Di-electric liquid cooling for future 20 kV power modules

Doctorant : Lucas MOLINA BARROS

Laboratoire INSA : Ampère
École doctorale : ED160 : Électronique, Électrotechnique et Automatique

Cette thèse apporte une contribution à la résolution des problèmes d’encapsulation des semi-conducteurs haute tension. Cette innovation offre la possibilité de réduire considérablement la taille et la complexité des modules ´electroniques de puissance. Les structures d’encapsulation conventionnelles ont depuis longtemps été confrontées au compromis entre l’isolation électrique, qui exige des couches isolantes épaisses, et la performance thermique optimale, qui privilégie des couches minces à haute conductivité thermique. Ce travail présente un concept novateur visant à résoudre ce dilemme en utilisant un refroidissement direct par un liquide diélectrique et des dissipateurs thermiques en céramique. Avec une épaisseur d’AlN de 3 mm, le nouveau boîtier peut supporter encore des tensions plus élevées, jusqu’à 62 kV. Le refroidisseur atteint une résistivité thermique de 0.155 cm²K/W avec le Novec7500, et cette valeur est encore réduite à 0.114 cm²K/W avec de l’eau. Ces résultats permettent le refroidissement de dispositifs présentant des pertes de puissance allant jusqu’à 500W/cm².

Unidirectional High-Ratio DC-DC Converter for Renewable Energy Sources

Doctorant : Pierre LE METAYER

Laboratoire INSA : AMPERE

Ecole doctorale : ED160 EEA

Les travaux réalisés au cours de cette thèse se concentrent sur le thème du convertisseur DC-DC pour les applications d’énergies renouvelables connectées à un réseau moyenne tension DC. La palette de sujets abordées s’étend de la définition des exigences auxquelles un tel convertisseur doit répondre jusqu’aux propositions d’implémentations matérielles le permettant, en passant par la sélection de la topologie la plus adaptée ainsi que par l’adaptation de son contrôle. Les différents points étudiés sont accompagnés de validations expérimentales utilisant différentes maquettes. Un prototype complet de convertisseur DC-DC 1.2 kV - 6.6 kV 83 kW est notamment construit et opéré à pleine puissance et tension.

 

Commande des convertisseurs électriques pour l’actionnement et l’acheminement de l'énergie

Maître de conférences : Jean-Yves GAUTHIER

Laboratoire INSA : Ampère

Composition du jury : 

Rapporteurs : Maurice FADEL, Jean-Paul GAUBERT et Malek GHANES

Jury :

• Demba DIALLO    Professeur des Universités    Université Paris-Saclay
• Maurice FADEL    Professeur des Universités    ENSEEIHT, Toulouse
• Jean-Paul GAUBERT    Professeur des Universités    Université de Poitiers
• Malek GHANES    Professeur des Universités    Ecole Centrale de Nantes
• Xuefang LIN-SHI    Professeur des Universités    INSA Lyon
• Claire VALENTIN    Professeur des Universités    Université Claude Bernard Lyon 1

Méthodologie d’optimisation du dimensionnement et de la gestion de l'énergie d’un véhicule à hydrogène : application à un véhicule de compétition automobile

Doctorant : Essolizam PLANTE 

Laboratoire INSA : Ampère

Ecole doctorale : ED160 : EEA

Les systèmes hybrides embarqués qui possèdent plusieurs sources d’énergie sont une alternative pour la transition écologique dans le secteur des transports. En contrepartie, ils sont complexes à dimensionner : il y a notamment une forte dépendance entre conception/choix des composants et loi de gestion de l’énergie pour assurer le fonctionnement nominal des composants du système et garantir une gestion d’énergie optimale. En effet, la complexité du problème à résoudre croît rapidement avec le nombre de composants dans le système : les méthodes d’optimisation classiques connaissent très rapidement des limites face au nombre croissant de variables de décision et la complexité des modèles. Il devient donc nécessaire d’élaborer de nouvelles méthodologies d’optimisation pour pré-dimensionner de tels systèmes. L’état de l’art met en exergue la nécessité de bien poser le problème, de reformuler ou d’adapter différentes parties de ce problème et enfin de s’appuyer sur l’hybridation des différentes techniques d’optimisation.
Dans ce travail, nous avons relevé deux défis. Le premier est relatif au développement d’une méthodologie pour l’optimisation couplée du dimensionnement et de la gestion de l’énergie étant donné l’usage. Le deuxième concerne l’application : non-conventionnelle, elle s’intéresse à un véhicule de compétition automobile pour lequel on ne recherche pas la consommation minimale mais la puissance massique maximale tout en garantissant l’achèvement de la mission temps un temps minimum. Ce type d’usage s’illustre par des transitoires de puissance demandée de grande amplitude à haute fréquence. Nous proposons donc dans ce travail différentes méthodes d’adaptation et de reformulation des éléments clés du problème afin d’aboutir à une démarche d’optimisation bi-niveau (dimensionnement et commande) qui permet de traiter des problèmes multi-objectifs. Cette contribution permet d’aboutir à des temps de calcul réduits mais néanmoins garantissant une vaste exploration de l’espace de recherche et une bonne optimisation de la gestion de l’énergie sur une mission représentative.
 

Switched Battery DC-DC Converters for Low-Power Applications

Doctorant : Carlos Augusto BERLITZ

Laboratoire INSA : Ampère

Ecole doctorale : ED 160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

Avec la popularisation récent des dispositifs électroniques portables, des capteurs sans fil et de l'Internet des objets (IoT), la demande de solutions de gestion d'alimentation efficaces et adaptables a atteint des sommets sans précédent. Les applications à faible puissance, couvrant un large éventail de domaines et sont devenues essentielles à notre mode de vie moderne. Ces applications, souvent alimentées par des ressources énergétiques limitées, présentent un ensemble unique de défis et d'opportunités dans le domaine de l'électronique de puissance. Alors que les convertisseurs CC-CC traditionnels ont démontré leur efficacité dans de nombreuses situations, leurs conceptions conventionnelles pourraient ne plus suffire à répondre aux exigences distinctes et strictes des systèmes à faible et ultra-faible puissance. La recherche des nouveaux convertisseurs CC-CC commuté spécifiquement adaptés aux applications à faible puissance est au cœur de cette thèse.

Traditionnellement, les convertisseurs CC-CC reposent sur des inducteurs ou des condensateurs pour une conversion à haute efficacité. Cependant, malgré les avancées dans des nombreux domaines de l'électronique de puissance, certaines limitations physiques et intrinsèques subsistent dans le comaine de failbe-puissance, telles que les pertes de partage de charge ou la difficulté de miniaturisation des inducteurs. De telles contraintes appelent à des solutions innovantes pour ce genre d'application des convertisseurs CC-CC.

Cette thèse proposer une solution pour relever les défis intrinsèques aux convertisseurs CC-CC traditionnels, une nouvelle famille de topologies de convertisseurs CC-CC à basse fréquence et faible puissance basée sur des batteries en tant que dispositif passif volant. Cette nouvelle famille de topologies est validée expérimentalement avec des avantages par rapport aux convertisseurs CC-CC traditionnels dans les mêmes conditions. Cela ouvre également un nouveau domaine d'étude pour les technologies passives jusqu'alors non explorées dans ce contexte, comprennent des batteries et piles à combustible.

Electrochemical Virtual Sensor Development for Lithium-ion Batteries

Doctorant : Mian Mohammad Arsalan ASIF

Laboratoire INSA : AMPERE

Ecole doctorale : ED160 : EEA

In this doctoral thesis, the author focuses on advancing the modeling and design of observers for lithium-ion batteries (LiBs). LiBs play a critical role in the transition to renewable energy and vehicle electrification, but they still present challenges in terms of performance, safety and management. The author develops a multi-particle model with electrolyte dynamics (MPMe) to better represent the behavior of LiBs. Additionally, state observers are designed to estimate the lithium concentration in the electrolyte and the solid lithium concentration. These observers are validated using simulations, demonstrating their effectiveness in real-time monitoring of LiBs. This research aims to improve the performance, safety and reliability of LiBs, thereby contributing to wider adoption of electric vehicles and sustainable electrification of the transport sector.

Caractérisation, mise en forme et recyclage de polymères biosourcés pour le développement d’un procédé de fabrication plastronique respectueux de l’environnement

Doctorante : Caroline GOUMENT

Laboratoire INSA : Ampère

Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

Dans la très grande majorité des cas, les objets électroniques de la vie quotidienne ont une enveloppe plastique à base de matériaux polymères issus de la pétrochimie. Remplacer les matériaux issus de la pétrochimie par des matériaux plus respectueux de l’environnement est aujourd’hui une transition nécessaire. La plastronique 3D est un domaine émergeant permettant de dépasser certaines limites de l’électronique traditionnelle, notamment parce qu’elle oblige à redéfinir les supports polymères. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet BIOANTENNA du Pack Ambition Recherche de la Région AURA, dont le but est la fabrication d’un dispositif électronique innovant du point de vue des matériaux supports utilisés et des fonctionnalités du circuit électronique. Dans cette thèse, nous étudions un procédé de fabrication de masse de dispositifs électroniques appelé In-Mold Electronics (IME). Celui-ci comporte trois étapes principales
: sérigraphie, thermoformage et surmoulage par injection. Dans l’état de l’art, le polymère de référence en IME est le PolyCarbonate (PC). Notre objectif sera de remplacer le PC par un matériau plus écologique : l’acide PolyLActique (PLA). Ce polymère fait depuis une dizaine d’années l’objet de nombreuses études afin de l’utiliser comme alternative aux polymères techniques issus de la pétrochimie. Le PLA est le polymère biosourcé le plus utilisé aujourd’hui. Il est également biodégradable en compost industriel, ce qui pourrait permettre d’apporter une réponse à la fin de vie des produits et ainsi envisager son utilisation en économie circulaire.

Approche décentralisée de la machine synchrone à bobinage ouvert et de sa commande

Doctorant : Louis DASSONVILLE

Laboratoire INSA : Ampère

Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

L’objectif de ce travail est de concevoir un groupe motopropulseur (GMP) résilient aux défauts. Les applications visées sont la mobilité électrique, l’aéronautique et les autres applications qui requièrent un haut niveau de fiabilité. Le travail présenté a pour but d’explorer la résilience des machines synchrones à aimants permanents (MSAPs) à bobinage ouvert, qu’elles soient triphasées ou multiphases. L’approche proposée cherche à rendre chaque enroulement de la machine indépendant. Cette indépendance concerne non seulement la machine elle-même, mais aussi l’électronique et la commande, afin de garantir un haut niveau de résilience, quel que soit l’origine du défaut. Des simulations ainsi que des essais expérimentaux permettent de valider cette approche. Cette nouvelle approche décentralisée du groupe motopropulseur ouvre beaucoup de nouvelles perspectives de recherche, que ce soit dans le domaine des machines électriques, de l’électronique ou de la commande. Cette thèse CIFRE menée en collaboration entre le laboratoire Ampère et l’entreprise Keep’Motion offre l’opportunité de développer un GMP industrialisable d’une très haute fiabilité.

 

 

Propriétés structurelles des systèmes dynamiques pour le contrôle

Maître de conférences : Michael DI LORETO

Laboratoire INSA :  Ampère UMR 5005

Composition du jury : 

Rapporteurs :

• PETIT Nicolas, Professeur des Universités, MINES ParisTech
• QUADRAT Alban, Directeur de Recherche, INRIA Paris
• SEURET Alexandre, Directeur de Recherche, CNRS Toulouse
   

Jury :

• PETIT Nicolas, Professeur des Universités, MINES ParisTech
• QUADRAT Alban, Directeur de Recherche, INRIA Paris
• SEURET Alexandre, Directeur de Recherche, CNRS Toulouse
• BONNET Catherine, Directrice de Recherche, INRIA Saclay
• BIDEAUX Eric, Professeur des Universités, INSA Lyon
• LOISEAU Jean Jacques, Directeur de Recherche, CNRS Nantes
• MASCHKE Bernhard, Professeur des Universités, UCBL1
   

Séminaire du Professor Tsunenobu Kimoto Departement of Electronic Science and Engineering Université de Kyoto au Japon.

Le Professeur T. Kimoto est un grand spécialiste des composants de puissance en carbure de silicium.