Vers une nouvelle génération de convertisseur pour optimiser la chaîne de traction électrique

Thèse de Antoine Sabrié : « Proposition et mise en œuvre d’une topologie d’onduleur multifonctionnel à tension de bus régulée pour la traction électrique » 

Dans les chaînes de traction des véhicules électriques, il est nécessaire de convertir la tension de type continu fournie par la batterie en tensions triphasées alternatives pour alimenter la machine électrique du véhicule. Cette conversion est réalisée à partir d’une électronique de puissance embarquée dans le véhicule, appelée onduleur. C’est également par le biais de cet onduleur que le moteur électrique est piloté, de manière à faire varier sa vitesse ou son couple.

Dans le cas idéal, on aimerait pouvoir convertir la totalité de la tension disponible pour alimenter le moteur électrique. En réalité, par le principe inhérent à la conversion par l’onduleur, on ne peut alimenter le moteur qu’avec des tensions alternatives dont l’amplitude maximale est de 57% de la valeur de tension délivrée par la batterie. Outre cette limitation, liée à la structure de la topologie utilisée, des chutes de tension variables peuvent survenir dans la chaîne de traction. Celles-ci peuvent par exemple se produire en fonction de l’état de charge de la batterie, ou en fonction de la température à laquelle évoluent les éléments de la chaîne de traction. Toutes ces chutes de tension, intrinsèques ou d’origines externes, vont alors réduire les performances de la machine pilotée. 

Dans un premier temps, ces travaux de thèses ont permis d’étudier et de modéliser finement les phénomènes physiques à l’origine de chutes de tension intrinsèques des convertisseurs. À ce titre, un modèle analytique a été proposé et confronté à des données expérimentales, démontrant ainsi une bonne estimation de ces phénomènes [1]. 

Par ailleurs, dans l’industrie, une solution utilisée pour s’affranchir de la limitation en tension de l’onduleur est d’ajouter un convertisseur DC – DC élévateur. L’inconvénient de cette solution est qu’elle introduit un deuxième étage de conversion pouvant impacter le rendement global et la fiabilité de la chaîne de traction. De plus, ces dernières années, de nouvelles architectures ont été envisagées pour mutualiser des fonctions de conversion et ainsi réduire le coût, le volume et le poids de la chaîne de traction tout en améliorant son rendement global. C’est ainsi que des architectures d’onduleur élévateur en un étage de conversion, sans ajout d’un étage de conversion DC - DC supplémentaire, ont été proposées dans la littérature. L’une de ces architectures apparue récemment, l’onduleur à Split Source (SSI¹), présente des avantages compétitifs par rapport à ses homologues. Néanmoins, nous avons montré que ce convertisseur était incompatible avec la traction électrique [2]. En effet, ce dernier fait perdre un degré de liberté nécessaire au pilotage d’un moteur électrique et ne présente pas de capacité à récupérer l’énergie au freinage, fonction également primordiale pour les applications de traction. 

Pour surmonter ces limitations, nous avons introduit un nouveau convertisseur : le B-ASSI [2]. Compatible avec les applications de traction, il a été réalisé et validé expérimentalement à travers une preuve de concept de quelques kW (Figure 1(a)). Le pilotage du convertisseur (Modulation à Largeur d’Impulsion), ainsi que son contrôle, ont également été développés. Les résultats montrent que le B-ASSI offre plus de points de fonctionnement que les convertisseurs traditionnels (Figure 1(b)).

Enfin, ces travaux ont ouvert la voie à l'ajout d'une fonction d'abaissement de la tension d’alimentation de l’onduleur, ce qui permet d’optimiser le fonctionnement à bas régime, réduisant la température et les oscillations de couple et améliorant en définitive les performances de la machine électrique [3]. Une extension du B-ASSI, incluant cette fonctionnalité, a été proposée et validée expérimentalement.

Ces travaux ouvrent la voie à une application plus large des architectures à Split Source dans la traction électrique, tout en mettant en lumière les avantages de cumuler plusieurs fonctions dans un même convertisseur pour optimiser la chaîne de traction.

^1- Split Source Inverter.
  

Références :

1. A. Sabrié, A. Battiston, F. Vidal-Naquet, J. -Y. Gauthier and X. Lin-Shi, Analytical Derivation of Output Distortions Harmonics Caused by Voltage Source Inverter Non-Linearities in PMSM Drives, 25th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’23 ECCE Europe), Aalborg, Denmark, 2023.
   >> https://hal.science/hal-04308904
      

2. A. Sabrié, A. Battiston, J. -Y. Gauthier, X. Lin-Shi, Three-phase bidirectional active split source inverter for automotive traction application, Mathematics and Computers in Simulation, 2023.
   >> https://doi.org/10.1016/j.matcom.2023.08.045 
      

3. A. Sabrié, A. Battiston, J. -Y. Gauthier and X. Lin-Shi, Investigation of the modulation index tuning advantages for voltage source inverters with adjustable DC-bus voltage, 23rd European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’21 ECCE Europe), Ghent, Belgium, 2021.
   >> https://hal.science/hal-03811000
   
      

Contact scientifique : antoine.sabrie@ifpen.fr

>> NUMÉRO 56 DE SCIENCE@IFPEN