Système de charge dynamique sans fil

Dynamic Wireless Charging System

• Auteur / Autrice : Mincui Liang
• Direction : Khalil El Khamlichi Drissi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique,électronique et systèmes
• Date : Soutenance le 17/09/2024
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Christelle Varenne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Pasquier, Frédéric Lafon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Chi-Kwong Luk, Jean-Pascal Cambronne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert d'énergie sans fil

Véhicules électriques

Mots clés libres

Contrôle du point de commutation

Contrôle de trajectoire optimal

Transfert de puissance sans fil

Optimisation multi-Objectifs

Switching point control

Optimal trajectory control

Wireless power transfer

Multi-Objective optimization

Résumé

Le transfert dynamique de puissance sans fil est une solution prometteuse pour recharger les véhicules électriques lors de la conduite. Il s’agit cependant d’un défi technique en raison de la nature faiblement couplée et dynamique du système. Pour relever ce défi, cette thèse propose une nouvelle méthode de contrôle du point de commutation pour assurer un transfert de puissance élevé et efficace pour une large gamme de valeurs de couplage. La thèse a examiné en profondeur le transfert de puissance sans fil série-série et, du point de vue de la conception et du contrôle, a étudié en profondeur tous les aspects techniques qui pourraient potentiellement affecter les performances du système en théorie en simulation et en pratique. Du point de vue de la conception du système, différentes méthodes de modélisation et de calcul théoriques ont d’abord été réalisées pour calculer, sélectionner et valider les composants clés du système et leurs valeurs. Une approche de conception et d’analyse paramétrique basée sur un modèle holistique a été adoptée pour générer et évaluer des alternatives de conception du système par rapport avec des critères de performance spécifiques. Par conséquent, une conception optimale du système de transfert d’énergie sans fil série-série a été obtenue avec un rapport de fréquence de résonance proche de l’unité et des performances élevées pour une large plage de couplage et de fréquences de fonctionnement. Du point de vue du contrôle du système, des analyses systématiques ont d’abord été effectuées pour comprendre en profondeur les relations entre les fréquences de fonctionnement et la puissance de sortie et identifier les fréquences optimales qui pourraient être potentiellement utilisées comme variables de contrôle pour optimiser les performances des systèmes. Au cours du processus, un triangle de puissance a été introduit pour relier fréquence, déphasage et puissance et suggérer un contrôle du dispositif de transfert d’énergie sans fil en mode dynamique. Cette démarche n’a pas besoin des informations côté secondaire du système. La méthode proposée a non seulement résolu les trois problèmes majeurs liés au contrôle des systèmes de transfert d’énergie sans fil série-série, à savoir la bifurcation de fréquence, les solutions multiples pour un rayon de contrôle et l’instabilité, mais a également assuré que le système pouvait atteindre un transfert de puissance maximale avec un rendement supérieur à 90% tant en statique qu’en dynamique. De plus, grâce au suivi des deux variables d’état, le système est auto protégé contre les circuits ouverts et les court-circuits.

Dynamic wireless power transfer is a promising solution for charging electric vehicles while driving. It is, however, technically challenging due to the loosely-coupled and dynamic nature of the system. To address this challenge, this thesis proposed a novel switching point control method to ensure a high and efficient power transfer for a wide range of coupling situations. The thesis took a deep dive into the series-series wireless power transfer and, from both design and control perspectives, thoroughly investigated all the technical aspects which could potentially affect the system performances in theory and practice. From the system design perspective, different theoretical modelling and calculation methods were first derived to compute, select and validate the key components of the system and their parameters. A holistic model-based parametric design and analysis approach was adopted to generate and evaluate design alternatives of the system against specified performance criteria. Consequently, an optimal design of the series-series wireless power transfer system was achieved with a close-to-one resonant frequency ratio and high performances for the wide ranges of coupling situations and operating frequencies. From the system control perspective, systematic analyses were first carried out to thoroughly understand the interrelations between the operating frequencies and output power and identify the optimal frequencies which could be potentially utilised as control variables for optimising the performance of the system. During the process, a power triangle effect was discovered to reveal the causal relationship between frequency, phase shift and power, and to provide insights into the control of dynamic wireless power transfer systems. The proposed control method did not only solve the three major problems related to the control of series-series wireless power transfer systems, i.e. frequency bifurcation, multiple solutions for one control radius and oscillation, but also ensured the system could achieve a high and efficient power transfer under dynamic operating conditions and in the meantime provide self-protection to the wireless power transfer systems.