Conception et réalisation de convertisseur dc-dc pour une chaîne de traction électrique et/ou hybride

par Mohammad Kabalo

Thèse de doctorat en Génie Electrique

Sous la direction de Abdellatif Miraoui, Damien Paire et de Fei Gao.

Soutenue en 2012

à Belfort-Montbéliard .


  • Résumé

    La pile à combustible (PàC) est considérée comme une source possible pour le véhicule hybride électrique du futur. Par conséquent, le développement d’un système de puissance performant est fondamental, pour l'intégration des piles à combustible avec une gestion de l'énergie à bord. Une pile à combustible est généralement une source procurant une basse tension et un fort courant, avec une très basse tension produit par une seule cellule. Par conséquent, plusieurs cellules doivent être empilées afin d’obtenir une tension plus élevée. Afin de maintenir la fiabilité et la durée de vie dans des limites raisonnables, la tension de sortie de la pile à combustible est limitée à environ 100 V. Lorsqu' elle est utilisée pour les applications de transport comme les véhicules électriques, la tension de bus dc est habituellement une tension de plusieurs centaines de volts. Pour cette raison, un convertisseur dc-dc est nécessaire entre la PàC et le bus dc. Un tel convertisseur est utile non seulement pour l’élévation de la tension, mais aussi pour le conditionnement de celle-ci, car la tension de sortie de la PàC varie fortement avec la charge. Un véhicule hybride électrique utilisant une PàC souffre de contraintes telles qu’une durée de vie limitée et un volume et un poids restreint due à la taille des composants. Donc, le convertisseur de puissance dc-dc entre la PàC et le bus dc doit avoir un faible volume et poids, un faible coût, un grand rapport d’élévation et une efficacité élevée. En outre, il est nécessaire d'avoir une faible ondulation de courant à l'entrée du convertisseur de puissance afin de maximiser la durée de vie de la PàC et diminuer la consommation de carburant. Dans cette thèse, une nouvelle famille de convertisseur dc-dc, appelé convertisseurs boosts flottants entrelacés est étudiée. Ces topologies sont contrastées et comparées au convertisseur boost classique, dans le but d'améliorer leurs performances relatives au volume et au poids de l’inductance et du condensateur, à l’ondulation du courant d’entrée, à l’ondulation de tension du bus dc, ainsi qu’à l’efficacité et au rapport d’élévation de tension. Cette analyse a permis d'évaluer les avantages de l’augmentation du nombre de phases et de choisir la topologie la plus appropriée parmi d'autres proposées dans le but de répondre aux spécifications désirées. Le modèle petit signal de convertisseur boost flottant entrelacé à quatre phases est étudié et développé. Les procédures de dimensionnement de convertisseur boost flottant entrelacé à quatre phases sont explicitées, en vue de déterminer la valeur des composants passifs, et la sélection des composants de puissance en termes de tenue en tension et en courant. Un contrôle glissant basé sur le modèle moyen de convertisseur boost flottant entrelacé à quatre phases est développé. Une stratégie de contrôle basé sur une double boucle hybride est introduite pour améliorer les performances du système. Le convertisseur boost flottant entrelacé à quatre phases est aussi évalué en mode bidirectionnel. Le modèle petit signal et la stratégie de contrôle sont évalués par une co-simulation entre Simulink et Simplorer et validés par des résultats expérimentaux. Ils ont montré une excellente performance relative à la réduction d’ondulation du courant d’entrée, à la diminution du volume de l’inductance, et à l’augmentation de l’efficacité pour une gamme étendue de variation de rapport cyclique. Le convertisseur boost flottant entrelacé à quatre phases proposé montre un potentiel important et plein de promesses pour l'utilisation dans un véhicule hybride électrique utilisant une PàC.

  • Titre traduit

    Design and implementation of dc-dc power converter for fuel cell electric and/or hybrid powertrain


  • Résumé

    Electric vehicles technology has been adopting fuel cell (FC) for hybrid applications in the last few years. Therefore, the development of advanced power electronic systems for the integration of fuel cells with on-board energy management is fundamental for achieving high performance systems. A fuel cell is usually a low-voltage with hybrid voltage/current source characteristics and a single cell produces a very low voltage. Therefore, several cells must be stacked in order to achieve high voltage output. In order to maintain reliability and lifetime within reasonable range, the fuel cell stack output voltage is limited to approximately 100 V. When used for transportation applications such as electric vehicles, the powertrain dc-bus is usually a high-voltage of a few hundred volts. Therefore, a dc-dc power converter is required to interface a fuel cell stack with the powertrain dc bus voltage. Such dc-dc converter is required not only for the voltages boost, but also for the voltage conditioning as the fuel cell output voltage varies strongly with the load. Hybrid fuel cell electric vehicle (HFCEV) has physical constraints such as volume and weight under limited cost and expected lifetime. Thus, the dc-dc power converter between the fuel cell and the motor drive should have low volume and weight, low cost, high voltage ratio and high efficiency. In addition, it is necessary to have low input ripple at the input of the dc-dc power converter in order to maximize the fuel cell lifetime and decrease the fuel consumption. In this thesis, a new dc-dc converter family of topologies, called by floating interleaved boost converters (FIBC) is defined. These topologies are compared to the conventional boost converter solutions, aiming to improve their performance figures related to the inductor and capacitor volume versus weight, input current ripple, dc-bus voltage ripple, as well as efficiency and transfer ratio. This analysis has permitted to evaluate the benefits of increasing the number of phases and to choose the most suitable topology among other proposed ones in order to constrain the desired specifications. The small signal ac model of 4-phase FIBC using an averaged PWM switch technique is developed for supporting the feedback controller and aiding a frequency response design. The procedures of sizing of 4-phase FIBC is addressed aiming to determine the value of the passive components, and selecting the suitable power devices in terms of current and voltage ratings. Non-linear sliding mode controller is developed using the averaged model of the 4-phase FIBC. A hybrid dual loop control strategy is introduced aiming to improve the performance of the global system. The 4-phase FIBC topology is evaluated in bidirectional mode. The small signal ac model as well as the control strategy are evaluated by means of Simplorer-Simulink co-simulation and validated by experimental results. They showed excellent performance with augmented characteristics such as improved input current ripple reduction, decrease of inductor volume, and high efficiency under a full-range transfer ratio. The proposed 4-phase FIBC demonstrates a lot of potential and promises for utilization in modern (HFCEV) applications.

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