Dans le cas des véhicules électrifiés, à batterie (électriques ou hybrides) ou à pile à combustible (PAC), les convertisseurs d’électronique de puissance (EdP) jouent un rôle majeur car ils y sont utilisés pour différentes fonctions. Ils servent par exemple à piloter des moteurs électriques, à gérer l’énergie à bord du véhicule ou à contrôler la recharge de la batterie de traction.
L’EdP est une électronique de conversion d’énergie électrique, par commutation de transistors semiconducteurs, pour laquelle le silicium (Si) est le matériau historique encore largement utilisé. Mais ces dernières années, la percée de nouveaux transistors plus sophistiqués, en particulier en matériaux carbure de silicium (SiC) et nitrure de gallium (GaN), a bouleversé le marché des composants de puissance tant leurs performances surpassent celles de leurs homologues à base de Si.
Ces nouveaux matériaux, dits à « large bande interdite » (WBG1) offrent de très bonnes performances en termes de rendement, de densité de puissance ou de vitesse de commutation, avec un impact bénéfique sur les pertes en puissance (figure 1).
Cette rupture technologique s’accompagne toutefois de nouveaux défis que la Direction « Mobilité & Systèmes » cherche à relever par des travaux de recherche à des niveaux de maturité très variés, dans le cadre de projets partenariaux ou grâce à des thèses de doctorat.
Parmi les axes de recherche liés à l’EdP, nous pouvons citer :
- la compréhension et la caractérisation des composants WBG dans un environnement système : cet axe vise à caractériser les composants WBG en vue d’enrichir les modèles permettant leur étude au sein d’un système électrique [1]. IFPEN a noué pour cela un partenariat avec la société CGD (Cambridge GaN Devices) pour comprendre l’impact de l’implémentation de ces nouvelles technologies au sein des convertisseurs et d’en modéliser les effets parasites, car ceux-ci peuvent impacter fortement les performances des convertisseurs électriques, voire mener à leur détérioration. Un objectif complémentaire porte sur l’élaboration de nouvelles méthodes de tests dédiées aux WBG, en prenant en compte des profils de mission de plus en plus sévères, de manière à évaluer leur fiabilité ainsi que leurs mécanismes de défaut ;
- les convertisseurs de puissance et les topologies innovantes : sur cet axe, IFPEN s’implique dans l’élaboration de nouvelles architectures visant à explorer l’efficacité des composants WBG pour augmenter les densités de puissance massique et volumique des convertisseurs et répondre à des contraintes de durabilité des électroniques de plus en plus sévères. Dans ce cadre, des solutions d’onduleur de traction2 [1] à base de composants en carbure de silicium (SiC) ont été élaborées (figure 2). IFPEN contribue également à la recherche de nouvelles architectures de conversion de puissance pour l’hybridation des systèmes batterie/PAC [2] dans le domaine du transport lourd et participe au développement de solutions prototypes permettant le pilotage de compresseurs électrifiés alimentant en air les PAC [3] ;
- la gestion thermique et les nouvelles solutions de refroidissement : les convertisseurs à base de composants Si sont généralement refroidis de manière indirecte via un dissipateur de type « plaque à eau ». Cependant, l’utilisation à leur plein potentiel des composants WBG peut générer localement des pertes de puissance de l’ordre de 1 kW/cm2, c’est-à-dire dix fois supérieures à celles des puces Si. IFPEN explore donc de nouvelles solutions de refroidissement localisées de la puce semiconductrice, en s’attachant notamment à une meilleure compréhension du comportement thermique des composants implémentés au sein des cartes électroniques. L’objectif est d’en tirer un modèle capable de mieux prédire les températures de jonction des composants WBG, car celles-ci ne peuvent généralement pas être mesurées directement.
Tous ces travaux en cours sur l’EdP visent ainsi à améliorer les performances et la fiabilité des systèmes de conversion d’énergie qui implémentent les transistors de dernière génération, afin d’en exploiter tous les bénéfices dans le contexte de l’électrification des véhicules.
1- Wide Band Gap.
2- Organe de conversion d’énergie qui permet le pilotage du moteur électrique d’un véhicule électrifié à partir d’une source de tension continue telle que la batterie de traction.
Références bibliographiques
-
A. Battiston, L. Kefsi, M. Milosavljevic, A. Sabrie, High-Power / High-Voltage (250 kW / 750V) SiC-Based Inverter for Electric Vehicles Applications, 2021 23rd European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'21 ECCE Europe), pp. 1-10, 2021.
>> https://doi.org/10.23919/EPE21ECCEEurope50061.2021.9570699
-
Alexandre Battiston, Convertisseur d’énergie électrique apte à être connecté à deux sources d’alimentation et apte à la récupération d’énergie, Brevet d'Invention FR3129544 (A1), Nov. 25, 2021.
>> https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/080225320/publication/FR3129544A1?q=FR3129544
-
F. D. De Sousa, A. Battiston, S. Pierfederic, F. Meibody-Tabar, Evaluation of the Magnetic Behavior of a Single Pole Pair Fe-Cr-Co-based Memory Motor Considering a Standstill Magnetization: Electrified Compressor Applications, IEEE Transactions on Magnetics.
>> https://doi.org/10.1109/TMAG.2022.3141895
Contact scientifique : alexandre.battiston@ifpen.fr