Conception et contrôle du système de transfert de puissance par induction pour la recharge électrique des véhicules

Design and control of inductive power transfer system for electric vehicle charging

• Auteur / Autrice : Luigi Ferraro
• Direction : Stéphane Caux, Diego Iannuzzi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Électrique
• Date : Soutenance le 03/05/2017
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT en cotutelle avec Università degli studi di Napoli Federico II
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement d'accueil : Università degli studi di Napoli Federico II
• Jury : Président / Présidente : Annunziata Sanseverino
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Filippo Menolascina, Luigi Piegari
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Giorgio Sulligoi, Giuseppe Tomasso

Mots clés

Mots clés contrôlés

Champs magnétiques

Éléments finis, Méthode des

Électronique de puissance

Induction électromagnétique

Automobiles électriques hybrides

Mots clés libres

Transfert de puissance par Induction

Design par éléments finis

Modèle et contrôle de champs magnétiques

Inductive power transfer

Finite element inductor design

Magnetic model and control

Résumé

Au cours de la dernière décennie, le grand public a pris conscience de l’impact économique, social et environnemental de la pollution dû à l’usage des énergies fossiles. Non seulement du fait de la raréfaction des énergies fossiles mais aussi la limitation de leur usage et de leur impact sur l’environnement est important, ce qui amène à remplacer ces sources traditionnelles par des sources d’énergie alternatives, propres et renouvelables. Depuis ces dernières années l’industrie automobile montre un intérêt croissant pour la conception de véhicules électriques hybrides. Cependant la transition vers un parc de voitures plus électriques est limitée par le coût encore élevé, l’autonomie et le temps de recharge électrique long. Un système distribué de transfert de puissance par induction (IPT) peut être une solution pour rallonger l’autonomie des véhicules électriques (EV’s) en permettant la recharge tout en roulant, grâce à des séries d’inducteurs couplés, réduisant aussi la taille de la batterie nécessaire et donc son coût. Le concept de transfert de puissance sans fil a été introduit il y a plus de 20 ans. Aujourd’hui les avancées technologiques et les hauts rendements des composants rendent cette solution viable pour les applications transport. Ce travail de thèse concerne donc le design et le contrôle d’un système de recharge efficace par induction d’une batterie à bord d’un véhicule sujet dans ce cas à des désalignements entre inducteurs. Un état de l’art sur le principe de transfert de puissance par induction est effectué et une structure DD-BP est proposée afin d’avoir un bon rendement pour le transfert de puissance et une moindre sensibilité en présence de désalignement et au mouvement, un inducteur étant sous la route, l’autre à bord du véhicule. Pour cela les dimensionnements de ces inducteurs et les analyses de l’impact des structures des inducteurs sont effectués par simulation à éléments finis des champs magnétiques produits et échangés. De plus, un modèle circuit équivalent et un modèle mathématique ont été établis incluant des circuits compensateurs. L’ensemble du système IPT a été séparé en deux parties, l’une alternative (AC), l’autre continue (DC). La simulation du modèle électrique (PSIM) et mathématique (MATLAB) montrent une bonne correspondance, à l’aide du modèle mathématique une étude complète a été possible en fonction des fréquences, des courants et des désalignements selon les 3 axes. La structure IPT spécifique pour cette application EV montre la faisabilité et l’efficacité de la recharge de la batterie en mouvement, en fixant une fréquence, malgré un assez grand entrefer (distance z entre la route et le châssis) et des variations de couplage (désalignement x ou y). Ce bon comportement est obtenu par le design des inducteurs et le bon contrôle des convertisseurs de recharge de la batterie (double buck-boost).

During the last decades, public awareness of the environmental, economic and social consequences of using fossil fuels has considerably grown. Moreover, not only the supply of fossil resources is limited, but also the environmental impact represents a relevant issue, so leading to an increased consideration of clean and renewable alternatives to traditional technologies. During recent years, the automotive industry has shown a growing interest in electric and hybrid electric vehicles. However, the transition to all-electric transportation is now limited by the high cost of the vehicles, the limited range and the long recharging time. Distributed IPT (inductive power transfer) systems can be the solution to the range restrictions of EVs by charging the vehicle while driving thanks to, a set of loosely coupled coils, so also reducing required battery size as well as overall cost of the vehicle. The concept of wireless power transfer via magnetic induction was introduced two decades ago. Nowadays, this technology is becoming more efficient and more suitable for new applications. This dissertation made an effort to address the requirements of IPT EV battery charging system with high efficiency and good tolerance to misalignment. A survey of a typical IPT for EV application has been reported, while a concentrated DD-BP solution has been proposed in order to enhance the IPT charging system capability of transferring power to a stationary EV with good efficiency and good tolerance to movement. The current trend in EV battery charging application is represented by the lamped coil system, whose different structures have been reviewed. Moreover, this thesis presented the design of a charging pad magnetic structure, called Double D pad combined with a Bipolar secondary pad, in order to enhance coupling performance. A finite element magnetic analysis has been performed in order to obtain the electric parameters of the proposed magnetic coupler. Furthermore, a mathematical model has been developed by considering the different sides of the system. The mathematical model allows to accurately predict the behavior of inductive coils and coreless transformer. A set of simulation has been carried out in order to compare the analytical and simulated results. The proposed EV IPT system has shown the feasibility of using fixed frequency, single pick up system to transfer power efficiently across a large air gap, with variable coupling. This result has been reached by means of proper design of the charging pad magnetics, of tuning network and of a pick-control based on a buck boost converter topology.