Thèse : La recharge rapide vehicle-to-vehicle à partir d’une flotte de véhicules partagés

Yacine SEHIMI, Doctorant, soutiendra sa thèse le 7 juillet 2022 à 14h sur « la conception d’un réseau et d’une infrastructure de recharge rapide vehicle-to-vehicle à partir d’une flotte de véhicules partagés ». Le partage permettrait de limiter l’impact des recharges sur le réseau aux heures de forte demande en électricité. La thèse présente également un outil de simulation du pilotage des puissances lors du transfert entre véhicules.

Cette thèse aura lieu au T128 – T130, 13 Rue de Toul 59000 Lille.

Encadrants académiques et écoles/universités :

  • L2EP – Laboratoire de Génie Electrique et d’Electronique de Puissance
    • Encadrants académiques
      • Directeur de thèse : Benoit Robyns, Professeur des universités Junia HEI
      • Encadrant académique : Khaled Almaksour, Maître de conférences Junia HEI
    • Institut VEDECOM
      • Encadrant industriel : Jihen Sakly, Ingénieur de recherche chez VEDECOM

 

Composition du jury

  • Rapporteur : Eric Monmasson, Professeur des universités Université de Cergy-Pontoise
  • Rapporteur : Marc Petit, Professeur des universités Centrale Supélec
  • Examinateur : François Costa, Professeur des universités ENS Paris Saclay (SATIE) France
  • Examinateur : Benoit Robyns, Professeur des universités Junia HEI (L2EP)
  • Examinateur : Khaled Almaksour, Maître de conférences Junia HEI (L2EP)
  • Examinateur : Jihen Sakly, Ingénieur de recherche Institut Vedeco

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Résumé

La recharge rapide Vehicle-to-vehicle (V2V) permet de recharger un véhicule électrique en manque d’autonomie en déchargeant partiellement un ou plusieurs véhicules électriques disposant d’un surplus d’énergie. L’utilisation d’une flotte de véhicules électrique partagés pour la décharge permettrait à son gestionnaire de les valoriser lorsqu’ils ne sont pas utilisés pour le transport. De plus, la recharge des véhicules partagés peut se réaliser à une puissance plus faible que la puissance fournie en recharge rapide, ce qui permet de réduire la puissance de raccordement nécessaire au réseau de distribution, et les renforcements éventuels de ce dernier. Cette réduction de l’appel de puissance pourrait par ailleurs limiter l’impact des recharges sur le réseau aux heures de forte demande en électricité. Dans une première partie, l’objectif est d’analyser à l’aide d’un modèle de simulation les bénéfices apportés par le V2V pour les acteurs du réseau électrique, à savoir les gestionnaires du réseau de distribution et de transport. Dans un second temps, la conception d’une architecture d’électronique de puissance permettant le pilotage du transfert d’énergie entre les véhicules est réalisée, et sa commande dans les différentes stratégies de pilotage des puissances est validée par simulation. Enfin, la validation expérimentale du pilotage du convertisseur DC/DC multi-sources de cette architecture est effectuée.

Les résultats du site d’essai français du projet 5G-MOBIX en vidéo

Découvrez dans cette vidéo les premiers résultats de l’équipe française du projet européen 5G-MOBIX. Cette démonstration met en scène deux cas d’usage de la 5G au service de la mobilité connectée et automatisée. La combinaison d’une faible latence et de débits très élevés apportent plus de fiabilité et de sécurité, y compris dans des zones de faible visibilité ou transfrontalières.

Coordonné par VEDECOM, le site d’essais français du projet H2020 5G-MOBIX a testé l’apport de la 5G lors d’une « conduite avancée assistée par l’infrastructure » ainsi que le maintien du service en conditions transfrontalières.

Réalisée sur la piste de Versailles Satory, la démonstration présente des cas d’usage testés en France et dans le corridor transfrontalier Espagne-Portugal : le changement de voie automatisé d’un véhicule de niveau 4 assisté par l’infrastructure lors de l’insertion d’un véhicule basique ; puis le maintien de la connectivité entre deux réseaux (TDF et Bouygues).

Le site d’essai français de 5G-MOBIX est coordonné par VEDECOM en partenariat avec AKKA technologies, Valeo, Catapult. TDF a apporté son expertise sur les réseaux critiques et le mobile edge computing en équipant la piste d’essai d’une infrastructure 5G.

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Apprenez en plus sur le projet 5G-MOBIX.

La 5G au service des véhicules automatisés : premiers enseignements du site d’essai français du projet 5G-MOBIX

Le projet 5G-MOBIX vise à évaluer l’apport de la 5G sur la connectivité pour les services et fonctionnalités de la mobilité connectée et automatisée (CAM), dans des conditions transfrontalières. Les sites de test 5G-MOBIX comprennent deux corridors transfrontaliers (Grèce-Turquie et Espagne-Portugal) et six sites de test locaux en France, en Allemagne, aux Pays-Bas, en Finlande, en Chine et en Corée du Sud. Les sites locaux apportent des contributions supplémentaires et complémentaires aux essais transfrontaliers.


Une conduite sécurisée et efficace pour les véhicules automatisés lors de l’insertion d’un autre véhicule

Le site d’essai français 5G-MOBIX (FR TS) compte quatre membres, VEDECOM (chef de file), Catapult, Akka et Valeo, et est situé en région parisienne. Il a testé un cas d’usage CAM dit de “conduite avancée assistée par l’infrastructure”, dans lequel l’infrastructure 5G MEC (Multi-access Edge computing) guide un véhicule connecté et automatisé lors de l’insertion d’un autre véhicule sur sa voie, pour une conduite sûre et efficace.

Une voiture automatisée de niveau 4 avec unité 5G embarquée

Plusieurs problèmes transfrontaliers ont été abordés par le site français avec des solutions de connectivité multi-PLMN (public land mobile network), de la qualité de service (QoS) prédictive, de la connectivité dans la bande d’ondes millimétriques (mmWave) et d’apport de la communication satellitaire comme moyen de repli. Les réseaux 5G NSA fournis par trois opérateurs français, Orange, Bouygues et TDF, ont été utilisés pour tester le cas d’usage évoqué et les solutions envisagées.

Au cours du projet, le site français a déployé deux infrastructures MEC conjointement avec un certain nombre de modules logiciels, en particulier un serveur d’application V2X (communication véhicule-environnement), des solutions de fusion de données pour l’analyse des risques sur une zone d’insertion, de la prédiction de la qualité du service client et de gestion des KPI. Six unités embarquées 5G conçues par VEDECOM et VALEO ont été intégrées dans les deux véhicules automatisés de niveau 4 et deux véhicules connectés ont également été utilisés.

Essais sur routes privées, routes ouvertes et corridor transfrontalier

Les activités de test et d’essai du site français ont commencé à la fin de l’année 2021.Un grand nombre de cas de tests ont été réalisés sur des pistes d’essais fermées et sur des routes ouvertes. Les résultats obtenus permettent d’évaluer les performances de la 5G, via des cas de tests agnostiques, et d’évaluer l’apport des ces technologies pour les services de mobilité connectée et automatisée (CAM), via des cas de test spécifiques au cas d’usage. Par ailleurs, le site français a apporté deux contributions au corridor transfrontalier Espagne-Portugal :

  1. Test et comparaison de la connectivité multi-PLMN
  2. Contribution à la variante du cas d’utilisation de la conduite avancée sur le corridor Espagne-Portugal (mars 2022).

Résultats et démonstration publique le 21 avril 2022

 

Les résultats obtenus en France et sur le corridor transfrontalier montrent les avantages de la 5G pour le cas d’usage dans le cas d’une insertion d’un autre véhicule, notamment les nombreux avantages de la connectivité multi-PLMN.

Le 21 avril, le site français a organisé son événement de démonstration publique chez VEDECOM à Versailles. Il réunissait des autorités publiques, des industriels, des PME et des universités. L’événement comportait une session d’ateliers, des démonstrations sur pistes et une table ronde inédite.

Retour complet sur la journée avec les présentations et replays ci-dessous :

 

 

Présentation du projet 5G-MOBIX

 

Introduction générale

Par Eric Lebeau, Directeur Général de VEDECOM.

REPLAY

 

Introduction au projet européen 5G-MOBIX et aux activités du site français

REPLAY

Ouverture sur d’autres projets européens et français autour de la 5G

Présentations d’autres projets autour de la 5G dans lesquels VEDECOM est impliqué :

REPLAY

Démonstrations sur pistes

  • Changement automatique de voie d’un véhicule automatisé (prototype de niveau 4) avec l’aide de l’infrastructure suite à l’insertion d’un autre véhicule depuis une bretelle d’accès
  • Maintien de la continuité de service lorsqu’un véhicule passe d’un réseau à l’autre
  • Contrôle dynamique de la qualité de communication 5G

Table-ronde “Vision de la 5G et de la CCAM par les acteurs du marché”.

Une table-ronde inédite avec tous les acteurs de la chaîne de valeur : les fabricants de véhicules, les opérateurs de télécommunication et d’infrastructures routières, les acteurs des transports collectifs.
Animée par Tony Jaux, Président de VEDECOM, VP Innovation chez Stellantis et Directeur du programme connectivité à la Plateforme Française de l’Automobile.

Autour de la table :

 

REPLAY

La recharge des véhicules électriques par induction en roulant : un enjeu écologique majeur

La recharge par induction est une des solutions technologiques candidates pour le déploiement de la « Route Electrique » en France et en Europe. Elle permet de recharger les véhicules électriques en roulant. Le principal avantage est la réduction de la taille des batteries des véhicules tout augmentant l’autonomie des véhicules électriques. Elle s’adapte tout particulièrement aux besoins du secteur logistique et du transport routier longue distance.

Des expérimentations concluantes

Depuis une première mondiale en juillet 2018 dans le cadre du projet européen H2020 baptisé FABRIC, avec deux véhicules se chargeant à 20kW en roulant chacun à 100 km/h en même temps sur une piste (système tertiaire américain), VEDECOM a développé avec ses partenaires Renault, Stellantis et EDF, une technologie propre de recharge en roulant par induction à une puissance de 30 kW. Le système est composé des bobines et boîtiers électroniques qui doivent être intégrés dans la route pendant son renouvellement ou construction.

30 kW, c’est la puissance nécessaire et suffisante pour recharger un véhicule léger sur autoroute.

D’après les premiers tests obtenus sur une plateforme d’essai, le rendement obtenu atteint plus de 90% ce qui est un excellent taux. D’autres tests ont permis de valider le respect des normes de champ électromagnétique, sachant que le système est sécurisé : l’induction ne s’active qu’au passage du véhicule et si le système de communication reconnaît et valide le déclenchement de sa recharge. VEDECOM continue de développer son système dans le cadre du projet VERA (PIA).

D’autres technologies de recharge par induction sont testées en Europe, notamment la solution de l’israélien ElectReon : son système DWPT (Dynamic Wireless Power Transfer) est notamment testé sur le circuit italien « Arena del Futuro » de 1050m.

 

INCIT-EV et le Use Case 2 – Démonstration de la recharge inductive en roulant dans Paris

VEDECOM testera sa technologie en zone urbaine, à Paris, au second semestre 2022, dans le cadre du projet européen INCIT-EV. INCIT-EV vise à tester et évaluer sept technologies différentes de recharge. Doté d’un budget de 18M€, il rassemble 33 partenaires de 8 pays différents. Les objectifs : démontrer la réplicabilité de ces solutions, garantir l’interopérabilité et nourrir un outil d’aide à la décision pour réaliser les choix les plus adaptés aux territoires. Un projet centré sur l’expérience utilisateur, pour INCITer à l’usage des Véhicules Electriques. Ces expérimentations sont lourdes d’enjeux pour le déploiement du véhicule électrique.

 

Une technologie prometteuse qui demande une dynamique collective

La recharge dynamique sans contact promet d’être l’une des solutions de recharge les plus intéressantes et les plus interopérables : interopérable d’un véhicule à l’autre, mais aussi d’un fournisseur à l’autre.

Esthétique et durable, puisque enterrée, elle s’adapte parfaitement aux milieux urbains où les contraintes d’espaces dédiés aux infrastructures sont particulièrement fortes et où les limites de vitesse sont davantage propices à la recharge. Puisqu’on roule moins vite, on reste plus longtemps sur la piste et on se recharge donc plus longtemps. C’est également la solution qui serait la plus partagée : se recharger en roulant répondant à la problématique des inévitables engorgements aux bornes de recharge.

Une clé pour avancer : le dialogue au sein des acteurs de toute la chaîne de valeur et en arrière-plan, une vraie volonté politique.

 

>> Plus d’info sur le projet européen INCIT-EV

Thèse : Transformateur à air pour un convertisseur dc-dc bidirectionnel haute densité de puissance et haute fréquence pour l’application automobile

Valentin Rigot, doctorant chez VEDECOM dans le domaine Electrification/Electronique de puissance, soutiendra sa thèse le 21 avril 2022 à 10h. Cette thèse concerne le lot 2 du projet HiDePe mené par l’Institut VEDECOM :

Transformateur à air pour un convertisseur dc-dc bidirectionnel haute densité de puissance et haute fréquence pour l’application automobile

le jeudi 21 avril à 10h dans l’Amphi V dans le bâtiment Eiffel de Centrale Supélec, 3, Rue Joliot-Curie, 91190 Gif-sur-Yvette, France

Les travaux présentés contribuent à l’amélioration de la densité de puissance dans les chargeurs embarqués dans les véhicules électriques, en profitant notamment de l’essor des composants semi-conducteurs à grand gap, qui autorisent la réalisation de convertisseurs plus compacts.

  • Encadrant académique Pr. Tanguy PHULPIN, CentraleSupélec
  • Directeur de thèse : Pr. Daniel SADARNAC, CentraleSupélec
  • Encadrant industriel : Dr. Jihen SAKLY, VEDECOM
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Contact : Leyla Habarek Arioua : leyla.arioua@vedecom.fr

Résumé de la thèse

Face aux urgences climatiques et politiques, le véhicule électrique est en pleine expansion. Les besoins en termes de densité de puissance embarquée sont en constante augmentation, ce qui nécessite des évolutions conceptuelles en électronique de puissance pour dépasser les limites actuelles tout en assurant un rendement similaire.

Cette thèse est focalisée sur la modélisation, l’optimisation et la réalisation d’un transformateur pour un fonctionnement à haute fréquence sans circuit magnétique. Ce transformateur a été intégré dans un convertisseur bidirectionnel pour valider le fonctionnement d’un chargeur de batterie de véhicule électrique à forte densité de puissance fonctionnant à la fréquence de 1,5MHz.

Les travaux présentés contribuent à l’amélioration de la densité de puissance dans les chargeurs embarqués, en profitant notamment de l’essor des composants semi-conducteurs à grand gap qui élargissent les plages de fréquence et de puissance et autorisent ainsi la réalisation de convertisseurs plus compacts.

Après nous être intéressés aux transformateurs à haute densité de puissance, nous mettons en évidence l’intérêt des transformateurs à air pour la forte densité de puissance. Une nouvelle géométrie de transformateur à air exploitant l’emplacement des spires pour minimiser le rayonnement magnétique tout en garantissant une certaine valeur d’inductance propre constitue ainsi la première rupture technologique de cette thèse. Une étude sur les conducteurs de haute fréquence a aussi été menée afin de déterminer le conducteur le plus adapté à notre application en prenant en compte les effets de peau et de proximité. Différentes solutions sont proposées même si le fil de Litz a finalement été sélectionné.

Ensuite et grâce à l’optimisation de la géométrie via un programme de modélisation écrit avec python, plusieurs supports successifs de bobinage ont été réalisés en polycarbonate par une imprimante 3D. Tout cela a abouti à un prototype pour un fonctionnement à 7 kW. Après bobinage et caractérisation électrique, magnétique et thermique, les propriétés du transformateur ont été utilisées comme point de départ de l’élaboration d’une topologie de convertisseur DC-DC. L’objectif automobile imposait les tensions et les puissances ainsi que le caractère bidirectionnel. L’étude a convergé sur l’utilisation d’un convertisseur Dual Active Bridge. La valeur de la fréquence de commutation a été déterminée pour atteindre les différentes puissances nécessaires pour le convertisseur tout en conservant la commutation douce. Cet ordre de grandeur de fréquence de commutation pour ce niveau de transfert de puissance constitue la seconde rupture technologique de cette thèse.

Après avoir déterminé les commandes et choisi les différents composants nécessaires à la réalisation du convertisseur, des bras d’onduleur déjà fonctionnels ont été adoptés afin de simplifier l’élaboration du convertisseur. Un circuit imprimé dédié a été réalisé dans le but de relier les bras d’onduleurs, les bus de tension d’entrée et de sortie, le transformateur et la carte de commande du convertisseur.

Finalement, les résultats expérimentaux des tests sur le convertisseur sont en accord avec le cahier des charges avec un rendement de 96% pour une puissance de 9kW et une fréquence de commutation de 1,5MHz. La densité de puissance obtenue est de 8,5kW/L ce qui est supérieur à l’existant et constitue une troisième rupture technologique.

Des travaux supplémentaires restent à effectuer afin de valider complètement le prototype dans une application finale. Cependant, il est tout à fait envisageable que les véhicules électriques de demain utilisent ce type de transformateur qui permet d’améliorer le rendement, l’évacuation de la chaleur, donc également la compacité.