compte les effets de peau et de proximité. Différentes solutions sont proposées même si le fil de Litz a finalement été sélectionné.Ensuite et grâce à l’optimisation de la géométrie via un programme de modélisation écrit avec python, plusieurs supports successifs de bobinage ont été réalisés en polycarbonate par une imprimante 3D. Tout cela a abouti à un prototype pour un fonctionnement à 7 kW. Après bobinage et caractérisation électrique, magnétique et thermique, les propriétés du transformateur ont été utilisées comme point de départ de l’élaboration d’une topologie de convertisseur DC-DC. L’objectif automobile imposait les tensions et les puissances ainsi que le caractère bidirectionnel. L’étude a convergé sur l’utilisation d’un convertisseur Dual Active Bridge. La valeur de la fréquence de commutation a été déterminée pour atteindre les différentes puissances nécessaires pour le convertisseur tout en conservant la commutation douce. Cet ordre de grandeur de fréquence de commutation pour ce niveau de transfert de puissance constitue la seconde rupture technologique de cette thèse.Après avoir déterminé les commandes et choisi les différents composants nécessaires à la réalisation du convertisseur, des bras d’onduleur déjà fonctionnels ont été adoptés afin de simplifier l’élaboration du convertisseur. Un circuit imprimé dédié a été réalisé dans le but de relier les bras d’onduleurs, les bus de tension d’entrée et de sortie, le transformateur et la carte de commande du convertisseur.Finalement, les résultats expérimentaux des tests sur le convertisseur sont en accord avec le cahier des charges avec un rendement de 96% pour une puissance de 9kW et une fréquence de commutation de 1,5MHz. La densité de puissance obtenue est de 8,5kW/L ce qui est supérieur à l’existant et constitue une troisième rupture technologique.Des travaux supplémentaires restent à effectuer afin de valider complètement le prototype dans une application finale. Cependant, il est tout à fait envisageable que les véhicules électriques de demain utilisent ce type de transformateur qui permet d’améliorer le rendement, l’évacuation de la chaleur, donc également la compacité.