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Onduleurs et moteurs de traction pour véhicules électriques​

Les onduleurs et les moteurs de traction constituent le cœur du groupe motopropulseur des véhicules électriques. Les gains d'efficacité au sein de ces sous-systèmes se traduisent directement par une meilleure autonomie, des performances accrues et un coût moindre du véhicule.

La mise en œuvre de semi-conducteurs de puissance SiC améliore l'efficacité et la compacité des onduleurs de traction. Les algorithmes de contrôle et la construction des moteurs sont optimisés afin d'atteindre des objectifs élevés en matière d'efficacité et de coûts.​

Les concepteurs de véhicules électriques combinent de nouvelles conceptions d'onduleurs de traction avec différentes conceptions de moteurs, créant ainsi de nouvelles structures hybrides adaptées de manière spécifique aux contraintes de la mobilité électrique.

Techniques pour effectuer des mesures reproductibles sur les onduleurs​

Block diagram of electric vehicle traction inverter and motor

Blocs fonctionnels d'un onduleur et d'un moteur de traction​

Technologie des onduleurs et des moteurs de traction​

Les véhicules électriques utilisent différents types de moteurs électriques, mais ils nécessitent tous d'appliquer des signaux de tension PWM au stator du moteur pour générer trois courants sinusoïdaux espacés de 120°. La modulation de l'entrée haute tension est généralement réalisée par des IGBT ou des MOSFET haute tension commutant à des fréquences allant de 20 à 100 kHz. Les concepteurs mettent tout en œuvre pour minimiser les pertes énergétiques lors des commutations tout en assurant la fiabilité de la synchronisation. ​

Les commandes de grille sont gérées par un sous-système de microcontrôleur (MCU) et déterminent la synchronisation des dispositifs de commutation. Les circuits de commande doivent faire l'objet d'une isolation galvanique par rapport aux parties sous haute tension.​

Les contrôleurs d'onduleurs utilisent souvent des algorithmes DSP, tels que la commande orientée champ (FOC) pour faire varier la sortie PWM avec précision. Selon l'entrée du pilote et la vitesse actuelle du moteur, l'unité MCU de l'onduleur commande l'angle entre les pôles de l'axe direct du rotor (D) et le champ magnétique, ou l'axe en quadrature (Q) pour fournir un couple régulier et optimal. Des capteurs tels que des codeurs ou des résolveurs sur le rotor du moteur fournissent un retour sur l'angle du rotor.

Analyse des signaux critiques de l'onduleur

La modulation de largeur d'impulsion et les formes d'onde de courant et de tension multiphasées ont toujours posé des difficultés aux oscilloscopes et aux ingénieurs qui les utilisent. Or, il est essentiel de visualiser et de mesurer ces formes d'onde pour optimiser la fiabilité, la robustesse, la densité de puissance et l'efficacité d'un onduleur.

L'arrivée des oscilloscopes à 6 et 8 voies a considérablement facilité l'étude des systèmes triphasés. Toutefois, pour les onduleurs, il faut également faire appel à des techniques de mesure spécifiques :

  • Les signaux PWM sont difficiles à déclencher, ce qui complique la stabilité et la reproductibilité des mesures. Il faut veiller à ce que la référence temporelle soit bien stable.
  • L'analyse des systèmes triphasés nécessite de mesurer la tension, le courant, l'angle et la puissance de chaque phase ainsi que du système dans son ensemble. Les diagrammes de phase sont adaptés à l'observation des amplitudes, des angles et de l'équilibre.

Le logiciel d'analyse des onduleurs, des moteurs et des entraînements sur les oscilloscopes des séries 4/5/6 simplifie le déclenchement sur les sorties PWM et la configuration des mesures triphasées. Les diagrammes de phase permettent de comprendre visuellement les problèmes électriques triphasés et de les résoudre.

Oscilloscope measurements on traction inverter outputs
Measuring traction inverter electrical parameters under different motor loads

Tracés des paramètres de puissance sur 100 acquisitions, notamment Vrms, Irms, puissance réelle, différence de phase, puissance apparente et puissance réactive.

En savoir plus :

Fiche d'analyse de l'entraînement du moteur par onduleur

Comprendre le comportement du système en cas de changement de charge du moteur

Pour améliorer la densité de puissance et l'efficacité, il est important de comprendre et d'analyser les performances dynamiques de l'entraînement et du moteur dans de nombreuses conditions d'essai différentes :

  • Démarrage du moteur
  • Différentes charges du moteur
  • Arrêt du moteur

La durée des tests peut varier de quelques secondes à plusieurs minutes en fonction du plan de test. Un oscilloscope avec une longue durée d'enregistrement stocke toutes les informations utiles pendant l'exécution et présente les résultats sous forme de formes d'onde et de graphiques. La capture de données à haute vitesse permet aux ingénieurs de zoomer sur une région particulière de la forme d'onde pour localiser un problème. En revanche, les analyseurs de puissance prennent généralement en charge les mesures triphasées étalonnées, mais sans avoir accès aux données à haut débit d'échantillonnage.

Visibilité des paramètres de contrôle du vecteur tels que DQ0​

Les systèmes de moteur et d'onduleur à boucle fermée se servent d'une rétroaction pour assurer une meilleure régulation de la vitesse et du couple par rapport aux systèmes à boucle ouverte. Les régulateurs « vectoriels » à boucle fermée effectuent des calculs en temps réel pour transformer les retours angulaires et de courant en variables plus simples (D et Q) qui peuvent être mises à l'échelle linéairement en temps réel. Les paramètres D et Q mis à l'échelle subissent ensuite une transformée inverse afin de fournir une entrée aux modulateurs permettant de commander les commutateurs. ​

Comme ces calculs importants sont effectués au cœur du contrôleur, il est difficile d'étudier D et Q en relation avec d'autres paramètres du système. L'application IMDA sur les MSO de la série B 5/6 prend en charge une seule mesure, DQ0 (zéro en quadrature directe), qui permet aux ingénieurs de mieux comprendre les contrôleurs. Elle calcule mathématiquement D et Q à partir des formes d'onde de sortie de l'onduleur en appliquant une combinaison de la transformée de Park et de Clarke. Les résultats sont affichés sous forme de mesures numériques et d'un diagramme de phase avec un vecteur résultant. Grâce à l'intégration de l'angle du codeur, les ingénieurs peuvent observer des vecteurs DQ0 alignés sur la position zéro de l'aimant du rotor lorsqu'ils sont utilisés avec l'impulsion d'indexation QEI. Ces outils visuels offrent une visibilité unique sur les performances du contrôleur pendant le fonctionnement réel du moteur.

DQ0 vector control parameters measured on an oscilloscope

Les mesures DQ0 utilisent les formes d'onde de sortie pour calculer et afficher les coefficients du système de contrôle​.

Measuring electric vehicle motor torque and speed with an oscilloscope

Les tendances et les histogrammes d'acquisition indiquent une variation de la vitesse. Les capteurs à effet Hall font partie des types de capteurs pris en charge.​

Corrélation entre les mesures mécaniques et électriques

Afin de comprendre l'incidence des décisions prises en matière d'électronique et d'algorithmes, les ingénieurs doivent être en mesure de corréler les performances mécaniques du moteur avec les mesures électriques. Il est essentiel de connaître l'angle, la direction, la vitesse, l'accélération et le couple du moteur pour comprendre le fonctionnement du système. La mesure des paramètres électriques à l'entrée du convertisseur de traction et de la sortie mécanique du moteur permet aux ingénieurs de déterminer l'efficacité globale du système.

Les mesures mécaniques telles que la vitesse, la direction et l'angle dépendent des signaux des capteurs qui doivent être décodés et affichés par le matériel de test. De nombreux moteurs BLDC sont équipés de capteurs à effet Hall intégrés, auxquels on peut accéder à l'aide de sondes numériques ou analogiques. D'autres systèmes peuvent utiliser des capteurs QEI (Quadrature Encoder Interface).

Les mesures de couple peuvent être effectuées à l'aide d'un capteur de couple spécial situé à la sortie du moteur. Le couple peut également être estimé approximativement en appliquant un facteur d'échelle au courant efficace.

Le logiciel IMDA de Tektronix permet de décoder les signaux des capteurs, ce qui permet aux oscilloscopes MSO des séries B 5 et 6 d'afficher la vitesse, l'accélération, la direction, l'angle et le couple.

Comprendre l'impact de l'intégration des dispositifs de puissance à large bande interdite​

Le passage à des architectures de 800 V permet de réduire les coûts liés aux câbles et aux batteries, de diminuer les pertes thermiques et d'améliorer l'efficacité des systèmes. Les MOSFET SiC permettent d'augmenter les tensions de commutation et de réduire les pertes de commutation, mais les plans de test classiques utilisant des dispositifs en silicium ne sont plus applicables.

Voici les principaux défis à relever pour tester les semi-conducteurs à large bande interdite :​

  • Mesure du courant et de la tension à des niveaux de puissance élevés
  • Mesure précise des signaux sur les MOSFET à côté élevé en présence de tensions de mode commun très élevées​
  • Mesure des pertes de commutation à l'aide de tests normalisés tels que les tests à double impulsion​

Tektronix propose des solutions pour le test des onduleurs de traction utilisant des MOSFET SiC, notamment des oscilloscopes, des sondes différentielles haute tension, des sondes de courant, des sondes à isolation optique, des sources de signaux et des alimentations de précision.

Double pulse testing using a function generator and oscilloscope

Le logiciel de test à double impulsion fait appel à des techniques de mesure automatisées cohérentes pour les mesures Eon et Eoff.

En savoir plus :

En savoir plus sur le test à double impulsion

Oscilloscope system for measuring electric vehicle traction inverters

Onduleur de traction pour véhicules électriques et système de référence du moteur​

Pour tester un groupe motopropulseur de véhicule électrique, il faut un oscilloscope, des sondes appropriées, une source de signaux et un logiciel d'application. Ce système peut être personnalisé pour s'adapter à votre application. ​

Instrument/sonde/option Quantité Description
MSO58B-BW1000* 1 1 GHz, oscilloscope à 8 voies
5-PRO-AUTOMOTIVE-3Y 1 Pack de solutions pour l'automobile comprenant les options d'analyse logicielle 5-IMDA, 5-IMDA-DQ0 et 5-IMDA-MECH pour les onduleurs, les moteurs et les entraînements, ainsi que le décodage des bus série pour l'automobile
THDP0200 3 200 MHz, +/- 750 V, sonde différentielle haute tension
TCP0030A 3 Sonde de courant CA/CC 120 MHz, 30 Arms, à noyau déversé
TLP058 1 Sonde logique à 8 voies
TEKSCOPE-ULTIMATE 1 Logiciel TekScope PC pour l'analyse hors ligne, notamment l'analyse IMDA et la prise en charge complète du bus série
TEKDRIVE-STARTER 1 Abonnement au stockage de données TekDrive, niveau individuel, licence d'utilisateur annuelle

Produits

Tektronix AFG31000 function generator

AFG31000

Les générateurs de signaux arbitraires haute performance de la série AFG31000 utilisent la technologie InstaView™ et intègrent des applications de génération de signaux, la surveillance de signaux en temps réel et une interface utilisateur moderne.

5 series B MSO - MSO58B

Oscilloscope à signaux mixtes MSO Série 5B

Le MSO de série 5 a un écran tactile, jusqu’à 8 entrées, des convertisseurs 12 bits analogiques-numériques et une bande passante. En savoir plus ici.

Sondes isolées IsoVu

Les systèmes de sondes réalisent des mesures haute résolution en présence de bruit ou de signaux de mode habituels.

6 Series B MSO Mixed Signal oscilloscope

Oscilloscope à signaux mixtes MSO Série 6B

Dépannez et validez des conceptions haute vitesse grâce à la bande passante évolutive de 1 GHz à 10 GHz.