Analyse électrothermique des faisceaux de câbles de puissance : une contribution à l’optimisation des systèmes de distribution d’énergie dans les véhicules routiers à propulsion électrique

Electro-thermal analysis of power cable harnesses : a contribution for the optimization of energy distribution systems in road vehicles with electric drives

• Auteur / Autrice : Christophe Holyk
• Direction : Sébastien Grondel, Hans-Dieter Ließ
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 04/12/2014
• Etablissement(s) : Valenciennes en cotutelle avec Universität der Bundeswehr (Munich, Allemagne)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Partenaire(s) de recherche : Communauté d'Universités et Etablissements (ComUE) : Communauté d'universités et d'établissements Lille Nord de France (2009-2013)
• Jury : Président / Présidente : Jonathan Swingler
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Grondel, Hans-Dieter Ließ, Bruno Allard, Ralph Schacht, George J. Anders, Patrick Lagonotte, Helmut Kanbach, Frank Hübner
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Allard, Ralph Schacht

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrotechnique

Thermique

Véhicules électriques hybrides

Câblage électrique

Véhicules électriques

Mots clés libres

Câbles unipolaires

Multi-Conducteur

Connecteur

Faisceau électrique véhicule

Dimensionnement thermique

Température

Capacité de transport de courant

Single-Core and multi-Core cable

Connector

Vehicle cable harness

Thermalrating

Temperature rise

Current-Carrying capacity

Ampacity

Résumé

Dans le contexte de la montée des préoccupations écologiques, le développement de véhicules de transports routiers s’oriente vers le développement de véhicules moins polluants à entraînement électrique comme les Véhicules Électriques Hybrides (VEHs) et les Véhicules tout Électriques (VEs). Avec l’augmentation des puissances requises et la réduction de l’espace disponible, la gestion thermique devient une préoccupation de plus en plus importante lors du développement des composants embarqués comme les moteurs/générateurs électriques, onduleurs, batteries et faisceaux électriques. Parmi eux, le faisceau électrique de puissance qui est typiquement composé de câbles électriques, de connecteurs et de boîtes de distribution de puissance ne peut être conçu de manière appropriée qu’à la suite d’une analyse thermique, électrique, chimique et mécanique approfondie.Cette thèse est écrite pour contribuer à l’optimisation de la conception électrothermique de faisceaux de câbles par des simulations afin de réduire la quantité de tests expérimentaux nécessaires pour leur développement. Des modèles théoriques pour la prédiction du comportement électrique et thermique de câbles électriques et des faisceaux de câbles sont passés en revue et adaptés aux exigences automobiles. La validation est accomplie en comparant les résultats de simulation avec ceux d’analyses élément finie (FEA) et de données de mesure. Une partie majeure de cette thèse aborde la simulation thermique de câbles électriques de longueur infinie suspendus dans l’air, prenant en compte les dépendances en température des résistances de conducteurs et la non-linéarité du coefficient de transfert thermique total à la surface du câble. L’influence des courants de blindage et de courants arbitraires dans les conducteurs sur la montée en température des câbles électriques est considérée dans des circuits thermiques équivalents et illustré par des exemples pratiques.

In the context of growing ecological concerns, the development of road transport vehicles moves itself toward the development of less polluting vehicles with electric drives such as Hybrid Electric Vehicles (HEVs) and full Electric Vehicles (EVs). With rising power requirements and reducing available space, thermal management is becoming an increasingly important concern during development of on-board vehicle components such as electric motor(s)/generator(s), power inverter(s), battery pack(s) and cable harnesses. Among them, the cable harness which is typically composed of electrical cables, connectors and power distribution boxes can only be designed properly after a detailed thermal, electrical, chemical and mechanical analysis.This thesis is written to contribute to the optimization of the electro-thermal design of cable harnesses through simulations and reduce the amount of experimental testing needed during their development. Theoretical models for the prediction of the electrical and thermal behavior of electric cables and cable harnesses are reviewed and adapted for automotive requirements. Validation is accomplished by comparing simulation results with Finite Element Analysis (FEA) and measurement data. A major part of this thesis addresses the thermal simulation of electrical cables of infinite length installed in air, taking into account the temperature dependencies of conductor resistances and non-linearity of the total heat transfer coefficient at the cable surface. The influence of shielding currents and arbitrary current loads in the conductors on the temperature rises within electric cables is also considered using thermal ladder networks and illustrated by practical examples. Because shielding currents in vehicles are not only caused by induced currents but also by functional electrical currents generated by low-voltage power sources, new theoretical studies and experimental observations for the estimation of these currents as a function of the vehicle electrical architecture and circuit characteristics are presented. A primary finding reveals that keeping the resistance of grounding connections low compared to that of the shielding connections is an appropriate but expensive means for limiting the transfer of functional currents in the shielding circuits. Finally, a complete and modular model for the prediction of transient temperatures along the length of cable harness sections is developed and validated based on the outcomes of all previous findings.