Modélisation des onduleurs de traction et des variateurs de moteur pour les véhicules électriques

Principaux enseignements

• La combinaison du variateur de traction, du moteur et de la boucle de régulation permet d'obtenir des résultats plus fiables en termes de couple et de contraintes subies par les composants que la modélisation de l'un de ces éléments pris isolément.
• La fréquence de commutation, la bande passante du variateur et la marge de tension n'ont de sens que si on les évalue par rapport à l'inductance, au degré de saillance et à la plage de vitesse du moteur.
• La fidélité du modèle doit s'adapter aux enjeux techniques, les détails de commutation devant être réservés aux travaux portant sur l'ondulation, les contraintes et la protection, plutôt que d'être utilisés de manière généralisée.

Pour obtenir une modélisation précise de l'onduleur de traction d'un véhicule électrique, il faut inclure le moteur et la boucle de régulation ; sinon, les prévisions concernant le couple et les contraintes subies par le dispositif seront erronées.

Les ingénieurs obtiennent de meilleures estimations du couple et des contraintes lorsque l’onduleur de traction, le moteur et la boucle de contrôle sont intégrés dans un même modèle. C’est important car près de 14 millions de voitures électriques ont été vendues en 2023, ce qui a transformé la conception des entraînements électriques pour véhicules électriques en un problème d’ingénierie de grande échelle plutôt qu’en un exercice de niche. Les raccourcis qui masquent l’ondulation du courant, les limites de tension ou la saillance du moteur ne restent pas insignifiants très longtemps. On ne peut pas évaluer l'entraînement d'un moteur électrique en se basant uniquement sur l'étage de commutation, pas plus qu'on ne peut évaluer la machine sans le variateur qui l'alimente. Un modèle utile maintient ces éléments couplés afin que vous puissiez voir comment une commande de couple se transforme en courant de phase, comment ce courant génère de la chaleur dans les composants, et à quel moment le réglage de la commande commence à limiter les performances. C'est là toute la différence entre un graphique qui semble parfait et un modèle qui résistera à des conditions de fonctionnement plus difficiles.

Comment un onduleur de traction génère-t-il la tension de phase du moteur ?

Un onduleur de traction transforme la tension continue de la batterie en trois tensions de phase régulées à l'aide de six commutateurs de puissance, d'une modulation de largeur d'impulsion et d'un bus de courant continu. Le schéma de modulation détermine la tension moyenne. L'inductance du moteur lisse le courant. C'est ce vecteur de courant qui génère le couple.

Imaginons un bloc d'alimentation de 400 V alimentant un moteur à aimants permanents tournant à 3 000 tr/min. Le variateur demande un courant sur l'axe q, et le pont applique de brèves impulsions de tension positives et négatives à chaque phase. L'inductance du moteur filtre ces impulsions pour obtenir un courant quasi sinusoïdal. C'est pourquoi les formes d'onde de tension de phase semblent irrégulières, tandis que la courbe de couple peut néanmoins paraître régulière.

Votre modèle doit tenir compte de ces irrégularités lorsque le couple à basse vitesse, le bruit acoustique ou l'échauffement du dispositif sont des facteurs importants. Le temps mort modifie la tension effective. La chute de tension du dispositif réduit la tension réellement perçue par le moteur. Si vous ignorez ces effets, le moteur simulé semblera plus facile à contrôler que le matériel que vous essayez de modéliser.

La dynamique des machines détermine les contraintes électriques subies par les onduleurs

Les contraintes électriques subies par les onduleurs sont déterminées autant par la machine que par le pont. L'inductance des enroulements, la force contre-électromotrice, le degré de saillance et la vitesse déterminent l'ondulation du courant et la tension de crête. Un même onduleur de traction se comportera de manière très différente selon le moteur qu'il alimente.

Un moteur à aimants permanents internes à faible inductance peut connaître une forte augmentation de courant après chaque front de commutation. Une machine à induction de puissance similaire répartit généralement ce courant sur un intervalle plus long. La régénération à proximité de la vitesse maximale ajoute un cas supplémentaire, car la force contre-électromotrice de la machine pousse la tension de phase vers la limite du bus de courant continu. Une commutation plus difficile et des contraintes de crête plus élevées apparaissent précisément là où un modèle simplifié semble calme.

Cet couplage a une incidence sur les estimations de pertes et la marge de sécurité de fonctionnement. Un même pont peut sembler peu sollicité avec un appareil et fortement sollicité avec un autre. Si vous étudiez le variateur sans tenir compte de l’appareil, vous ne verrez pas où apparaissent les pics de surintensité, la récupération des diodes ou la saturation de tension. La sollicitation des composants est le résultat du système dans son ensemble, et non pas uniquement celui du variateur.

La conception d'un onduleur de traction pour véhicule électrique commence par son pont de commutation

Pour concevoir un modèle utile d’onduleur de traction pour véhicule électrique, il faut commencer par les composants qui déterminent concrètement le comportement de commutation. Ces composants sont la source de courant continu, le condensateur du bus intermédiaire, la résistance et l’inductance du bus, les six dispositifs à semi-conducteurs, les chemins de courant valides, les commandes de gâchette et la mesure du courant. Ce sont eux qui déterminent la tension appliquée au moteur et les contraintes subies par les dispositifs.

Un modèle de pont à 800 V avec des commutateurs idéaux permet de prédire assez bien le couple moyen. Il ne mettra toutefois pas en évidence le dépassement qui apparaît lorsque l'inductance du bus et la capacité de sortie du dispositif interagissent. Un étage à transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) en silicium nécessite également la prise en compte de la récupération inverse de la diode. Un étage en carbure de silicium nécessite quant à lui de prendre en compte la capacité de sortie et le temps mort pour le même point de fonctionnement.

Vous n'avez pas besoin de tous les paramètres parasites dès le premier passage, mais vous avez besoin de ceux qui sont liés à votre question. L'analyse thermique nécessite des détails sur les pertes de commutation. L'affinement à basse vitesse nécessite le temps mort et la chute de tension au niveau des composants. Les études de défaillance nécessitent des chemins de courant qui restent valides en cas d'absence de commande de grille.

« Un même pont peut paraître harmonieux avec une machine et agressif avec une autre. »

Les modèles à entraînement motorisé nécessitent des équations de machine adaptées à la commande

Un modèle d'entraînement à moteur électrique ne fonctionne que lorsque les équations de la machine et la méthode de commande reposent sur les mêmes hypothèses physiques. La commande orientée champ d'une machine à aimants permanents nécessite des états cohérents des axes d et q. La commande d'un moteur à induction nécessite une dynamique du flux du rotor que le contrôleur puisse réellement « voir ».

Un modèle d'aimant permanent en surface semble souvent se comporter correctement lorsque l'on utilise des gains de courant tirés d'un exemple type de manuel. Si l'on applique ces mêmes gains à une machine à aimant interne présentant une forte saillance, un dépassement de couple apparaît, car le système asservi est différent. L'erreur d'angle du capteur constitue un autre piège. Un décalage de 5 degrés fait pivoter le courant commandé dans le mauvais axe et réduit le couple, tandis que les pertes augmentent.

Le logiciel SPS s’avère ici très utile, car il permet de visualiser les états du pont de commutation, du contrôleur et de la machine au sein d’un seul modèle modifiable, plutôt que de les disperser dans des blocs fermés. Il est ainsi plus facile de comprendre pourquoi un gain qui semblait correct pris isolément commence à présenter des défaillances dès lors que les limites du variateur et les états de la machine interagissent. Vous pouvez examiner directement les hypothèses, sans avoir à deviner dans quel bloc elles se cachent.

La bande passante de contrôle détermine la manière dont le couple s'établit après une commande

La réponse en couple dépend davantage de la bande passante de la boucle de courant, du délai d'échantillonnage, de la tension de phase disponible et de l'inductance de la machine que d'une valeur nominale de commutation. Le variateur influe sur le couple car il limite la vitesse à laquelle le courant peut atteindre la valeur commandée. Cette limite devient évidente lorsque la force contre-électromotrice et la saturation de tension exercent une pression sur la boucle de régulation.

Effectuez un saut de 0 Nm à 150 Nm à faible vitesse sur un variateur de 400 V. Le variateur atteint généralement rapidement la valeur de consigne, car la marge de tension est suffisante pour faire monter le courant. Effectuez le même saut à une vitesse proche de la vitesse de base et la consigne se heurte à la limite du bus CC. Le courant augmente plus lentement et la courbe de couple s'arrondit, même avec des gains identiques.

C'est pourquoi les résultats obtenus sur banc d'essai peuvent surprendre les équipes qui n'ont effectué leurs réglages qu'à l'arrêt. Un régulateur de courant rapide ne peut pas compenser un manque de marge de tension. Une bande passante supplémentaire peut également amplifier le bruit ou l'ondulation lorsque l'inductance de la machine est faible. Si vous évaluez la sensation de couple, le point de fonctionnement est tout aussi important que les réglages du variateur.

Quelle fréquence de commutation convient à un modèle d'onduleur de traction ?

La fréquence de commutation adaptée à un onduleur de traction est celle qui permet d’équilibrer l’ondulation du courant, les pertes de commutation, la résolution de contrôle et les limites acoustiques pour une machine et une plage de vitesses données. La plupart des systèmes de propulsion des véhicules électriques se situent entre quelques kilohertz et quelques dizaines de kilohertz. Un bon modèle teste cette plage plutôt que de se contenter de suppositions.

Un pont de 8 kHz associé à un moteur à inductance plus élevée permet de maintenir l'ondulation à un niveau raisonnable et les pertes à un niveau modéré. Un moteur à aimants permanents à faible inductance nécessite souvent une fréquence plus élevée ou une tension de phase plus importante pour atteindre la même régularité de couple. Les études publiées sur les onduleurs de traction automobile au carbure de silicium font état de rendements de pointe supérieurs à 98 %; ainsi, même un léger décalage de fréquence peut réduire la marge thermique. Cela laisse peu de place à un choix de fréquence dicté uniquement par l'habitude.

Le choix de la fréquence influe également sur les éléments à simuler. Une fréquence plus basse permet de mieux mettre en évidence les ondulations et les composantes acoustiques. Une fréquence plus élevée nécessite de prêter davantage attention aux pertes de commutation et à l'élévation de température des composants. Vous ne pourrez déterminer le meilleur compromis que si le moteur et le variateur sont intégrés dans un même modèle.

La fidélité de la simulation doit correspondre à la question posée

Le niveau de détail de la simulation doit correspondre à la problématique technique, car une fidélité inadaptée entraîne une perte de temps dans un cas et masque la réponse dans un autre. Les modèles à valeur moyenne conviennent pour l'analyse des flux d'énergie et les vérifications générales de contrôle. Des modèles de commutation sont nécessaires pour les études portant sur l'ondulation, les contraintes, le temps mort et la protection.

Une étude d’autonomie au niveau du véhicule ne nécessite pas de prendre en compte chaque front de commutation. Une étude de variation de couple à faible vitesse en a généralement besoin. Le tableau permet de vérifier rapidement si le niveau de détail du modèle correspond au résultat recherché. Cette approche permet de maîtriser la durée de la simulation sans pour autant faire abstraction des phénomènes physiques qui déterminent le résultat.

Si la question porte sur la contrainte subie par le dispositif, un modèle moyen lissé aura l'air soigné mais risque tout de même de vous induire en erreur. Si la question porte sur l'énergie par cycle, un modèle de commutation complet prendra du temps et n'apportera que peu de valeur ajoutée. Une bonne fidélité ne consiste pas à maximiser le niveau de détail. Une bonne fidélité consiste à conserver les détails qui déterminent la réponse.

« Vous ne pourrez pas savoir quelle est la meilleure solution que si le moteur et le variateur font partie du même modèle. »

Les erreurs courantes de réglage faussent la réponse de couple prévue

La réponse en couple semble meilleure en simulation que sur le matériel lorsque de petites erreurs de configuration rompent le lien entre la physique du variateur, les états de la machine et les limites de commande. Les pires erreurs sont simples, reproductibles et évitables. C'est ce qui les rend dangereuses, car les courbes restent impeccables jusqu'au premier point de fonctionnement difficile.

La plupart des mauvais résultats proviennent d'une poignée d'habitudes de configuration. Chacune d'entre elles masque une limite physique différente. Des formes d'onde nettes ne signifient pas pour autant que le modèle est fiable. Ces vérifications permettent de détecter rapidement toute fausse confiance.

• L'utilisation de commutateurs idéaux, compte tenu du temps mort et de la chute de tension du dispositif, permet de réguler le courant à basse vitesse.
• Combinaison d'un modèle de machine à aimants permanents avec des équations de commande adaptées à un autre type de moteur.
• Régler les boucles de courant à l'arrêt et s'en tenir aux gains proches de la vitesse de base.
• Choisir une fréquence de commutation avant de vérifier l'ondulation et les pertes sur toute la courbe de vitesse.
• Valider uniquement le couple tout en ignorant le courant de l'appareil, l'ondulation du bus CC et les contraintes thermiques.

Un modèle inspire confiance lorsque les détails omis sont le fruit d'un choix délibéré et clairement documentés. C'est la norme que vous devez respecter pour toute étude portant sur un onduleur de traction ou un entraînement par moteur électrique. SPS SOFTWARE s'inscrit parfaitement dans cette approche, car il vous permet d'examiner l'onduleur, le système de commande et la machine en un seul et même endroit, et d'évaluer la réponse en couple parallèlement aux contraintes subies par l'équipement. Des modèles clairs ne supprimeront pas les compromis, mais ils vous montreront d'où ces compromis proviennent.