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Conception d'un convertisseur électronique de courant continu à fréquence de commutation adaptative et commutation douce pour l'entraînement d'une voiture électrique

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Blanchard St-Jacques, Benoit (2011). Conception d'un convertisseur électronique de courant continu à fréquence de commutation adaptative et commutation douce pour l'entraînement d'une voiture électrique. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ce document présente les étapes de réalisation d'un convertisseur de courant continu de 60kW pouvant être inclus dans l'entraînement électronique pour voiture électrique de l'entreprise TM4 inc. Les étapes de conception sont décrites et les résultats obtenus avec le prototype construit sont discutés.

L'objectif principal du projet est la diminution du coût du convertisseur actuel tout en conservant les performances (rendement de 97% à puissance maximale) et la plage d'opération. Le convertisseur présenté doit fonctionner pour une plage de tension d'entrée de 220 à 400V et une tension de sortie de 250 à 400V à puissance maximale (60kW).

La revue de la littérature et le choix de la topologie à réaliser en pratique ont été effectués avec l'objectif de limiter au possible les modifications sur l'entraînement électronique actuel et d'obtenir une technologie potentiellement implantable dans un produit commercialisable à court terme. Entre autres, les modules d'IGBTs utilisés ont été conservés.

Afin de diminuer le coût du convertisseur, la diminution du condensateur de sortie est apparue comme l'option de réduction du coût ayant le plus de potentiel. Afin d'accélérer la vitesse de régulation du convertisseur et de diminuer le condensateur, l'inductance a été réduite et un asservissement analogique du courant a été réalisé.

La topologie de convertisseur qui a été retenue est une topologie à trois bras d'IGBTs à commande entrelacée et commutation douce par éléments passifs. Afin de satisfaire le fonctionnement sur toute la plage d'opération, une stratégie de contrôle originale à fréquence variable a été implantée.

La vitesse de la régulation de la tension de sortie correspond aux simulations effectuées lors de la conception détaillée et permettrait la diminution du condensateur de sortie à 20% de sa valeur actuelle. Le convertisseur atteint un rendement de 97% à puissance nominale et maximale pour une tension de sortie de 250V. Le rendement à 400V de sortie peut être amélioré et différentes solutions rapidement implantables sont suggérées.

Titre traduit

Design of an electronic DC-DC converter with adaptive switching frequency and soft switching for an electric vehicle powertrain

Résumé traduit

The following document presents the steps performed to develop a 60kW DC power electronics converter to be integrated in the electronic drive manufactured by TM4 inc. for electric vehicles. Design steps are described and results obtained with the prototype that was built and tested are discussed.

The main objective of the project was to reduce the cost of the converter currently used and to maintain the level of performance (97% efficiency at maximum power) for the same range of operation. The new converter had to operate from 220 to 400V DC input voltage and deliver 250 to 400V output voltage at maximum power (60kW).

The literature review and the topology chosen for the new converter were done taking into consideration the importance of minimal modifications on the present converter. Thus, the new solution could be rapidly incorporated in a commercial product. For ex ample , the IGBTs modules were kept the same.

The output bank capacitor was identified as the best target for cost reduction. In order to lower the output capacitance value, the output voltage regulation speed had to be accelerated. To do so, the value of input inductors was lowered and an analog current control circuit was designed.

The selected topology is a three-interleaved IGBT leg converter associated with passive components performing soft switching. An original control method featuring adaptive variable switching frequency was designed in order to reach any point of the working range rapidly.

The results presented here show that the output voltage regulation speed was the same on the prototype as on the one expected from the simulations and could reduce the output capacitor size to 20% of its CUITent value. Moreover, the measured efficiency of prototype reached 97% at nominal and maximum output power for output voltage of 250V. Efficiency at 400V of output voltage cou Id have been improved and a few quickly achievable solutions are suggested.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie électrique". Certaines formules mathématiques sont manquantes dans l'exemplaire de la bibliothèque fourni par l'étudiant. Bibliographie : pages 128-130.
Mots-clés libres: Convertisseurs électriques Conception et construction. Convertisseurs électriques Coût-efficacité. Moteurs électriques Commande électronique. Véhicules électriques Batteries. commutation douce, courant continu
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Al-Haddad, Kamal
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt: 20 juin 2017 17:42
Dernière modification: 20 juin 2017 17:42
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1892

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