Le projet SOFRACI

1.3.1 Challenge du projet

A l’heure actuelle, le challenge du VE est de surmonter deux points majeurs qui sont la faible autonomie et le coût des batteries. De ce fait, un des points cruciaux dans la conception d’un VE est d’agir sur l’autonomie effective ou apparente du véhicule. La figure I-5 présente les différentes actions pouvant être menées pour agir sur le critère autonomie :

Figure I-5 : Organigramme du challenge de l’autonomie et du coût des véhicules électriques

Valéo (VEES) est acteur pour améliorer les rendements des consommateurs

(éléments du véhicule) et de la chaîne de traction, et pour intégrer la recharge rapide des batteries. Dans ce contexte, le projet SOFRACI dont fait également partie Valéo, se concentre sur 2 axes qui sont la « recherche sur l’efficacité de la propulsion électrique » et le « chargeur embarqué de forte puissance ». Pour agir de manière efficace, SOFRACI rassemble une dizaine de partenaires industriels et universitaires. Les acteurs industriels sont Valéo, Leroy-Somer, Electricfil et Duons, et les acteurs universitaires sont le G2ELab (Grenoble), le L2EP (Lille), le LGEP (Paris), l’ESTACA (Paris) et l’INRETS (Paris).

Ses principaux objectifs peuvent se résumer par les suivants :

Définir et valider une architecture Electronique/Electrotechnique permettant d’assurer deux fonctions avec une seule électronique dans une structure adaptée qui sont la fonction traction électrique réduisant les pertes du systèmes et la fonction de recharge rapide sans contacteur de 4 à 43 kW (voire 125 kW à l’avenir, en fonction de la puissance de traction) [BRU-10] ;

Obtenir une modularité en fonction de la tension de batterie ; Acquérir une approche système ;

Définir une architecture utilisable pour tous les véhicules décarbonés.

Pour aboutir à ces objectifs, le projet SOFRACI a été divisé en six Groupes de Travail (GT) (cf. figure I-6) :

Chapitre 1 : La machine électrique pour le véhicule électrique 16

Figure I-6 : Définition des groupes de travail du projet SOFRACI

De même, on retrouve quatre grands axes de recherche à savoir le système dans sa globalité, la commande en charge, la commande en traction et le moteur. Pour le système, des études de fiabilité et des profils de missions doivent être générés. La commande en charge doit permettre de respecter les normes en vigueur, optimiser la CEM (compatibilité électromagnétique) et le rendement, et éviter les bruits et les vibrations. La commande en traction doit fournir un fort rendement, pouvoir commander en mode dégradé et donner la possibilité d’optimiser la machine et l’électronique. Enfin, le moteur doit être efficace pour la charge et la traction en terme de rendement, être économiquement viable tout en étant innovant, être commandable en charge et en traction sans faire appel à des lois de commande trop complexes, ne pas générer de bruits en charge et enfin, ne pas être dangereux lors de la perte de contrôle à haute vitesse. En outre, la structure de SOFRACI est également et parfaitement adaptable aux VHR.

1.3.2 Structure d’alimentation de SOFRACI

L’innovation fondamentale du projet SOFRACI repose sur l’utilisation d’un seul onduleur pour la traction et pour la charge sans composant supplémentaire. A l’inverse, les systèmes standards sont dotés d’un système électronique pour la traction et d’un autre pour la charge (cf. figure I-7) [YIL-12], [SUB-13]. De ce fait, deux blocs d’électronique de puissance, deux blocs d’inductances et des contacteurs pour assurer le basculement entre la

charge et la traction sont nécessaires. Pour SOFRACI, l’électronique de puissance et les inductances du système de traction (machine synchrone) sont employées comme chargeur de batterie intégré forte puissance (cf. figure I-8), conduisant à une réduction drastique des coûts, du volume et du poids. Ainsi, étant donné que la structure est conçue pour le niveau de puissance nécessaire à la traction (60 kW), le mode de charge bénéficie automatiquement de ce dimensionnement et la charge rapide à 43 kW est rendue possible.

Chapitre 1 : La machine électrique pour le véhicule électrique 18

Figure I-8 : Système SOFRACI simplifié

En plus de ces avantages, la structure SOFRACI permet également :

La compatibilité avec toutes les batteries entre 250 V et 800 V et avec tous les réseaux domestiques (US, Japon et EU) ;

L’augmentation du bus de tension à plus de 800 V conduisant à une réduction des courants de l’onduleur et de la machine, à une réduction de la surface globale de silicium (-40 %) et des coûts des composants électroniques, et à une augmentation du rendement à faible et moyenne puissance ;

La tolérance en défaut impliquant le fonctionnement sur deux phases grâce à la commande en mode dégradé ;

La recharge rapide à puissance élevée avec un rendement supérieur aux onduleurs traditionnels à 3 bras [DES-10-B] tout en absorbant des courants sinusoïdaux ; La recharge par les points milieux des bobinages statoriques afin d’obtenir une compensation statique des champs tournants empêchant l’apparition de couple ou de vibrations au niveau du rotor ;

Le fonctionnement avec un fort facteur de puissance ;

La réversibilité de la topologie électronique pour le fonctionnement Vehicle-To-Grid (V2G) sans employer de contacteur ;

La séparation électrique des phases grâce à l’alimentation de chaque phase par un pont en H complet.

Finalement, cette structure permet les cinq fonctions qui sont la traction, la recharge des batteries lors du freinage, la recharge lente des batteries, la recharge rapide des batteries et le V2G.

1.3.3 Contraintes nouvelles

En dépit de tous ces avantages, cette structure présente tout de même certaines contraintes à surmonter. Pour un couplage étoile des phases, on ne retrouve pas de courants homopolaires à éliminer. En revanche, du fait de cet onduleur à pont en H à 6 bras [DES-10-B] (cf. figure I-9 et I-10), les trois phases sont séparées et des courants homopolaires néfastes peuvent apparaître :

0 0

A B C

i i i i _(I.1)

Figure I-9 : Structure d’alimentation de SOFRACI : Pont en H à 6 bras [DES-10-A]

Chapitre 1 : La machine électrique pour le véhicule électrique 20 En effet, les courants homopolaires provenant des harmoniques multiples de 3 de la force électromotrice induite (fem.), principalement l’harmonique 3, peuvent s'avérer élevées. Ces courants peuvent induire d’importantes pertes par effet joules non seulement dans le moteur mais aussi dans la partie électronique de l’alimentation de puissance [ BRA-12]. Par la commande, il est possible de contrôler et d'annuler cette composante homopolaire. Seulement, pour réaliser ce contrôle, il est nécessaire d'ajuster la fréquence de découpage à la fréquence de l'harmonique correspondante. Pour contrôler l'harmonique 3 sur toute la plage de vitesse, il faudra une fréquence de découpage égale à trois fois la fréquence de découpage initiale, ce qui est inacceptable au niveau des pertes par commutation des transistors. Une solution viable consiste à contrôler cet harmonique sur le premier tiers de la plage de vitesse et de subir les courants homopolaires aux vitesses plus élevées. Ainsi, pour le fonctionnement à vitesse élevée (jusqu'à 12 000 tr/min), la seule solution pour réduire ces courants homopolaires est de disposer d’une inductance homopolaire élevée tout en ayant une valeur de l’harmonique 3 de la fem. la plus faible possible. Ces deux caractéristiques sont intrinsèques à chaque machine. Ainsi, le choix du moteur optimal devra prendre en considération ces deux paramètres supplémentaires.