Analyse d’une architecture de puissance dédiée aux modes traction–recharge dans un véhicule électrique. Optimisation de la commande et fonctionnement en mode dégradé

Analysis of power electronic architecture intended for drive–recharging modes in electric vehicle. Optimization of control and degraded mode operation

• Auteur / Autrice : Abdelfatah Kolli
• Direction : Eric Labouré, Gérard Coquery
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 11/12/2013
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....) - Laboratoire des technologies nouvelles (Versailles)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Hissel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Labouré, Gérard Coquery, Daniel Hissel, Éric Semail, Babak Nahid-Mobarakeh, Éric Monmasson, Olivier Bethoux, Alexandre de Bernardinis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Semail, Babak Nahid-Mobarakeh

Mots clés

Mots clés contrôlés

Convertisseurs électriques

Commande automatique

Électronique de puissance

Véhicules électriques

Mots clés libres

Véhicules électriques

Électronique de puissance

Machine synchrone à aimants permanents

Fiabilité

Convertisseurs tolérants aux pannes

Contrôle-commande

Modulation de la largeur d’impulsion

Electric vehicles

Power electronics

Permanent magnet synchronous machine

Reliability

Fault-tolerant converters

Control

Pulse-width modulation

Résumé

La problématique de recherche abordée dans ce mémoire de thèse découle de l’étude approfondie d’une association convertisseur-machine dédiée aux modes traction et recharge d’un véhicule électrique. Il s’agit d’un onduleur triphasé constitué de trois onduleurs monophasés connectés à une machine triphasée à phases indépendantes.Dans le chapitre II, une étude comparative entre deux solutions industrielles montre que l’architecture étudiée offre des caractéristiques compétitives notamment en termes de rendement global du convertisseur, performances mécaniques, et surface de silicium nécessaire.Par ailleurs, outre la possibilité de mutualiser les trois fonctions du véhicule que sont la traction, la recharge (rapide ou lente) et l’assistance du réseau électrique, cette topologie offre plusieurs atouts : des possibilités variées d’alimentation et donc un potentiel intéressant de reconfiguration en marche dégradée. La thématique abordée dans les chapitres III et IV est donc centrée sur l’optimisation des stratégies de contrôle de cette structure vis-à-vis de deux types de défauts : les imperfections intrinsèques du système d’une part et les défaillances accidentelles d’autre part.Dans un premier temps, un travail approfondi sur les méthodes de modulation de largeur d’impulsion a permis de synthétiser une stratégie offrant une faible sensibilité vis-à-vis des imperfections de la commande et de la non-linéarité du convertisseur. Dans un second temps, il a été montré qu’en cas de défaillance d’un composant à semi-conducteur, il était obligatoire de recourir à la reconfiguration matérielle de la topologie. L’architecture permettant la continuité de service a été étudiée du point de vue de sa commande. Son analyse nous a amenés à proposer une structure de contrôle basée sur des solutions automatiques simples et efficaces. Finalement, le principe du fonctionnement en marche dégradée a été étendu au fonctionnement normal dans le but d’en améliorer le rendement sur cycle.

This Ph.D. thesis focuses on a novel combination of a frequency converter and an electric machine specially dedicated to traction drive and battery recharging modes of an electric vehicle (EV). This power architecture is composed of a six legs voltage inverter connected to a three-phase open-end winding machine. Chapter II details a quantitative comparison between two industrial power architectures and concludes that the SOFRACI powertrain is a competitive solution in terms of power converter efficiency, drive mechanical performances, and required silicon area.This architecture offers the attractive possibility of combining three important functions: traction and braking, battery charging and connecting the energy storage to a smart grid. In addition, this topology offers several advantages such as various motor feeding possibilities and a high degree of reconfiguration in degraded operating mode. The third and fourth chapters of this thesis concern the optimization of control strategies with regard to two types of faults: firstly the inherent imperfections in the converter itself (non modeled non-linearity and ineffective synchronization of control values) and secondly accidental failures. In the first case, an analysis of the pulse width modulation (PWM) methods enables the creation of a PWM strategy with a very low sensitivity to PWM uncertainties and the non-linear behavior of the power converter.In the second case, in the event of a faulty semiconductor device, it is shown that a hardware reconfiguration is required to enable an emergency traction mode. The sustainability of the traction mode is then examined with respect to the control strategy. This analysis leads to an innovative control structure based on basic and easy to implement solutions. Finally, the degraded mode operation principles have been extended to normal mode operation for the purpose of enhancing the cycle efficiency.