Positionnement des travaux de thèse dans le contexte du projet SOFRACI

Mes travaux de thèse s’insèrent dans le cadre du projet SOFRACI (Structure

d’Onduleur à Fort Rendement À fonction de Charge Intégrée). Ce projet s’inscrit dans une

L’objectif visé est de définir une nouvelle architecture de puissance qui permet de mutualiser l’équipement à bord du véhicule, réalisant à la fois la fonction de traction et celle de recharge rapide et lente sans recours à des contacteurs ou des relais. Le but du projet est de valider son fonctionnement ainsi que de caractériser ses performances dans l’intention d’en tirer le meilleur profit. Cette nouvelle architecture est proposée pour répondre aux principales contraintes du domaine automobile, à savoir :

 l’amélioration du rendement (réduire les pertes convertisseur et machine) ;  l’amélioration de la fiabilité (créer une architecture tolérante aux pannes) ;  la réduction des coûts (mutualiser les équipements).

Ce projet est coordonné par la société Valeo et regroupe neuf partenaires industriels et académiques au sein d’un consortium (cf. Figure I. 28). Le Laboratoire des Technologies Nouvelles de l’IFSTTAR., en collaboration avec le Laboratoire de Génie Electrique de Paris (LGEP), intervient dans le volet fiabilité de l’architecture pour évaluer, analyser et contribuer à la recherche de solutions et de méthodologies visant à augmenter la disponibilité des fonctions traction et recharge. Dans le projet SOFRACI, l’action du laboratoire LTN. consiste d’une part à identifier par une analyse fonctionnelle et par l’expérimentation les contraintes électriques et thermiques et les modes de défaillance associés des composants semi-conducteurs (action fiabilité), et d’autre part en lien avec le LGEP à proposer pour l’association moteur (MSAP)-convertisseur des stratégies de contrôle-commande évoluées visant à augmenter la disponibilité des fonctions traction, recharge et répondant aux contraintes spécifiques liées au VE.

Dans le cadre du projet SOFRACI, des travaux de modélisation et commande du système machine à trois phases indépendantes et permettant la double fonctionnalité traction-recharge de puissance ont été réalisés par le laboratoire L2EP de Lille [Sandulescu 2011] [Sandulescu^(a) 2013] [Sandulescu^(b) 2013] [Bruyere 2013] [Lhomme 2013] [Meinguet 2013], ainsi que des travaux sur le mode recharge batterie par le LGEP [Lacroix 2013], et sur la conception de la machine à aimants permanents (G2ELab de Grenoble) [Dogan 2013].

Valeo (coordinateur), Leroy Somer, Duons MCO, Electricfil Automotive, IFSTTAR-LTN, LGEP, L2EP, G2Elab et ESTACA.

La nouvelle architecture de traction (Figure I. 29) est issue du brevet déposé au nom de la société Valeo [De Sousa^(a) 2010], elle est composée :

 d'une source de stockage d’énergie (batterie Li-ion),

 d'un hacheur DC-DC boost entrelacé à 3 bras permettant l’adaptation de la batterie à la tension désirée,

 d'un onduleur triphasé réversible configuré en 3 ponts en H. Chaque pont est composé de deux cellules de commutation (deux bras) à interrupteurs bidirectionnels (diode en antiparallèle sur I.G.B.T.).

 d'un actionneur synchrone à aimants permanents (MSAP) conçu pour être opérationnelle dans les deux modes de fonctionnement ; traction et recharge. Les phases de la machine sont physiquement et électriquement indépendantes. Chaque bobinage du moteur comporte structurellement un point-milieu servant comme point d’injection du courant réseau [De Sousa^(b) 2011] [Dogan 2011].

Figure I. 29 : Schéma de l’architecture électrique du projet SOFRACI [De Sousa^(b) 2010]

L’architecture permet d’assurer les deux fonctionnalités essentielles dans une application VE :

 Le fonctionnement en traction :

Ce mode de fonctionnement est géré de la même façon que la topologie en pont en H présenté en § I.4.2.1. Le convertisseur est capable de gérer le mode traction pur en alimentant les trois phases séparées de la MSAP à travers les trois ponts en H. De même, le mode

dégradé est réalisable avec seulement deux ponts en H alimentés (cf. voir § I.4.2.1) [Bruyère

2011].

 Le fonctionnement en mode recharge de la batterie :

Le convertisseur est capable de réaliser la recharge de la batterie sous ses trois formes : mode récupération au freinage, recharge lente et recharge rapide.

Dans le mode de récupération d’énergie au freinage, la électrique entrainée fonctionne en génératrice, peut donc envoyer l’énergie vers la batterie. Dans ces conditions, le convertisseur devient réversible et fonctionne en mode redresseur pour alimenter la batterie en courant continu.

La recharge de la batterie est réalisée à travers les trois points milieux du bobinage moteur [De Sousa(b) 2010]. Ces points médians structuraux permettent d’envisager la recharge lente sur un réseau domestique monophasé et la recharge rapide avec un réseau triphasé (Figure I. 30). Ainsi, le bobinage moteur sert comme filtre de courant et le convertisseur comme double redresseur M.L.I. à correction du facteur de puissance (PFC) [Bouchez 2011].

Figure I. 30 : Schéma électrique de la recharge rapide et lente du convertisseur en pont en H.

Cependant, le système de contrôle doit surveiller la recharge de la batterie afin de respecter les recommandations sur la sécurité fonctionnelle de la norme ISO 6469-3. En effet, si les courants injectés dans le point milieu (cf. Figure I. 31) sont déséquilibrés (i1 i2), il y a un risque de rotation du moteur et du déplacement du véhicule pendant la recharge. Ce risque est présent en recharge lente et en recharge rapide. Le rôle du système de contrôle de la recharge est de maintenir cet équilibre entre les courants traversant chaque demi-enroulement, (L1, L10) et (L4 et L7) dans le cas de l’exemple en Figure I. 31. Avec une telle démarche, le champ tournant au stator résultant au cours de la recharge est annulé, empêchant ainsi le moteur de tourner [Lacroix 2011]. Cette commande est réalisée à travers le convertisseur en

pilotant les quatre bras (et les six en triphasé) de façon à générer des courants de même amplitude mais en opposition de phase [De Sousa^(a) 2011] [Lacroix 2012].

Figure I. 31 : Illustration du bobinage moteur [De Sousa^(a) 2011] [Lacroix 2010].

 Le fonctionnement en assistance du réseau

L’autre fonctionnalité de la topologie proposée est la capacité d’assister le réseau électrique en renvoyant l’énergie dans la batterie. Cette architecture est réversible et bidirectionnelle. En effet, comme évoqué précédemment, les six cellules de commutation (bras) du convertisseur sont formées de composants semi-conducteurs bidirectionnels (diode montée en antiparallèle sur un I.G.B.T.) capables de transférer la puissance du réseau vers la batterie et réciproquement de la batterie vers le réseau. Cette topologie respecte bien évidemment les clauses des normes IEC 61851 et IEC 61980.

Au terme de cette partie, la structure innovante proposée dans le projet SOFRACI permet de satisfaire les besoins tant en termes de fiabilité et continuité de service mais aussi en termes de simplification de la recharge de la batterie avec un minimum de convertisseurs à bord. Néanmoins, cette topologie n’est pas la seule à offrir ces fonctionnalités. La topologie classique à trois bras à laquelle s’ajoute le dispositif de recharge proposés par le constructeur Renault [Loudot 2009] (cf. Figure I. 26) semble à première vue être la mieux adaptée du point de vue économique. Elle offre également la possibilité d’une marche dégradée par l’ajout (ou non) d’un bras supplémentaire. Au final ces deux architectures compétitives répondent aux critères de fonctionnement (mode normal, mode dégradé, et recharge) de façon optimale du point de vue encombrement, (coût matériel, et coût structure) et font l’objet d’un développement préindustriel.

Il apparaît, de notre point de vue, essentiel de mener une étude comparative entre ces deux solutions préindustrielles ; d’une part pour montrer les caractéristiques et performances

de chacune d’entre-elles pour l’application traction-recharge véhicule électrique, et d’autre part clarifier la rupture technologique proposée dans le projet SOFRACI.