MATRIX
chargeur eMbarqué à hAutT Rendement adapté aux applications VehIcule2Everything (v2X)
Les chargeurs embarqués sont des organes clés des véhicules électriques dont la fonction principale est d'assurer le transfert de puissance électrique du réseau alternatif (AC) vers la batterie en tension continue (DC). Toutefois, les travaux récents montrent l'intérêt d'exploiter l'énergie stockée dans les batteries lorsque les véhicules sont à l'arrêt, pour alimenter des charges à différentes échelles (V2L, V2H) ou encore apporter des services au réseau électrique (V2G) facilitant par exemple l'intégration des énergies renouvelables, l'écrêtage d epuissance ou encore le contrôle de fréquence du réseau. Ces applications Vehicule2Everything (V2X) au sens large requièrent des fonctionnalités avancées du chargeur embarqué incluant la bidirectionnalité du transfert de puissance ainsi que la capacité à fournir ou consommer de la puissance réactive, tout en assurant une isolation galvanique.
Ces contraintes soulèvent des problématiques de recherche quant aux choix de topologie et de commande rapprochée de l'électronique de puissance, qui auront à leur tour un impact sur le rendement global et la densité de puissance du chargeur (diminution du poids et du volume),enjeux majeurs pour alléger les contraintes de refroidissement et augmenter l'espace disponible ou l'autonomie.Dans ce but,une première solution innovante a été développée et fait l’objet d'un brevet en cours de dépôt. Elle exploite un montage à convertisseur matriciel (AC/AC direct, « Matrix converter ») raccordé d’une part au réseau, et d’autre part au circuit d’isolation fonctionnant à haute fréquence(HF), lui-même raccordé à un convertisseur AC/DC vers la batterie. Cette solution vise notamment à assurer des commutations douces de tous les interrupteurs de la structure, permettant une augmentation de la fréquence de découpage bénéfique au dimensionnement des composants passifs, ainsi qu’une forte réduction des pertes améliorant la gestion thermique.En s'appuyant sur cette première solution et plus généralement sur les travaux de recherche menés au L2EP sur les composants actifs et passifs mais également les structures de conversion, des compromis intéressants pourront se dégager pour la conception d'un chargeur AC/DC isolé bidirectionnel en exploitant les dernières technologies de composants semi conducteurs à large bande interdite (WBG : SiCetGaN) dans des topologies de conversion prometteuses avec des lois de commande adaptées.
Dans cette optique, des verrous scientifiques restent à lever. Pour assurer la commutation douce, des conditions spécifiques doivent être respectées concernant les courants dans le circuit HF, eux-mêmes dépendants à la fois de la commande du convertisseur matriciel et de celle du convertisseur AC/DC. Ces conditions imposent des contraintes sur le dimensionnement des composants magnétiques dans le circuit HF, et sont amplifiées en cas de fonctionnement V2X, en particulier lorsque le facteur de puissance n'est pas unitaire (échange de puissance réactive). La structure et le contrôle du convertisseur, incluant la partie AC/DC, doivent alors être adaptées pour réduire ces contraintes.En outre, une complexité supplémentaire est introduite lorsque le circuit HF est triphasé, configuration pourtant bénéfique pour transférer une puissance élevée et offrir une redondance en cas de panne. Cependant, la littérature scientifique ne propose pas de solutions à ces problématiques. Il est donc essentiel de développer de nouvelles approches à la fois sur la structure et le contrôle pour surmonter ces défis et exploiter pleinement le potentiel des convertisseurs à étage matriciel connecté au réseau. Ces approches devront être validées au moyen de simulations et de tests expérimentaux, faisant la preuve de performances élevées en termes de compacité et de rendement avec une telle structure adaptée aux applications V2X.