Laboratoire Ampère Unité Mixte de Recherche CNRS Génie Électrique, Électromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications

Transcription

1 Laboratoire Ampère Unité Mixte de Recherche CNRS Génie Électrique, Électromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications Laboratoire Ampère Octobre 21 Septembre 28 Laboratoire Ampère UMR 55 1

2 Laboratoire Ampère : où? INSA Lyon Ecole Centrale de Lyon 1 km Au 1/1/21 : 173 personnes 5 ens.-chercheurs: h 16 PU et 35 MCF 1 chercheurs CNRS: 4 DR et 6 CR 1 CR IRD, 2 autres personnels 2 ITARF dont 7 ITA CNRS 8 post-doctorants, 9 doctorants Université Claude Bernard Lyon 1 Laboratory Ampère UMR 55 2

3 Laboratoire Ampère: généralités 4 tutelles CNRS (INSIS + INEE) Ecole Centrale de Lyon INSA de Lyon Université Claude Bernard 3 disciplines Automatique Génie électrique Électromagnétisme Microbiologie environnementale Centre d'essais haute tension 7 plateformes expérimentales Centre d'essais CEM 1 objectif Ingénieries écologique et des systèmes mécatroniques Centre de caractérisation ti et de fiabilité des systèmes de stockage Plate-forme de microbiologie i environnementale 2 priorités Bioingénieriei i i Intégration de puissance Centre d'essais fluid power Plate-forme diagnostic 45 kw Bancs de caractérisation de composants de puissance Laboratoire Ampère UMR 55 3

4 Fonctions «électrifiables» dans une automobile Augmentation du nombre de dispositifs électriques et électroniques embarqués: Confort Sécurité traction Laboratoire Ampère UMR 55 4

5 Fonctions «électrifiables» dans une automobile Gestion Optimisation Véhicule électrique Stockage Perturbation Fiabilité Conversion Outils développés et compétences ces acquises liés aux plateformes es Laboratoire Ampère UMR 55 5

6 Dimensionnement et gestion de l énergie Quelle architecture? pour quel usage? 1, 2 ou 4 moteurs? Batterie, batterie + supercondensateur, r pile à combustible + supercondensateur r? Quelle énergie? Pour quel usage? Capacité et puissance de la batterie? des supercondensateurs? Besoin d une source d énergie? embarquée? PAC? Solaire?? Charge??? Auxiliaires / Equipements électriques 6

7 Dimensionnement et gestion de l énergie Dimensionner au plus juste Vitesse, couple, puissance et énergie nécessaire pour un trajet donné Gestion de l énergie sur le trajet Véhicule Trajet et topographie = Cahier des charges Gestion de l énergie 7

8 Direction avec assistance variable Pilotage en couple pour les DAE électrique et en vitesse pour les DAE électro hydraulique. Point clef : contrôle de l ondulation de couple Action sur la machine et sur la commande 8

9 Commande prédictive directe d un moteur synchrone à aimants permanents Application de la commande pour une direction assistée électrique Référence de couple Commande prédictive directe charge 8 Couple Cem (Nm) µ s t (ms) Inversion du couple nominal en moins de 6µs 9

10 % o Optimisation d une machine synchrone pour la traction électrique Optimisation géométrique: Optimisation de forme du pôle rotorique pour diminuer les ondulations de couple Minimisation de toutes les harmoniques de l induction à vide dans l entrefer (Opt1) Minimisation des harmoniques 5 et 7 (Opt2) Méthode semi-analytique pour quantifier : L influence de l inclinaison du rotor L influence de formes d ondes sur les ondulations de couple mental 2 1 Torque [Nm] 8 of the fundam Init Opt Opt Rang de l harmonique Harmonic number Comparaison des spectres pôles sinusoïdal et optimisés 6 Opt 2 Opt Init1 4 2 Time [s] Couple instantané 1

11 Optimisation d une machine synchrone pour la traction électrique Optimisation électrique: Prédétermination des formes d onde de courant pour limiter les ondulations de couple Compensation des défauts (temps morts) de l onduleur en utilisant le modèle moyen Torque (N.m) Current (A) Time (s) Formes d ondes de courant pour une ondulation de couple inférieure à 1% crête à crête. Avant compensation Après compensation Formes des courants et de tensions d une phase 11

12 Nouveaux Composants en électronique de puissance Pourquoi la haute température? Système compact Intégration aux moteurs électriques Réduction de taille Haute température ambiante Forte densité de puissance Composants haute température Exemple: système Stars Valeo Intégration 12

13 Nouveaux Composants en électronique de puissance Augmentation des puissances : Augmentation de la tension Exemple de réalisation: Convertisseur fonctionnant o à une température ambiante supérieure à 2 C, à base de composants en carbure de silicium Peut fonctionner à haute fréquence, pour diminuer le volume des composants passifs (condensateurs) Petite taille (taille des puces: 2 à 4 mm de côté) Le silicium n'est plus adapté, il faut des matériaux plus performants 13

14 CEM : définition Compatibilité ElectroMagnétique (CEM): L aptitude d un dispositif, d un appareil ou d un système à fonctionner dans un environnement électromagnétique éti de façon satisfaisante, i t et sans produire lui-même des perturbations ti électromagnétiques intolérables pour tout ce qui se trouve dans son voisinage Enjeux de la CEM : -Technique (conception) -Financier (coût) -Légal (immunité, normes) Cohabitation des systèmes de puissance et des systèmes bas niveaux (contrôle, commande, guidage ) Ampère: développement de méthodologies et d outils numériques pour la prédiction du comportement CEM des systèmes de puissance Laboratoire Ampère UMR 55 14

15 Exemple de modélisation CEM: association convertisseur - machine LISN Va Vb Vc HEATSINK HEATSINK Imo Icbre Icbmo Vcm LISN Rectifier 1m cable Inverter 5m cable Motor 15

16 Systèmes de Stockage d Energie électrique (SSE) SSE usuels utilisés actuellement dans les véhicules électriques ou hybrides Accumulateurs = batteries (Lithium ion, NiMH, ) Supercondensateurs = composants à supercapacité p Accumulateurs 3 F 2,7 V Sources d énergie 1 1 h 1 h 6 min 36 s 3,6 s Les supercondensateurs stockent moins d énergie que les batteries mais présentent : des courants de charge et décharge élevés (plusieurs 1 d A) des faibles durées de charge (de l ordre de 1 s à quelques 1 s) une durée de vie ou nombre de cycles élevés ( quelques 1 cycles) par rapport aux accumulateurs (quelques 1 cycles) Energie massique (Wh/kg) ,1 Accumulateurs,36 s 36 ms 1 3,6 ms,1 Supercondensateurs Condensateurs Supercondensateurs,36 ms Puissance massique (W/kg) Sources de puissance Composant idéal pour la récupération de l énergie de freinage (durée de charge de quelques s) Utilisé aussi en complément des batteries pour limiter leurs contraintes et donc améliorer leur durée de vie Laboratoire Ampère UMR 55 16

17 AMPERE et l amélioration de la sûrete de fonctionnement des SSE Exemple de structures multisource Sens du transfert de l énergie Fiabilité des convertisseurs DC AC MAS 3 Gestion d énergie entre les différents convertisseurs avec prise en compte des lois de vieillissement illi des SSE DC DC DC DC Modélisation électrothermique et caractérisation des SSE Estimation des durées de vie des SSE Amélioration de leur sûreté de fonctionnement (fiabilité, diagnostic) Système de Management Système de Management Laboratoire Ampère UMR 55 17

18 Quelques partenaires industriels d AMPERE ª Optimisation des cycles de charge décharge des batteries lithium-ion au regard des pertes occasionnées et de leur fiabilité ª Estimation de la durée de vie des supercondensateurs utilisés pour récupérer l énergie de freinage des trolleybus ERCTEEL g de batteries lithium-ion m p q y Caractérisation des usages pour véhicules électriques ou hybrides E Etude du vieillissement et de la fiabilité des batteries associées aux supercondensateurs Courant(A) C ª Modélisation électrothermique de batteries dans les véhicules électriques et hybrides Coourant (A) ª Time (s) Time (s) 2 25 Laboratoire Ampère UMR 55 18