Analysis and optimization of the conducted emissions of an on- board charger for electric vehicles

par Christelle Saber

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Bertrand Revol.

Le président du jury était Philippe Ladoux.

Le jury était composé de Bertrand Revol, Philippe Ladoux, Alfred Rufer, Jean-Luc Schanen, Denis Labrousse, Alain Gascher, Xavier Bunlon.

Les rapporteurs étaient Alfred Rufer, Jean-Luc Schanen.

  • Titre traduit

    Analyse et optimisation de la CEM conduite d’un chargeur de batteries embarqué dans un véhicule électrique


  • Résumé

    La charge d’un véhicule électrique constitue un enjeu stratégique pour les constructeurs automobile et forme un réel défi à relever avant de pouvoir comparer ces véhicules à la simplicité d'usage du véhicule thermique. En effet, l’autonomie limitée, la durée de recharge de la batterie, le coût du déploiement d’une infrastructure de charge rapide, l'impact significatif sur les réseaux électriques et le coût élevé de la batterie sont à l’origine de plusieurs projets de recherche axés sur l’optimisation de la chaîne de recharge du véhicule électrique. Afin d’améliorer l'autonomie d'un véhicule électrique, une solution contraignante mais stratégique consiste à embarquer le chargeur dans le véhicule afin d’assurer la conversion ac-dc de l’énergie à partir des prises de courant. Cette solution permet d’augmenter la disponibilité de la charge pour les utilisateurs. En outre, le chargeur embarqué peut réutiliser tout, ou une partie des éléments déjà existants et nécessaires à la propulsion du véhicule. L'idée étant de pouvoir employer certains éléments de la chaîne de traction électrique, déjà embarqués dans le VE (moteur électrique et onduleur de tension), et d’ajouter un filtre d'entrée et un redresseur afin de concevoir le chargeur. Cette solution permet de réduire le coût du chargeur, sa taille ainsi que le volume nécessaire à l'intégration de ses constituants électriques, on parle alors de chargeur intégré à la chaîne de traction. Cependant, la réutilisation de l’électronique de puissance embarquée engendre des problèmes de compatibilité électromagnétique avec d’autres équipements connectés sur le réseau électrique et aussi avec les dispositifs de protection domestique.Le problème majeur à lever est donc, la limitation des émissions conduites et plus particulièrement des courants de mode commun dans une gamme de fréquence importante. Ce projet de thèse a donc, pour objectif, l’amélioration de la disponibilité de la charge actuelle tout en réduisant le volume du filtre CEM passif. Nous cherchons, à travers ces travaux, à identifier des domaines d'améliorations possibles, à proposer des solutions à bas coûts et à intégrer des modifications au niveau de la commande et de la topologie afin d'optimiser le comportement CEM, tant en basses fréquences (0 - 2 kHz) qu’en hautes fréquences (150 Hz- 30 MHz), de ce chargeur embarqué intégré sans isolation galvanique. Les propositions doivent répondre simultanément aux besoins de recharge domestique en monophasé (à 3.7 kW et à 7.4 kW) et rapide en triphasé (à 22 kW et à 43 kW) sans pour autant augmenter le volume ni les coûts engendrés. Ainsi, cinq axes de travail sont étudiés: l’optimisation du comportement CEM (0-2 kHz) du chargeur en monophasé ; l’optimisation du comportement CEM (0-2 kHz) du chargeur en triphasé ; le développement, la mise en œuvre et l’instrumentation de deux bancs expérimentaux exploités pour l’obtention de résultats; la proposition d’une approche de modélisation CEM de la structure qui tient compte du mode commun et du mode différentiel ; et la proposition de solutions pour la réduction des émissions conduites (150 kHz – 30 MHz).


  • Résumé

    Battery chargers for electric vehicles are classified as on-board or off-board chargers. Off-board chargers are not constrained by size or weight but introduce additional cost to the infrastructure through the deployment of a high number of charging stations. In order to meet the needs of electric vehicle users in terms of charging availability, on-board chargers that achieve ac/dc conversion are retained. Furthermore, on-board chargers are classified as standalone or integrated systems. By reusing parts of the traction power train for charging, the latter reduces the cost of the charger. Disadvantages of integrated systems include electromagnetic compatibility issues and complex control schemes.This work presents the power quality performance analysis and control optimization of an on-board non-galvanically isolated electric vehicle charger integrated to the traction’s power train. In order to be able to evaluate the high frequency conducted common mode emissions (150 kHz - 30MHz) of a power conversion structure, one needs to develop a good current control scheme that establishes a high-quality low frequency behavior (0 - 2 kHz). Therefore, different aspects related to the power factor correction of the single-phase as well as the three-phase charging configurations are studied: the control scheme for the regulation of the charging power, the displacement power factor correction, the suppression of the grid current harmonics and the active damping of the input filter’s resonance. Two experimental test benches are developed using two different technologies (Silicon IGBTs vs. Silicon Carbide Mosfets). Experimental results are provided.This work also presents a comprehensive approach to modeling the CM and the DM EMI behavior of a power electronics structure. This method is applied to the charger in its single-phase and three-phase configurations. The models allow to evaluate the fluctuating internal nodes and to study the effect of various proposed mitigation solutions on the CM emissions. The models are also developed in the intent of being injected into optimization algorithms for the future design of an optimal EMI filter.


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