Convertisseur haut rendement à dimensionnement réduit

N˚d’ordre : 307
CENTRALE LILLE
THÈSE
présentée en vue
d’obtenir le grade de
DOCTEUR
En
Spécialité : Génie Électrique
Par
Nicolas ALLALI
Ingénieur en Génie Électrique de l’ESIGELEC de Rouen
Titre de la thèse :
Convertisseur haut rendement à dimensionnement
réduit pour batterie hybridée puissance/énergie de
véhicule électrique :
Principe de source de courant contrôlée
Soutenue le 12 Décembre 2016 devant le jury d’examen :
Rapporteur M. Yves Lembeye Professeur IUT1 UJF - G2Elab
Rapporteur M. Serge Pierfederici Professeur ENSEM - GREEN
Examinateur M. Christophe Forgez Professeur UTC - LEC
Directeur de thèse M. Philippe Le Moigne Professeur - Centrale Lille - L2EP
Examinateur M. Patrick Bartholomeus Maître de Conférences - Centrale Lille
Examinateur Mme Isabelle Bouessay, Docteur, Responsable stockage d’énergie - PSA
Invité M. Philippe Baudesson, Docteur, Directeur R&D - Valeo
Invité M. Michael Chemin Responsable métier électronique - Valeo
Thèse préparée dans le Laboratoire L2EP
École doctorale SPI 072 (Centrale Lille)

TABLE DES MATIÈRES
Remerciements 8
Introduction générale 11
I Véhicule électrique et stockage électrique hybride 15
I.1 Véhicules électriques et système de stockage associé . . . . . . 16
I.1.1 État de l’art du véhicule électrique . . . . . . . . . . . 16
I.1.2 Besoins énergétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
I.2 Le stockage électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
I.2.1 Constitution d’un module de stockage . . . . . . . . . 21
I.2.2 Le stockage électrochimique . . . . . . . . . . . . . . . 22
1) Généralités ................... 22
2) Le stockage au lithium-ion . . . . . . . . . . . 25
3) La pile à combustible . . . . . . . . . . . . . . 28
I.2.3 Les supercondensateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
I.2.4 Synthèse des technologies de stockage . . . . . . . . . . 32
I.3 L’hybridation dans les stockeurs . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
I.3.1 Pourquoi l’hybridation ? . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
I.3.2 Association Batterie/Supercondensateurs . . . . . . . . 36
I.3.3 Association Pile à combustible/Supercondensateurs . . 38

TABLE DES MATIÈRES
I.3.4 Association Pile à combustible/Batterie . . . . . . . . . 39
I.3.5 Association Batterie/Batterie . . . . . . . . . . . . . . 40
I.3.6 Synthèse.......................... 41
I.4 Convertisseurs DC/DC d’interfaçage du stockage hybride au
bus continu de la chaîne de traction . . . . . . . . . . . . . . . 41
I.4.1 Couplages possibles des deux éléments de stockage au
buscontinuU....................... 41
I.4.2 Tensions de stockage différentes : Ve6=Vp........ 43
I.4.3 Tensions de stockage similaires : Ve'Vp........ 45
I.4.4 Conclusion......................... 47
I.5 Définition du système de stockage de référence . . . . . . . . . 47
I.5.1 Cahier des charges du stockage attendu . . . . . . . . . 47
I.5.2 Choix des technologies HE/HP et de leurs associations 49
I.5.3 Couplage des stockages HE/HP et gestion de l’énergie 50
I.5.4 Taux d’hybridation HE/HP ............... 52
I.6 Conclusion............................. 57
II Étude d’un convertisseur DC/DC pour batterie électrique hy-
bride 59
II.1 Couplage de deux sources de tension . . . . . . . . . . . . . . 60
II.1.1 Couplage par source de courant contrôlée . . . . . . . . 62
1) Puissance de fonctionnement théorique . . . . 62
2) Rendement énergétique théorique . . . . . . . 64
II.1.2 Comparatif des couplages par quadripôle et par SCC . 66
II.2 Contraintes électriques du convertisseur . . . . . . . . . . . . . 69
II.3 Solution classique abaisseur-élevateur . . . . . . . . . . . . . . 71
II.3.1 Structures......................... 71
II.3.2 Commande du montage à stockage intermédiaire inductif 72
1) Commande rapprochée générale . . . . . . . . 72
2) Commande rapprochée spécifique . . . . . . . 73
II.3.3 Dimensionnement des composants . . . . . . . . . . . . 76
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TABLE DES MATIÈRES
1) Choix de la fréquence de commutation f. . . 76
2) Inductance L.................. 77
3) Condensateurs Ceet Cp............ 79
4) Interrupteurs [S1;D1]à[S4;D4]........ 81
II.3.4 Résultats de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
II.3.5 Rendement du convertisseur . . . . . . . . . . . . . . . 87
II.3.6 Bilan du convertisseur à stockage intermédiaire inductif 88
II.4 Source de Courant Contrôlée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
II.4.1 Implémentation du convertisseur . . . . . . . . . . . . 89
II.4.2 Définition du montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
1) Principe de la source de courant contrôlée I. 90
2) Structure à transformateur . . . . . . . . . . 91
3) Définition des étages Onduleur et Redresseur 92
4) Définition de l’inductance L.......... 95
II.4.3 Commande du montage à source de courant contrôlée . 95
1) Commande de l’onduleur . . . . . . . . . . . 96
2) Commande du redresseur . . . . . . . . . . . 97
A Commande idéale . . . . . . . . . . . 97
B Commande avec prise en compte de
l’inductance de fuite . . . . . . . . . 100
C Temps d’empiètement . . . . . . . . 107
II.4.4 Dimensionnement des composants . . . . . . . . . . . . 109
1) Choix de la fréquence de commutation . . . . 109
2) Transformateur Tr............... 110
3) Inductance L.................. 111
4) Interrupteurs Q1àQ4et T1àT4....... 112
5) Condensateur Cf................ 114
II.4.5 Signaux en simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
II.4.6 Rendement du convertisseur . . . . . . . . . . . . . . . 117
II.4.7 Bilan de la source de courant contrôlée . . . . . . . . . 118
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