Transmission dynamique d'énergie par induction : application au véhicule électrique

Dynamic inductive power transfer applied to electric vehicles

• Auteur / Autrice : Paul-Antoine Gori
• Direction : Daniel Sadarnac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 23/10/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• 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-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Corinne Alonso
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Corinne Alonso, Nadir Idir, Edith Clavel, Eric Labouré, Serge Loudot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nadir Idir, Edith Clavel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Induction électromagnétique

Transfert d'énergie

Automobiles électriques

Mots clés libres

Véhicule électrique

Transfert d'énergie sans contact

Chargeur inductif dynamique

Convertisseur résonnant

Electric vehicles

Contactless energy transfer

Dynamic inductive charger

Resonant converter

Résumé

L’autonomie limitée du véhicule électrique est le premier frein au développement du marché de l’électrique. La charge inductive dynamique répond à ce problème, en offrant de charger son véhicule en roulant. La principale difficulté est de gérer les variations importantes du couplage magnétique lors du déplacement du véhicule, et ce pendant le transfert de puissance. Une précédente thèse dans l’équipe de recherche sur un prototype de 3 kW avait abouti au concept de recopie de tension, qui stabilise la tension en sortie du coupleur malgré la variation de couplage, et facilite notablement la conception du convertisseur DC/DC faisant interface avec la batterie. La thèse présentée ici porte sur l’adaptation du système pour fonctionner de 20 kW à 30 kW. Cette montée en puissance n’est pas évidente, du fait des importantes contraintes électriques sur les bobines du coupleur (1,4 kV sur le système de 3 kW), et du champ rayonné limité par des références normatives. Tout d’abord, nous proposons une nouvelle commande du circuit résonnant, qui permet de modifier le dimensionnement pour aboutir à des contraintes électriques plus faibles tout en conservant la recopie de tension. Ensuite, une forme de bobine en huit est étudiée pour aider à réduire le champ rayonné. Enfin, une démarche de dimensionnement est établie pour la partie électrique du système, ainsi que pour le coupleur magnétique, alliant modèle analytique et simulations à éléments finis et réduisant considérablement les temps de simulations. Les résultats de l’évaluation des performances du système dimensionné pour la haute puissance sont prometteurs.

The limited electric-vehicle distance range is the main reason hindering the development of the electric transportation market. Dynamic inductive charging solves this problem, offering the possibility to charge while driving. The main issue consists in handling wide magnetic coupling variations when the vehicle is moving, while charging. A previous thesis in the research team on a 3-kW prototype led to the concept of voltage copying, which stabilises the coupler output voltage despite the varying coupling, making it easier to design the DC/DC converter linking the coupler to the battery. The hereby thesis deals with adapting this system to transfer from 20 kW to 30 kW. Raising the power is no small matter, due to the high electrical constraints on the coupled coils (1.4 kV on the 3-kW system), and the radiated field, limited by standardised thresholds. Firstly, a new control of the resonating circuit is proposed, allowing to change the system design to get lower electrical constraints and maintaining voltage copying properties. Then, an eight-shape coil was investigated in order to reduce the radiated field. Finally, a design method was conceived for the electrical part of the system, as well as the magnetic coupler, using jointly analytical models and finite element simulations to reduce simulation times. Results of the evaluated performance for such a high-power system are quite promising.