The 5G-MOBIX project aims to evaluate the contribution of 5G on connectivity for Connected and Automated Mobility (CAM) services and functionalities, under cross-border conditions. The 5G-MOBIX test sites include two cross-border corridors (Greece-Turkey and Spain-Portugal) and six local test sites in France, Germany, the Netherlands, Finland, China and South Korea. The local sites provide additional and complementary contributions to the cross-border trials
A safe and efficient driving at highway entry for automated vehicles
5G-MOBIX French Trial Site has four members, VEDECOM (leader), Catapult, Akka, and Valeo, and is located in the Paris region. The French Trial Site (FR TS) has been testing a so-called “Infrastructure-Assisted Advanced Driving” CAM use-case, in which the 5G MEC infrastructure guides automated connected vehicle for safe and efficient driving at a highway entry.
A level 4 car with a 5G onboard unit
Several cross-border issues have been tackled by the FR TS with the solutions of multi-PLMN connectivity, predictive quality of service (QoS), Wave connectivity, and satellite-fallback. 5G NSA networks provided by three French telecom operators, Orange, Bouygues and TDF, have been used to test the target use case and the considered solutions.
During the period of the project, the FR TS has deployed two MEC that were installed with a number of software modules, particularly V2X-application server, data fusion, risk assessment, QoS prediction, KPI manager. Six 5G onboard units (OBUs) designed by VEDECOM and VALEO have been integrated in the two level 4 automated vehicle and the two connected vehicles.
Test and trialling in both private and open road, including a cross border corridor
Test and trialling activities of the FR TS started in late 2021 in order to execute a huge number of use-case-specific and agnostic tests cases in closed test tracks and open road. Furthermore, the FR TS made two contributions to the ES-PT cross border corridor:
- test and benchmarking of multi-PLMN connectivity
- contribution to the ES-PT variant of advanced driving use case. The tests at the ES-PT have been conducted in March 2022.
Results and public demonstration on April 21, 2022
The obtained results of the test-cases finalised in France and at the ES-PT CBC show the
benefits of 5G for the target CAM use-case especially the great advantages of multi-PLMN connectivity.
On the 21st of the April, the FR TS has organized its public demonstration event with public authorities, industries, SMEs, and academia. The event consisted of a workshop session, demonstrations, and an unprecedented round-table discussion.
Full review of the day with presentations and replays below:
5G-MOBIX project presentation
General introduction
By Eric Lebeau, CEO of VEDECOM.
REPLAY
Introduction to the European 5G-MOBIX project and the activities of the French site
REPLAY
Other European and French projects focusing on 5G and automated vehicles
Presentations of other 5G projects in which VEDECOM is involved:
REPLAY
Track Demonstrations
- Infrastructure assisted automated lane change at highway entry (demonstration with an L4 automated vehicule prototype)
- Maintaining continuity of service when a vehicle switches from one network to another
- Dynamic quality control of 5G communications
Round table “Vision of 5G and CCAM by the market players”.
An unique round-table discussion with all the players in the value chain: vehicle manufacturers, telecommunication and road infrastructure operators, public transport players.
Moderated by Tony Jaux, President of VEDECOM, VP Innovation at Stellantis and Director of the connectivity program at the French Automobile Platform.
Round-table replay
Around the table:
- Anh Tuc Nguyen, 5G networks and uses Project Manager, French Ministry of Economy, Finances and Recovery
- Emmanuel Micol, Chief Marketing Officer B2B, BOUYGUES
- Ndoffène Diouf, Innovation Officer, TDF
- Guillaume Grollaux, VP Roads and Connected Vehicles division, LACROIX CITY
- Saleh Bensator, Head of connected systems for autonomous mobility, STELLANTIS
- Isabelle Paulin-Jardel, Head of autonomous car partnership, RENAULT
- Thomas de Vial, Segment Chief Engineer, CONTINENTAL
- Sophie de Lambert, Head of Research and Innovation of the Driving Assistant Research entity, VALEO
- Jean-Laurent Franchineau, VP Zero Emissions Strategy, TRANSDEV
REPLAY
Inductive charging is one of the candidate technological solutions for the deployment of the “Electric Road” in France and Europe. It allows electric vehicles to be recharged while driving. The main advantage is the reduction in the size of vehicle batteries while increasing the range of electric vehicles. It is particularly suited to the needs of the logistics sector and long-distance road transport.
Successfull trials
Since a world first in July 2018 as part of the European H2020 project called FABRIC, with two vehicles charging at 20kW while each one is travelling at 100km/h at the same time on a track (American tertiary system), VEDECOM has developed with its partners Renault, Stellantis and EDF, a clean charging technology while travelling by induction at a power of 30kW. The system consists of coils and electronic boxes that must be integrated into the road during its renewal or construction. 30 kW is enough power to recharge a light vehicle on a motorway.
According to the first tests obtained on a test platform, the efficiency obtained is over 90%, which is an excellent rate. Other tests validated compliance with electromagnetic field standards, bearing in mind that the system is secure: induction is only activated when the vehicle passes by and if the communication system recognises and validates the triggering of its recharge. VEDECOM is continuing to develop its system as part of the VERA project (PIA).
Other inductive charging technologies are being tested in Europe, notably the Israeli ElectReon solution: its DWPT (Dynamic Wireless Power Transfer) system is being tested on the 1050m Italian “Arena del Futuro” circuit.
INCIT-EV and Use Case 2 – Demonstration of inductive charging while driving in Paris
VEDECOM will test its technology in an urban area, in Paris, in the second half of 2022, as part of the European INCIT-EV project. INCIT-EV aims to test and evaluate seven different charging technologies. With a budget of €18M, it brings together 33 partners from 8 different countries. The objective is to demonstrate the replicability of these solutions, to guarantee interoperability and to provide a decision-making tool to help make the most appropriate choices for the territories. A project focused on the user experience, to INCITE the use of Electric Vehicles. These experiments have a lot at stake for the deployment of electric vehicles.
A promising technology that requires a collective dynamic
Dynamic contactless recharging promises to be one of the most interesting and interoperable recharging solutions: interoperable from one vehicle to another, but also from one supplier to another.
Aesthetic and sustainable, since it is buried underground, it is perfectly suited to urban environments where the constraints of space dedicated to infrastructure are particularly strong and where speed limits are more conducive to charging. Since we drive slower, we stay longer on the track and therefore recharge for longer. This is also the solution that would be the most widely shared: recharging while driving would solve the problem of the inevitable bottlenecks at the charging stations.
The key to progress is both a dialogue among the players and a political strong will.
>> More info on INCIT-EV Project
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
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
Suivre la soutenance
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.
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
Amphi V dans le bÄtiment 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
Attend the thesis defense
Contact : Leyla Habarek Arioua : leyla.arioua@vedecom.fr
Thesis Abstract
The electric vehicle is currently strongly expanding to face climate change. The power density requirements for onboard power are constantly growing and need evolution to go over the present electronic limitation without decreasing the efficiency.
This thesis focuses on modeling, optimization and realization of a high-frequency coreless transformer integrated into a dedicated converter to validate a bidirectional on-board battery charger operating at 1.5MHz.
The work contributes to the increase of the on-board charger power density by taking benefit of wideband gap semiconductors emergence which opens a new range of admitted switching frequency. It consequently offers an opportunity to increase the compacity of the converters.
After a study on high power density transformers and coreless transformers, a highlight of the opportunity that an air-core transformer designed for power density is presented. The high-frequency electrical conductors have also been considered to determine the best one for our application by considering the skin and the proximity effects. The new transformer geometry is the result of an optimization program able to propose the best turns’ positions for minimizing the magnetic emission while ensuring a certain value of self-inductance. This geometry establishes the first technical breakthrough of this thesis.
Several transformers’ trials were realized on 3D printed polycarbonate supports resulting in a 7kW prototype. An electrical, magnetic, and thermal characterization was done on the transformer after its winding process and validate the prediction. Those values were taken for the start point of a dedicated DC-DC topology. The automotive and bidirectional context led us to merge on the Dual Active Bridge converter. The switching frequency was determined to ensure the required power transfer with a soft-switching operation. This frequency value in automotive chargers establishes the second technical breakthrough of this thesis.
After determining the command signals and choosing the required components for the realization of the converter, a ready-to-use inverter branch was chosen to simplify the complexity of construction. A dedicated printed circuit board was realized to link the inverter branch with the DC bus, the transformer, and the command board of the converter. Finally, experimental results on the converter respect the requirement specifications with an efficiency conversion of 96% for a power transfer of 9kW and a switching frequency of 1.5MHz. The final estimated power density is 8.5 kW/L which is higher than the existing power density in the industry.
Some complementary works must be done to validate the prototype in a final application. It is however possible to observe this kind of transformer in an electrical vehicle in the future. The results were indeed in rupture and presents better volume, better thermal management, and better efficiency.
benefits of 5G for the target CAM use-case especially the great advantages of multi-PLMN connectivity.