Étude et réalisation d’un convertisseur combinant DC/DC et on-board charger pour véhicule électrique

Design of a bidirectional on-board charger and a DC-DC converter for low voltage battery in Electric Vehicles

• Auteur / Autrice : Kelly Ribeiro de Faria Santos
• Direction : Daniel Sadarnac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 03/12/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Eric Labouré
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Martin, Corinne Alonso, Edith Clavel, Thierry Meynard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Martin, Corinne Alonso

Mots clés

Mots clés contrôlés

Convertisseurs électriques

Véhicules électriques

Chargeurs de batteries

Mots clés libres

Chargeur embarqué

Convertisseur DC/DC réversible

Transformateur planar

Commutation douce

Convertisseur à trois portes

OBC

DC/DC bidirectional converter

Planar transformer

Soft-switching

Three-Port converter

Résumé

Cette thèse porte sur l'intégration du con-vertisseur DC-DC entre les batteries haute et basse tension (400V / 14V), avec un chargeur embarqué monophasé présent dans l'architecture du véhicule électrique. Dans cette intégration, les deux convertis-seurs sont bidirectionnels et l’isolation galvanique est nécessaire entre les trois sources d'énergie. Dans une première partie de cette étude, nous sommes focali-sés sur le développement d’un convertisseur DC-DC à trois ponts.Le convertisseur DC-DC proposé est un convertisseur bidirectionnel alimenté en courant à résonance pa-rallèle permettant de réaliser des commutations à zéro de tension sur toute la plage de puissance. Grace à la « recopie de tension », le dimensionne-ment du transformateur permet la réalisation d’unestructure beaucoup plus compacte par rapport à d’autres convertisseurs à résonance. Dans la deu-xième partie de ce travail, les caractéristiques du convertisseur sont étudiées afin d’optimiser la stra-tégie de commande et de fonctionnement. Le dé-veloppement d’un transformateur planar est réalisé en respectant les normes pour les véhicules élec-triques et pour minimiser les inductances de fuite. L’étude de la répartition de courant dans les couches connectées en parallèle est faite de façon à éviter la présence de points chauds en haute fré-quence. Le prototype et les résultats finaux sont présentés pour valider le convertisseur à 3 ponts. Après avoir analysé les résultats, quelques proposi-tions sont faites pour améliorer les résultats dans les futurs travaux.

This dissertation focuses on the integration of two power electronic converters present in the electric vehicle (EV) architecture – the DC-DC con-verter interfacing the high and low voltage batteries (400V/14V) and the onboard charger (OBC). A three-port current-fed parallel resonant topology with zero voltage switching capability is developed. The con-verter allows bidirectional power flow between the three energy sources with high efficiency in both conversion modes, DC-DC and OBC while ensuring galvanic isolation.A compact three-winding planar transformer is de-signed based on EV industry requirements, empha-sizing the minimization of leakage inductances. In this design, the unequal currentsharing phenomenon between parallel-connected layers is addressed to ensure a homogeneous cur-rent distribution and eliminate the risks of thermal hotspots formation.A 7kW experimental prototype has been con-structed and tested, validating the analysis and op-eration of the proposed topology. Some sugges-tions and propositions are provided for future work aiming at efficiency improvement of the converter.