Chargeur de batterie reversible embarqué avec fonctionnalités V2G

Bidirectional embedded battery charger with V2G capabilities

• Auteur / Autrice : Nisith Bhowmick
• Direction : Seddik Bacha
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 06/04/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Xuefang Lin-Shi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Paul Gaubert, Abdelkrim Benchaib

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique de puissance

Convertisseurs continu-continu

Chargeurs de batteries

Véhicules électriques

Mots clés libres

Chargeur batteries

Commande

Electronique de puissance

Convertisseur embarqué

Control

Battery charger

Power electronics

Embedded converter

Résumé

Les véhicules électriques (VE) se développent à un rythme rapide dans les secteurs des transports en raison des préoccupations croissantes en matière d'environnement. L'intégration réussie et rapide des véhicules électriques réduit potentiellement les émissions de CO2. Cependant, en raison de la forte pénétration dans le secteur des transports, les véhicules électriques représentent également des défis importants pour le gestionnaire de réseau de distribution (GRD). Plus précisément, le fonctionnement du réseau basse tension devient difficile en raison d'une demande soudaine d'énergie, car la charge incontrôlée des VE peut coïncider avec la demande de charge de pointe. Ainsi, il en résulte une déviation de tension sévère, si les systèmes énergétiques ne sont pas gérés de manière organisée.Vehicle-to-Grid (V2G) est une technologie dans laquelle les VE déchargent leur énergie stockée et l'injectent sur le réseau pendant la période de charge de pointe. Ainsi, il ne doit pas seulement être considéré comme des charges passives mais aussi comme des sources d'énergie tout en étant au repos. La technologie V2G offre également un potentiel pour fournir des services auxiliaires dans les secteurs de l'énergie, tels que la régulation de tension, le rasage de tension, la compensation de puissance réactive et la production distribuée. S'il est bien géré, EV devient un atout attractif pour DSO. Ainsi, le chargeur de batterie des VE devrait fournir les fonctionnalités ci-dessous:1. Chargement de la batterie (fonction principale): Dans ce cas, la puissance est transférée du réseau au véhicule, appelée opération G2V.2. Décharge de la batterie (fonction secondaire): Dans ce cas, l'unité de stockage d'EV, c'est-à-dire la batterie, est considérée comme une source d'énergie et la puissance est transférée du véhicule au réseau.3. Capacité d'équilibrage du réseau (fonction tertiaire): les véhicules électriques peuvent fournir des services auxiliaires au réseau, tels que la puissance réactive ou le déséquilibre de la consommation / injection de courant pour aider à équilibrer et maintenir le réseau sans cyclage de batterie supplémentaire.Les deux premières fonctionnalités avaient déjà été abordées par des chercheurs précédents (également dans G2ELab par le Dr Mounir Marzouk). Cette thèse se concentre sur la troisième fonctionnalité mentionnée qui peut être fournie par les véhicules électriques.Ces trois fonctionnalités nécessitent le chargeur de batterie bidirectionnel pour EV, capable d'absorber ou de générer de la puissance réelle et réactive. La partie électronique de puissance du chargeur de batterie EV doit combiner un convertisseur AC / DC pour maintenir un facteur de puissance proche de l'unité du réseau et un convertisseur DC / DC pour réguler le courant et la tension de la batterie. L'un des principaux objectifs de la thèse est de compenser et d'atténuer les déséquilibres des puissances actives et réactives échangées entre les alimentations des 3 phases à l'aide d'un chargeur EV bidirectionnel. Le chargeur devant également être de type embarqué, les contraintes sont le poids et le volume pour développer ce type de chargeur.Dans cette thèse, le convertisseur NPC (Neutral Point Clamp) et le Triple Active Bridge (TAB) ont été proposés et analysés respectivement pour les convertisseurs AC / DC et DC / DC. Les objectifs de cette thèse ont été analysés et vérifiés à l'aide des résultats Matlab / Simulink et des résultats de simulation Hardware-in-the-Loop (HIL).

Electric Vehicles (EV) are growing at a rapid pace in transport sectors because of increasing concerns on environment. Successful and rapid integration of EVs potentially reduce CO2 emissions. However, due to high penetration in the transport sector, EVs also represent substantial challenges for the Distribution System Operator (DSO). More specifically, the low-voltage grid operation becomes challenging due to sudden demand of energy as uncontrolled EV charging may coincides with the peak load demand. Thus, it results a severe voltage deviation, if energy systems are not managed in an organized way.Vehicle-to-Grid (V2G) is a technology, where EVs discharge their stored energy and inject that onto the grid during peak load period. Thus, it should not only be considered as passive loads but also energy sources while being in idle state. V2G technology also holds potential for providing ancillary services in energy sectors, such as, voltage regulation, voltage shaving, reactive power compensation and distributed generation. If managed properly, EV becomes an attractive asset for DSO. Thus, the battery charger of EVs should provide below functionalities:1. Charging of battery (Primary function): In this case, power is transferred from grid to vehicle, called G2V operation.2. Discharging of battery (Secondary function): In this case, storage unit of EV, i.e., battery is considered as energy source and power is transferred from vehicle to grid.3. Network balancing capability (Tertiary function): EVs can provide ancillary services to the grid, such as, reactive power or unbalance current consumption/injection for helping to balance and sustain the network without additional battery cycling.The first two functionalities had already been addressed by previous researchers (also in G2ELab by Dr. Mounir Marzouk). This thesis focuses on the mentioned third functionality that can be provided by EVs.These three functionalities necessitate the bidirectional battery charger for EV, which is capable of sinking or sourcing real and reactive power. Power Electronics part of the EV battery charger should combines AC/DC converter for maintaining near unity power factor of the grid and DC/DC converter for regulating battery current and voltage. One of the main objectives of the thesis is to compensate and mitigate unbalance active and reactive powers exchange between supplies of the 3-phases with the help of bidirectional EV battery charger. As the charger should also be onboard type, constraints are weight and volume for developing this type of charger.In this thesis, Neutral Point Clamp (NPC) converter and Triple Active Bridge (TAB) have been proposed and analyzed for AC/DC and DC/DC converter respectively. Objectives of this thesis have been analyzed and verified by the help of Matlab/Simulink results and Hardware-in-the-Loop (HIL) simulation results.