Les transformateurs à semi-conducteurs améliorent l’efficacité de la recharge des véhicules électriques
Cet article fait partie de notre série exclusive IEEE Journal Watch en partenariat avec IEEE Xplore.
La construction rapide de bornes de recharge rapide pour véhicules électriques teste les limites du réseau électrique actuel. Avec des chargeurs individuels consommant entre 350 et 500 kilowatts (ou plus), ce qui rend les temps de recharge des véhicules électriques désormais fonctionnellement équivalents au temps de plein d’un véhicule à essence ou diesel, les sites de recharge complets peuvent atteindre une demande à l’échelle du mégawatt. C’est assez pour forcer réseaux de distribution moyenne tension : segment du réseau qui relie les lignes de transport à haute tension aux lignes basse tension qui desservent les utilisateurs finaux dans les foyers et les entreprises.
Les bornes de recharge rapide CC ont tendance à être regroupées dans les centres urbains, le long des autoroutes et dans les dépôts de flotte. Étant donné que la charge n’est pas répartie uniformément sur le réseau, certaines sous-stations sont surchargées, même lorsque la capacité globale du réseau est conçue pour accueillir la charge. Pour surmonter ce problème, à mesure que de plus en plus de stations de recharge, avec des demandes de puissance plus élevées, sont mises en ligne, il faut une électronique de puissance qui soit non seulement compacte et efficace, mais également capable de gérer le stockage local et les intrants renouvelables.
L’une des technologies les plus prometteuses pour moderniser le réseau afin qu’il puisse répondre aux demandes d’électrification des véhicules et de production d’énergies renouvelables est le transformateur à semi-conducteurs (SST). Un SST remplit la même fonction de base qu’un transformateur conventionnel : augmenter ou diminuer la tension. Mais il le fait en utilisant des semi-conducteurs, une conversion haute fréquence avec des commutateurs en carbure de silicium ou en nitrure de gallium et une commande numérique, au lieu du seul couplage magnétique passif. La configuration d’un SST lui permet de contrôler le flux de puissance de manière dynamique.
Pendant des décennies, l’infrastructure de recharge s’est appuyée sur transformateurs de fréquence de ligne (LFT) : des assemblages massifs de fer et de cuivre qui abaissent le courant alternatif moyenne tension en courant alternatif basse tension avant ou après la conversion externe du courant alternatif au courant continu dont ont besoin les batteries des véhicules électriques. Un LFT typique peut contenir jusqu’à quelques centaines de kilogrammes de bobinages en cuivre et quelques tonnes de fer. Tout ce métal est coûteux et de plus en plus difficile à trouver. Ces systèmes sont fiables mais encombrants et inefficaces, notamment lorsque l’énergie circule entre le stockage local et les véhicules. Les SST sont beaucoup plus petits et plus légers que les LFT qu’ils sont conçus pour remplacer.
« Notre solution atteint le même nombre de dispositifs semi-conducteurs qu’un convertisseur à port unique tout en fournissant plusieurs sorties CC contrôlées indépendamment. » –Shashidhar Mathapati, Delta Electronics
Mais la plupart des SST multiports développés jusqu’à présent étaient trop complexes ou coûteux (entre cinq et dix fois le coût initial des LFT). Cette différence, ainsi que la dépendance des SST à l’égard de parcs de batteries auxiliaires qui augmentent les dépenses et réduisent la fiabilité, explique pourquoi les avantages évidents des transistors ne se sont pas encore manifestés. a incité à passer à la technologie des LFT.
Surjakanta Mazumder, Saichand Kasicheyanula, Harisyam PV et Kaushik Basu tiennent leur prototype SST dans un laboratoire.Harisyam PV, Saichand Kasicheyanula et al.
Comment rendre les transformateurs à semi-conducteurs plus efficaces
Dans un étude publié le 20 août dans Transactions IEEE sur l’électronique de puissancechercheurs de l’Institut indien des sciences et Delta Électronique Indetous deux à Bangalore, ont proposé ce qu’on appelle un SST multiport basé sur un pont en H en cascade (CHB) qui élimine ces compromis. « Notre solution atteint le même nombre de dispositifs semi-conducteurs qu’un convertisseur à port unique tout en fournissant plusieurs sorties CC contrôlées indépendamment », déclare Shashidhar Mathapatile CTO de Delta Electronics. « Cela signifie pas de stockage de batterie supplémentaire, pas de dispositifs semi-conducteurs supplémentaires et pas d’isolation moyenne tension supplémentaire. »
L’équipe a construit un prototype de laboratoire de 1,2 kilowatts pour valider la conception, atteignant un rendement de 95,3 % à la charge nominale. Ils ont également modélisé un système grandeur nature de 11 kilovolts et 400 kilowatts divisé en deux ports de 200 kilowatts.
Au cœur du système se trouve un transformateur multi-enroulements situé du côté basse tension du convertisseur. Cette configuration évite le besoin d’une isolation moyenne tension coûteuse et encombrante et permet un équilibrage de puissance entre les ports sans batteries auxiliaires. « Les conceptions multiports précédentes basées sur CHB nécessitaient plusieurs parcs de batteries ou réseaux de condensateurs pour égaliser la charge », écrivent les auteurs dans leur article. « Nous avons montré que vous pouvez obtenir le même résultat avec un agencement de transformateur plus simple, plus léger et plus fiable. »
Une nouvelle stratégie de modulation et de contrôle maintient un facteur de puissance unitaire à l’interface du réseau, ce qui signifie qu’aucun courant provenant du réseau n’est gaspillé en oscillant entre la source et la charge sans effectuer aucun travail. Le SST décrit par les auteurs permet également à chaque port DC de fonctionner indépendamment. Concrètement, chaque véhicule connecté au chargeur serait en mesure de recevoir la tension et le courant appropriés, sans affecter les ports voisins ni perturber la connexion au réseau.
Grâce à des commutateurs en carbure de silicium connectés en série, le système peut gérer des entrées moyenne tension tout en conservant un rendement élevé. Une connexion au réseau de 11 kilovolts ne nécessiterait que 12 modules en cascade par phase, soit environ la moitié de ceux de certaines conceptions de convertisseurs modulaires multiniveaux. Moins de modules signifie finalement un coût inférieur, un contrôle plus simple et une plus grande fiabilité.
Bien qu’encore au stade du laboratoire, la conception pourrait permettre une nouvelle génération de hubs de recharge rapide compacts et rentables. En supprimant le besoin de stockage intermédiaire sur batterie, ce qui ajoute du coût, de la complexité et de la maintenance, la topologie proposée pourrait prolonger la durée de vie opérationnelle des bornes de recharge pour véhicules électriques.
Selon les chercheurs, ce convertisseur n’est pas uniquement destiné à la recharge des véhicules électriques. Toute application nécessitant une conversion moyenne tension vers multiport basse tension, comme les centres de données, l’intégration d’énergies renouvelables ou les réseaux CC industriels, pourrait en bénéficier.
Pour les services publics et les fournisseurs de recharge confrontés à une demande à l’échelle du mégawatt, ce transformateur à semi-conducteurs rationalisé pourrait contribuer à rendre la révolution des véhicules électriques plus respectueuse du réseau et plus rapide pour les conducteurs en attente de recharge.
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