Analyse par le plan de phase et optimisation d'un convertisseur résonant CLLC pour chargeur de véhicule bidirectionnel

par Mohsen Rezayati

Projet de thèse en Genie electrique

Sous la direction de Jean-luc Schanen.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes en cotutelle avec Sharif University of Technology , dans le cadre de Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal (EEATS) , en partenariat avec Laboratoire de génie électrique (Grenoble) (laboratoire) et de Electronique de Puissance (equipe de recherche) depuis le 15-10-2018 .


  • Résumé

    Aujourd'hui, les véhicules électriques ont gagné en popularité. Le chargeur de batterie est un élément clé de la mobilité électrique. Une charge rapide, une haute efficacité, un faible coût, une haute densité de puissance et une grande fiabilité sont les caractéristiques les plus importantes d'un chargeur de véhicule électrique. Les convertisseurs électroniques de puissance utilisés dans le chargeur jouent un rôle important dans la réalisation des fonctions ci-dessus. Les convertisseurs PWM classiques ont une efficacité limitée en raison de la commutation difficile et de la faible densité de puissance due à la fréquence de commutation basse. Grâce à la commutation douce, les convertisseurs résonnants peuvent fournir un rendement élevé et une densité de puissance élevée par rapport aux convertisseurs PWM. Parmi les différentes topologies des convertisseurs résonnants, les convertisseurs résonnants LLC peuvent assurer un fonctionnement ZVS pour les commutateurs latéraux primaires (onduleur) et ZCS pour le secondaire (redresseurs). Par conséquent, la perte de commutation est minimale et le convertisseur peut être utilisé dans des applications à très haute fréquence. Mais le convertisseur résonnant LLC est unidirectionnel, cela signifie que la puissance ne peut être transférée que de la grille à la batterie du véhicule. Les opérateurs de réseaux électriques peuvent tirer parti des véhicules électriques équipés de technologies de véhicule à réseau (V2G) pour résoudre les problèmes de gestion de la congestion du réseau. Les systèmes V2G nécessitent essentiellement un convertisseur de puissance bidirectionnel entre les VE et le réseau. Le convertisseur résonnant CLLC est de nature bidirectionnelle et constitue un candidat approprié pour les futurs systèmes V2G. Le convertisseur résonnant CLLC peut être conçu avec une fréquence de commutation très élevée et une densité de puissance élevée. En outre, le faible courant de désactivation entraîne une perte de puissance à faible arrêt dans les commutateurs de l'onduleur. En outre, les conditions de démarrage et la protection contre les courts-circuits du convertisseur résonnant CLLC sont meilleures que celles du convertisseur résonnant LLC. Le convertisseur résonnant CLLC est un convertisseur multi-résonant et son comportement résonnant est difficile à analyser en raison de plusieurs modes de fonctionnement et fréquences de résonance. La première approximation harmonique (FHA) est traditionnellement utilisée pour obtenir le comportement du convertisseur CLLC. Dans cette méthode, seule la composante fondamentale de la tension de l'onduleur est prise en compte pour le calcul des caractéristiques de gain et de la contrainte des commutateurs. FHA n'est pas précis et ne fournit pas le comportement précis du convertisseur CLLC. De plus, en cas de changement de charge, l'erreur peut être plus grande. Pour tenter de corriger l'incapacité de la FHA, une approche de modélisation et de contrôle du domaine temporel sera introduite dans cette thèse. En outre, une procédure de conception optimisée pour le convertisseur CLLC basée sur les résultats d'analyse de plan d'état sera présentée. Grâce à l'analyse par plan d'état, la valeur exacte des contraintes de résonance du réservoir et du commutateur sera obtenue et, par conséquent, la conception du convertisseur peut être réalisée de manière optimale pour une large gamme de zones de fonctionnement. Enfin, la technique de plan d'état du convertisseur CLLC est utilisée pour analyser le démarrage, les caractéristiques dynamiques et le contrôle de charge de la batterie. Par conséquent, grâce à une modélisation précise du convertisseur basée sur une analyse par plan d'états, une conception optimale et un contrôle précis de ce convertisseur seraient effectués dans ce travail et un chargeur de batterie bidirectionnel stable et de haute précision serait expérimenté.

  • Titre traduit

    State-plane analysis and optimization of the CLLC resonant converter for bidirectional EV charger


  • Résumé

    Today electric vehicles (EVs) have gained more and more popularity. A key element of electric mobility is the battery charger. Fast charging, high efficiency, low cost, high power density, and high reliability are the most important features of an electric vehicle charger. The power electronic converters which are used in the charger, play an important role in the fulfillment of the above features. The conventional PWM converters have limited efficiency because of hard switching and low power density due to low switching frequency. Thanks to soft switching, resonant converters can provide high efficiency and high power density compared to PWM converters. Among different topologies for resonant converters, the LLC resonant converters can provide ZVS operation for the primary side switches (inverter) and ZCS for the secondary side switches (rectifier). Therefore the switching loss is minimum and the converter can be used in very high frequency applications. But the LLC resonant converter is unidirectional, it means that the power can only transfer from grid to the vehicle battery. Power system operators may take advantage of EVs equipped with vehicle-to-grid (V2G) technologies to deal with network congestion management issues. V2G systems essentially require a bidirectional power converter between the EVs and the grid. The CLLC resonant converter is bidirectional in nature and is an appropriate candidate for future V2G systems. The CLLC resonant converter can be designed with very high switching frequency and high power density. Furthermore, the small turn off current lead to low turn off power loss in inverter switches. Also, startup condition and short-circuit protection of CLLC resonant converter are better than the LLC resonant converter. The CLLC resonant converter is a multi-resonant converter and its resonant behavior is hard to analyze because of several operation modes and resonance frequencies. The first harmonic approximation (FHA) is traditionally used to achieve the behavior of the CLLC converter. In this method, only the fundamental component of the inverter voltage is considered for calculating of gain characteristics and stress of switches. FHA is not accurate and does not provide the accurate behavior of the CLLC converter. Furthermore by change in load, the error may be more increased. As an attempt to rectify the FHA incapability, a time domain modelling and control approach will be introduced in this thesis. In addition, an optimized design procedure for the CLLC resonant converter based on state-plane analysis results will be presented. Using state-plane analysis, the exact value of resonant tank and switch stresses will be obtained and consequently, the design of converter can be performed optimally for a wide range of operating area. Finally, the state-plane technique for the CLLC converter is applied for analyzing of startup, dynamic characteristic and charge control of battery. As a result, by accurate modeling of converter based on state-plane analysis, optimal design and precise control of this converter would be performed in this work and a high accuracy and stable bidirectional battery charger would be experimented.