Architectures de recharge et de mutualisation des fonctions traction et recharge

On peut rencontrer des topologies avec ou sans contact. Les chargeurs avec contact sont des dispositifs nécessitant un raccordement physique avec le réseau électrique (câblage) pour effectuer le transfert d’énergie. Les chargeurs sans contact (nommés très souvent recharge statique quasi-statique ou dynamique) sont des équipements de recharge qui effectuent le transfert d’énergie par induction par le biais d’un système de transformateur. Cette présente partie ne fait pas l’objet d’études pour ce type de chargeur mais vise à faire plutôt un bilan des architectures électronique de chargeurs permettant de réaliser la double fonctionnalité traction-recharge.

Dans la littérature, plusieurs topologies de convertisseur ont été développées visant toutes à mutualiser les fonctions de traction et de recharge de la batterie. Mis à part leur configuration propre et leurs technologies, elles peuvent être regroupées selon plusieurs catégories distinctes et selon plusieurs critères. Avant de présenter ce panorama de topologies, nous proposons tout d’abord d’appréhender la question de la règlementation de la recharge du VE et des contraintes technico-économiques occasionnées.

5.1. Architectures mono machine

Lorsqu’on analyse les solutions existantes dans la littérature, on s’aperçoit très vite que le concept le plus répandu concerne l’utilisation des enroulements de la machine, soit comme filtre [Kinoshita 1994] [Giraud 2002] [Solero 2001] [Cocconi 1994] ou comme transformateur [Lacressonniere 2005]. Une solution de base est proposée dans [Kinoshita 2000] (Figure I. 25-a), utilise le moteur comme coupleur magnétique et l’onduleur comme convertisseur DC/DC entrelacé. Le bobinage moteur est alimenté à partir d’une source continue. Une telle solution nécessite de rajouter un convertisseur supplémentaire embarqué pour assurer la conversion AC/DC adéquate. C’est le cas de la solution [Yamashita 1997] illustrée en (Figure I. 25-b). L’idée est simple :

 L’énergie alternative soutirée du réseau est convertie en énergie continue par l’intermédiaire d’un système de redressement et de filtrage CEM ;

 Le convertisseur de traction (onduleur) est donc utilisé en hacheur entrelacé pour contrôler la charge de la batterie.

L’avantage ici réside dans le fait qu’aucun contacteur n’est utilisé pour réaliser le basculement entre les modes traction et recharge. En revanche, le convertisseur ajouté ne participe pas à la fonction traction du véhicule, il sert exclusivement pour la recharge de la batterie. L’autre inconvénient est l’utilisation d’un filtrage supplémentaire (filtre CEM), contribuant donc à une masse et un volume plus importants pour l’ensemble.

Figure I. 25 : Architecture de base de recharge de la batterie d’un VE

(a) solution proposé dans [Kinoshita 2000]. (b) solution proposé dans [Yamashita 1997].

La topologie du redresseur (côté réseau) peut être « variable ». Il existe des solutions moins adaptées du fait de l’utilisation d’un simple redresseur monophasé à diode qui ne permet pas le contrôle du facteur de puissance (PFC). A titre d’exemple, une solution [Pellegrino 2010] prévoit un redresseur monophasé placé à l’extérieur du véhicule (scooter) pour recharger la batterie à travers le moteur électrique et son onduleur. Malgré sa simplicité, son inconvénient majeur est l’impossibilité de contrôler le transfert d’énergie et surtout d’améliorer la qualité d’énergie soutirée du réseau (un taux de distorsion harmonique (THD) médiocre) [Kuperman 2011]. Ce handicap peut être surmonté par l’utilisation des topologies à découpage qui sont des sources d'alimentation AC/DC contrôlées (redresseur à correction de facteur de puissance (PFC, Power Factor Correction). Ce type de convertisseur PFC permet de satisfaire les besoins et les exigences en termes de THD et de facteur de puissance, offrant ainsi une meilleure qualité d’énergie débitée dans la batterie.

Par ailleurs, il est bien évident qu’un convertisseur monophasé n’est pas adapté à la recharge rapide ; pour celle-ci l’alimentation en triphasé est beaucoup plus pertinente tant du point de vue du réseau de distribution que du chageur embarqué. De ce point de vue, la solution proposée par le constructeur automobile français Renault semble très intéressante [Loudot 2009] car elle permet d’assurer les recharges lente et rapide de la batterie. L’architecture est en cours d’amélioration pour prévoir une recharge sans contact [Loudot 2012]. La Figure I. 26 donne le schéma complet de cette architecture. La topologie

Renault brevetée utilise la machine comme coupleur naturel, elle est composée :

 d’un filtre CEM pour atténuer/rejeter les perturbations de part et d’autre ;  d’un redresseur de courant à découpage modulation de la largeur d’impulsion

(M.L.I) qui n’est servi que pour le mode recharge ;  de la machine électrique connectée en étoile ;

 de l’onduleur de traction qui fonctionne ici en mode hacheur entrelacé à trois bras.

L’avantage de cette architecture est l’absence de contacteurs /relais. En outre, le nombre de composants semi-conducteurs embarqué est limité à 12 ; 6 pour l’onduleur et 6 autre pour le redresseur de courant.

Figure I. 26 : Solution de recharge proposée par le constructeur français Renault assurant les fonctions traction-recharge lente et rapide [Loudot 2009].

5.2. Architectures multi-machine multi-convertisseur

Cette catégorie est spécifique aux applications envisageant plusieurs moteurs électriques pour la fonction de traction (fonction dite à traction répartie), comme dans le cas de la technologie roue [Yilmaz 2013] [Haghbin 2013]. Selon le nombre de moteur-roue installés, chaque moteur électrique est piloté un convertisseur mais alimenté par le même pack batterie. Ainsi, l’augmentation du nombre de convertisseur-machine offre des possibilités supplémentaires pour effectuer la recharge de la batterie.

La première solution, qui date des années 90, utilise deux ensembles convertisseur-machines pour un véhicule à deux roues motrices [Rippel 1990] [Rippel 1991]. La Figure I. 27 rapporte le schéma de cette architecture. Le passage du mode traction au mode recharge est réalisé par le biais de contacteur/relais. Comme dans le cas des solutions précédentes, le filtrage est amélioré du fait de l’utilisation des enroulements de la machine à travers le point neutre. Dans le but réduire les coûts, plusieurs topologies variantes sont développées se

distinguant par le type de machine électrique [Tang 2009][Woo 2011][Hichirosal 2007], la configuration du bobinage moteur [Rippel 1992], le nombre de convertisseurs réalisant la recharge [Gabriel 2001] et le nombre de roues motrices dans l’engin [Sul 1995].

Figure I. 27 : Architecture de conversion en double convertisseur-machine pour la traction et recharge de la batterie [Rippel 1990] [Rippel 1991] [Rippel 1992].

Hormis l’utilisation des contacteurs, les solutions machines, multi-convertisseurs semblent être de bons candidats mais plutôt spécifiques aux applications moteur-roues. En effet, du point de vue économique, le grand nombre de composants électroniques et machines reste important (douze commutateurs de puissance pour les deux roues motrices, et 24 commutateurs pour les quatre roues motrices).

Parmi les solutions technologiques exposées précédemment pour réaliser à la fois la traction du VE, sa recharge et permettant d’assurer la marche dégradée, une solution innovante a été proposée par la société Valeo dans le cadre d’un projet FUI (Fonds Unique Interministériel) visant à caractériser les performances de cette solution et de la promouvoir dans les applications du véhicule électrique.

Le paragraphe suivant détaille cette solution et positionne nos travaux de recherche dans ce contexte.

6. Positionnement des travaux de thèse dans le