Dimensionnements et comparaisons de convertisseurs

LABORATOIRE DE GENIE ELECTRIQUE DE PARIS
SUPELEC - CNRS UMR 8507
Université Pierre et Marie Curie - Université Paris-Sud
11 rue Joliot Curie Plateau de Moulon 91192 Gif-sur-Yvette Cedex
Tél. 01 69 85 16 33 Fax 01 69 41 83
" Dimensionnements et comparaisons de convertisseurs électromécaniques à bas coût
et à grande disponibilité pour véhicules électriques "
Contexte
L'électrification des véhicules constitue une des solutions mises en œuvre par les constructeurs
automobiles dans la lutte contre les émissions de gaz polluants et pour la réduction des
consommations. Pour les chaînes de traction, les solutions adoptées sont le véhicule hybride (actions
combinées d'une machine électrique et d'un moteur à combustion) ou la voiture totalement électrique.
Dans la majorité de ces véhicules, les convertisseurs électromécaniques sont des machines synchrones
à aimants permanents (MSAP). Cette technologie est attrayante en termes de ratio poids/puissance et
de rendement mais elle ne permet plus aujourd'hui de satisfaire des critères de rentabilité pour une
production de masse. En effet, le prix des aimants en terres rares a fortement augmenté durant ces
dernières années [1].
Afin de rendre populaires les véhicules électriques ou hybrides, il est nécessaire de parvenir à un coût
du véhicule acceptable tout en garantissant un impact environnemental minimum. Dans ce contexte,
les machines à réluctance variable (MRV) et les machines asynchrones (MAS) sont de bonnes
candidates. Elles présentent toutes deux des caractéristiques de robustesse très bien connues et leurs
principaux composants offrent une indépendance par rapport aux pays producteurs et sont recyclables.
Quelques constructeurs [2] et industriels ont déjà équipé avec succès des prototypes et des petites
séries de véhicules avec ces types de machine, voir figure ci-dessous.
Figure 1 : Moteur à réluctance variable couplé à un moteur thermique (Smart Forfour) [3].
Ceci grâce notamment aux nombreux travaux qui ont pu être réalisés depuis quelques années.
Les performances de la MRV ont pu être améliorées par la mise en place de stratégies de contrôle
("conduction continue" pour le couple moyen, mise au point d’estimateurs de grandeurs physiques
éliminant ainsi les capteurs, prises en compte de défaut…) [4]. Il en est de même pour les défauts en
termes de bruits et de vibrations des technologies classiques de MRV. Des règles élémentaires de
construction et une commande adéquate peuvent réduire notablement ces vibrations [5][6].
Les machines asynchrones sont des structures industriellement matures, elles sont déjà largement
utilisées dans d'autres secteurs du domaine du transport (ferroviaire). Leur électronique de puissance et
les algorithmes de commande associés sont bien connus et parfaitement au point. Par exemple, le
dimensionnement d’une MAS avec sa commande est décrit dans la référence [7].
Ces dernières années, ces machines ont été délaissées au profit des MSAP principalement à cause de
leur rendement. Les tableaux suivants donnent des caractéristiques de moteurs destinés à la traction.
Les rendements maximums des MAS et MRV sont légèrement inférieurs à la MSAP. Ce qui se traduit
inévitablement pour le véhicule électrique par une augmentation du volume embarqué des batteries et
donc du coût total.
(a) [2]
(b) [8]
Figure 2 : Comparaisons des caractéristiques de moteurs électriques pour la traction.
Sur la figure ci-dessous, les cartographies de rendement de trois moteurs dimensionnés classiquement
pour respecter les courbes enveloppes, sont représentées. D'un point de vue purement énergétique,
selon les zones de fonctionnement un type de machine peut être préféré.
Figure 3 : Cartographies de rendement de trois machines électriques [2].
En outre, en agissant sur le dimensionnement de l'ensemble "commande-structure de la machine", les
zones de fort rendement peuvent être déplacées vers les zones les plus fortement sollicitées.
Les figures ci-dessous montrent les cartographies de rendement et de pertes de deux machines
synchrones à flux axial dimensionnées sur des zones de fonctionnement différentes (marqueurs noirs).
Dans le cas (a), la première zone est caractérisée par des couples importants à basse vitesse, quant au
cas (b) c’est le contraire. Les dimensionnements ont été effectués en minimisant l’ensemble des pertes
sur les points de fonctionnement et pour respecter la courbe enveloppe.
(a)
(b)
Figure 4 : Cartographies de rendements et de pertes obtenues après dimensionnent
sur différentes zones de fonctionnements.
On constate qu’il est possible de "déplacer" les rendements ou de réduire les pertes dans des zones
bien distinctes. L’approche développée ici pourrait être appliquée au MRV et MAS de manière à les
rendre encore plus attractives pour des applications de traction.
Objectifs de la thèse
Les travaux à mener dans cette thèse s'appuient sur les expertises de deux composantes de Supelec
(Département Energie et LGEP) sur ces différents types de machines (à réluctance - double saillance
ou synchrone- et Asynchrone) et se décomposeront comme suit :
-Une étude bibliographique sera effectuée sur les machines à réluctance et asynchrone. Sur
bases d’articles scientifiques et de brevets, il s’agira de mettre en avant les structures les plus utilisées
dans le domaine automobile. Il s'agit de privilégier les structures dont les convertisseurs sont les plus
classiques (pont triphasé).
-La seconde partie aura pour objectifs la mise au point de modèles analytiques ou semianalytiques. Les modèles devront être rapides afin d’être couplés avec des logiciels d’optimisation
mais également assez précis pour pouvoir en extraire les différentes pertes. Les précédents modèles
pourront être validés au laboratoire sur deux bancs existants.
- Sur bases de différents cahiers des charges propres aux véhicules électriques ou hybrides
fournis par les constructeurs, des machines électriques seront dimensionnées et comparées. Il s’agira
d’aboutir à des structures optimales en termes d’encombrement et de pertes sur cycles. Les résultats
pourront être ensuite validés grâce à des calculs 2D ou 3D éléments finis. Les outils de
dimensionnement comme MRVsim (logiciel dédié à la conception de MRV double saillance) ou les
stratégies d’optimisation élaborées au laboratoire pourront être mis à profit.
- La quatrième partie de cette thèse pourra être consacrée à la construction de prototypes si un
partenariat en permet le financement. Ils pourront être dimensionnés à échelle réduite mais suivant les
caractéristiques de machines existantes afin de mettre en avant les gains obtenus dans le plan couplevitesse.
Personnes à contacter
Guillaume Krebs
Philippe Dessante
Jean Claude Vannier
Claude Marchand
[1]
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[6]
[7]
[8]
01 69 85 16 62 [email protected]
01 69 85 15 39 [email protected]
01 69 85 15 01 [email protected]
01 69 85 16 58 [email protected]
Directeur de Thèse
http://www.20minutes.fr/economie/746745-flambee-prix-terres-rares-produits-grande-consommation-menaces.
T. Finken, M. Felden, K. Hameyer, "Comparison and design of different electrical machine types regarding their applicability in hybrid
electrical vehicles", Proceedings of the 2008 international conference on electrical machines
S. Faid, P. Debal and S. Bervoets, " Development of a Switched Reluctance Motor for Automotive Traction Applications", 25th World
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