Introduction générale. ?· Chapitre 1. Modélisation du véhicule électrique. 5 1.Introduction 1.1.Objectifs…

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    10-Sep-2018

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    Introduction gnrale.

  • Introduction gnrale.

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    Le vhicule lectrique suscite actuellement un regain dintrt car il prsente

    lavantage dtre non polluant. Sa vocation urbaine est dautre part renforce par le fait quil

    prsente un agrment de conduite vident : silence et absence de passage de vitesse.

    Nanmoins, sa diffusion reste limite. Par exemple, le constructeur Renault a produit en 1995

    quelques centaines de vhicules Clio en version lectrique, contre plus dun million en version

    thermique.

    Actuellement, le point critique du vhicule lectrique est le rapport de lautonomie sur le prix

    de vente. En effet, en 95 la Clio lectrique tait propose au public 95000 F sans les

    batteries, en finition de qualit suprieure. Il faut rajouter environ 600 F/mois de location de

    batteries, alors que lautonomie avoisine les 120 km.

    En admettant que lon puisse amliorer le rendement du vhicule lectrique configuration

    donne, on amliore ce rapport. En effet, on peut choisir de rester cot constant et donc

    daugmenter lautonomie. On peut dautre part choisir de rester autonomie constante en

    diminuant lnergie embarque et donc de diminuer le cot du vhicule (diminution du

    nombre de batteries, main doeuvre...). On peut aussi remarquer que dans tous les cas, le cot

    dutilisation par unit de distance pour lutilisateur diminue, ce qui est un argument de vente

    supplmentaire pour le constructeur automobile.

    Lobjectif poursuivi dans le travail de recherche prsent dans ce mmoire consiste

    optimiser la commande de la chane de traction asynchrone dun vhicule lectrique en vue

    de diminuer sa consommation nergtique. Pour y parvenir, nous avons explor deux voies.

    La premire voie consiste intervenir en amont du motovariateur en modifiant la consigne de

    couple du conducteur (enfoncement de la pdale dacclrateur), de manire diminuer la

    consommation en tenant compte des caractristiques du vhicule.

    La seconde voie consiste intervenir au niveau du motovariateur en dterminant la stratgie

    de commande qui minimise les pertes de lensemble form par londuleur et le moteur. En

    labsence de modle analytique de pertes dun moteur associ un convertisseur statique

    (pertes fer en particulier), nous avons limit ltude aux pertes de londuleur.

  • Introduction gnrale.

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    Le document est organis en trois parties.

    Le premier chapitre est relatif lanalyse et la modlisation de la chane de traction du

    vhicule existant : commande et MLI vectorielle, onduleur triphas, moteur asynchrone et

    chane mcanique. Un modle fin de la chane est dtermin. La corrlation des rsultats de

    simulation avec les relevs exprimentaux correspondants permet de le valider. Ce modle

    tant un outil danalyse, il permet dtudier les pertes de londuleur. Par ailleurs, il est dclin

    dans une version simplifie adapte aux tudes dautonomie sur des cycles longs.

    Le second chapitre prsente deux familles de commande susceptibles doptimiser un

    compromis entre le respect de la consigne du conducteur et laugmentation de lautonomie du

    vhicule. Une valuation de laugmentation de lautonomie du vhicule est effectue en

    simulation avec un gnrateur de consigne et un modle de conducteur, de manire

    reproduire des situations ralistes. Des essais rels sont mens avec diffrents conducteurs

    pour confirmer les rsultats de simulation.

    Le troisime chapitre analyse et compare diffrentes stratgies de la commande rapproche du

    moteur asynchrone au niveau des pertes de londuleur. Aprs avoir analys les pertes en

    simulation, une commande idale (qui peut tre lassociation de deux commandes sur

    diffrentes plages de vitesse) est propose.

    Enfin, les rsultats et les perspectives ouvertes par ces travaux sont prsents en conclusion de

    ce document.

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    Chapitre 1.

    Modlisation du vhicule lectrique.

  • Chapitre 1. Modlisation du vhicule lectrique.

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    1.Introduction

    1.1.Objectifs de la modlisation du vhicule.

    Les objectifs de la modlisation du vhicule lectrique sont doubles.

    Dune part, la modlisation permet de caractriser et danalyser les diffrents organes

    constituant le vhicule, leur degr de compatibilit, et dvaluer les performances de

    lensemble en fonction de critres qualitatifs : forme des signaux, stabilit et performances

    dynamiques. Cest aussi en partant de lanalyse du modle de la chane de traction que les lois

    de commande ont t synthtises.

    Dautre part, la modlisation du vhicule a pour objet de fournir un outil de simulation : cest

    un modle de rfrence qui sert de support des modifications de la commande, et par rapport

    auquel les amliorations seront values quantitativement.

    Loptimisation des performances nergtiques se situe diffrents niveaux : nous aurons par

    consquent besoin doutils adapts ces besoins. Loptimisation de la commande rapproche

    de londuleur (traite en troisime partie), fait intervenir des phnomnes de lordre de la

    microseconde. Lvaluation des puissances mises en jeu seffectue en simulation avec un

    modle interne analytique sur une dure nexcdant pas la seconde. Ce modle est appel

    microscopique (en rapport avec les pas de calcul).

    Lors de loptimisation de lautonomie par modification de la consigne du conducteur (traite

    en seconde partie), lvaluation des puissances intervient sur une dure de quelques dizaines

    de secondes. Les constantes de temps mises en jeu pour ce type de simulation sont de lordre

    du temps de raction du conducteur (quelques dizaines de millisecondes). Un modle

    simplifi, que nous caractriserons par la suite est donc ncessaire lors des phases

    dvaluation, et ce pour respecter les contraintes de temps de calcul. Lvaluation des

    puissances ne peut se faire alors quavec des cartographies. Ce modle possde un niveau de

    prcision suffisant au niveau dynamique et nergtique pour tre utilis avec le conducteur.

    Dans ce chapitre, nous prsenterons dans un premier temps le vhicule lectrique dans son

    ensemble, en faisant apparatre les diffrents organes tels quils sont modliss avec le modle

    microscopique. Enfin, un modle simplifi du vhicule sera prsent, ainsi que ses limites de

    validit.

  • Chapitre 1. Modlisation du vhicule lectrique.

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    1.2.Prsentation du vhicule lectrique.

    On peut subdiviser la chane de traction dun vhicule lectrique en trois parties : une source

    de puissance, un convertisseur et un rcepteur. En traction, la source est la batterie et le

    rcepteur la chane mcanique (Figure 1.1). En freinage, la chane mcanique devient en partie

    la source de puissance (tout en continuant dissiper par frottements), et la batterie est le

    rcepteur (Figure 1.2). Dans les deux cas, le groupe motopropulseur (GMP), compos de

    londuleur (et de son pilotage) et du moteur est le convertisseur de puissance

    lectromcanique.

    chanemcanique

    efforts rsistants

    variation del'nergiemcanique

    GMP :convertisseurlectromcanique

    batteriesde traction

    puissancelectrique

    puissancemcanique

    Figure 1.1. Transferts de puissance dans le vhicule lectrique en traction.

    chanemcanique

    efforts rsistants

    variation del'nergiemcanique GMP :

    convertisseurlectromcanique

    batteriesde traction

    puissancelectrique

    Figure 1.2. transferts de puissance dans le vhicule lectrique en freinage lectrique.

    A partir de cette dcomposition, larchitecture de commande du vhicule peut tre prsente.

    Elle est constitue dunits de contrle de la batterie, du GMP, du vhicule, ainsi que dune

    unit assurant linterface avec le conducteur.

    La structure informatique est dcompose fonctionnellement en trois parties auxquelles

    correspondent autant de microprocesseurs ddis (Figure 1.3). Cette structure 3 ples a t

    dveloppe par le constructeur automobile Renault.

  • Chapitre 1. Modlisation du vhicule lectrique.

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    GBT

    -tat de charge-limitation courant-limitation tension

    UCVE

    consignes conducteur

    consigne decouple

    UCM

    affichage conducteur

    Figure 1.3. Architecture lectro-informatique du vhicule.

    Les fonctions assures sont les suivantes :

    - lUCVE : Unit de Contrle du Vhicule Electrique (ou superviseur).

    Dune part, cette unit centralise les informations concernant le vhicule : tat des batteries et

    consignes du conducteur.

    Dautre part, elle redistribue des informations comme la consigne de couple du conducteur et

    laffichage pour le conducteur.

    Limplantation de loptimisation des lois pdales consiste modifier le programme implant

    dans ce calculateur.

    - le GBT : Gestion des Batteries de Traction. Cette unit est ddie au contrle de ltat de la

    batterie. Elle permet principalement de fournir lUCVE ltat de charge et dactiver les

    limitations de courant et de tension assurant la protection de la batterie.

    - lUCM : Unit de Contrle Moteur. Cette unit assure le pilotage de londuleur partir de la

    consigne de couple dtermine par lUCVE. Elle gre galement toutes les limitations de

    fonctionnement propres au moteur.

    A ces trois fonctions de contrle sont associs des organes physiques : la batterie pour le

    GBT, le moteur pour lUCM et le vhicule incluant le conducteur pour lUCVE.

  • Chapitre 1. Modlisation du vhicule lectrique.

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    La modlisation prsente par la suite ne porte que sur lUCM et le moteur : la batterie est

    assimile un gnrateur de tension parfait (tension constante) et lUCVE une consigne de

    couple.

  • Chapitre 1. Modlisation du vhicule lectrique.

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    2.Modlisation du Groupe motopropulseur.

    2.1.Modlisation de lunit de contrle moteur (UCM).

    2.1.1.Introduction : prsentation des diffrentes composantes.

    La chane de traction asynchrone1, qui est fournie par le constructeur Siemens, comprend

    lUCM.

    Cette unit se compose fonctionnellement de trois parties (Figure 1.4).

    - La premire partie gnre les rfrences de courant de couple isQ* (proportionnel au couple

    flux constant), de courant de flux isD* (le flux rotorique est le produit de ce courant et de

    linductance magntisante en rgime permanent), et la rfrence de flux rotorique rD*.

    Lautre fonction de cette partie est de gnrer les diffrentes limitations, qui seront exposes

    en dtail par la suite. La priode dchantillonnage de cette fonction est de 1 milliseconde.

    - La seconde partie dtermine les tensions appliquer au moteur, pour que les consignes de

    courant soient respectes : cest la commande vectorielle. La priode dchantillonnage de

    cette fonction est de 83,3 microsecondes.

    - Enfin, la troisime partie gnre les ordres de conduction des bras de londuleur, pour que

    soient appliques sur le moteur et en moyenne sur une priode de MLI, les tensions

    dtermines prcdemment. La priode dchantillonnage utilise en simulation pour cette

    fonction est de 0,65 microseconde pour une frquence de MLI de 6 kHz.

    Pour comprendre chacun des ces blocs, il est avant tout ncessaire de rappeler les principes de

    la commande vectorielle telle quelle est ralise pour le systme considr.

    1 Les caractristiques du groupe motopropulseur sont fournies en annexe.

  • Chapitre 1. Modlisation du vhicule lectrique.

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    couple deconsigne

    courantde batteriemaximum

    gnrationde consignes

    isD *

    isQ*

    rD*

    vs

    vs

    commandevectorielle

    MLIvectorielle

    Sa

    Sb

    Sc

    onduleurUCVE

    UCM

    1 mS 83 S 0.65 S

    Figure 1.4. Unit de Contrle Moteur.

    2.1.2. Principes dune commande vectorielle : construction partir dune structure en

    boucle ouverte.

    2.1.2.1.Introduction

    Dans une premire partie, la structure de commande vectorielle est uniquement compose

    dun terme de polarisation qui dtermine en boucle ouverte les tensions moteur et la pulsation

    statorique, telles que les courants soient gaux aux valeurs de consigne.

    Ce terme seul ne permet pas de matriser la dynamique des courants et donc le temps de

    monte du couple. De plus, il se rvle imprcis si certains paramtres du moteur sont mal

    estims.

    Une commande vectorielle peut tre construite progressivement partir de cette structure en

    mettant en vidence le rle de chaque fonction dans le contrle du couple.

    2.1.2.2.Terme de polarisation seul.

    Les quations de la machine sont exprimes dans un rfrentiel tournant (d,q)2, dont laxe d

    est align avec le flux rotorique rel.

    Expression des tensions statoriques

    vsd Rs isd Lsdisd

    dt

    d rd

    dts Ls isq= . + . . + - . . . (1.1)

    2 Les notations utilises pour les quations sont reportes la fin du document.

  • Chapitre 1. Modlisation du vhicule lectrique.

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    vsq Rs isq Lsdisq

    dts Ls isd s rd= . + . . + . . . + . (1.2).

    Expression du flux rotorique :

    d d

    dtRr isd

    Rr

    Lmrd

    = . (1.3).

    Expression des pulsations rotorique et statorique :

    rRr isq

    rd= . . (1.4).

    s r m= + (1.5).

    Expression du couple :

    = p rd isq. . (1.6).

    Le terme de polarisation a pour objet de dterminer les composantes VsD* et VsQ*, dans un

    repre (D,Q) align sur la position estime du flux rotorique, du vecteur tension appliquer au

    moteur en fonction des consignes de courant (Figure 1.5). Elles sont obtenues partir des

    quations (1.1) et (1.2) en faisant lhypothse dun rgime permanent ou lentement variable.

    vsD Rs s Ls isQ* * * *= .isD - . . . (1.7).

    vsQ Rs isQ s Ls isD s rD* * * * *. *= . + . . . + (1.8).

    rD Lm isD* . *=)

    (1.9).

    rRr isQ

    rD*

    $ . **

    =

    (1.10).

    s r m* *= + (1.11).

    avec : $Rr = a.Rr : estimation de la rsistance rotorique.

    )Lm = b.Lm: estimation de linductance magntisante

    Lerreur destimation sur la rsistance statorique na pas t prise en compte dans cette tude

    pour deux raisons. Dune part, ayant accs la temprature du moteur, la commande peut

  • Chapitre 1. Modlisation du vhicule lectrique.

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    estimer celle-ci correctement. Dautre part, une erreur sur lestimation de Rs na dinfluence

    qu trs basses vitesses.

    terme depolarisation

    +

    +

    Figure 1.5. Commande vectorielle en boucle ouverte.

    La pulsation statorique est impose par la commande, et par consquence la pulsation

    rotorique aussi. donc s s= * et r r= * (1.12).

    Daprs (1.4) et (1.10) on obtient isq a isQb isD

    isd r isd= =. *. *

    . . (1.13).

    Si on se place en rgime permanent, on peut dterminer les composantes dans le repre (d,q)

    du vecteur tension appliquer au moteur :

    Vsd

    Vsq

    Rs r s Ls

    r Rs s LsIsd

    =

    +

    . . .

    . ..

    3 (1.14).

    Lerreur sur lestimation de la rsistance rotorique et de linductance magntisante amne une

    erreur sur lestimation de la position du flux rotorique et sur les tensions appliques au

    moteur.

    $ s s= (1.15).

    3 Lemploi de majuscules pour dsigner les grandeurs lectriques a pour objet dindiquer au lecteur que lon se

    place en rgime permanent.

  • Chapitre 1. Modlisation du vhicule lectrique.

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    On en dduit une relation entre les tensions exprimes dans les deux repres :

    Dans le repre (d,q) du moteur :

    Vsd

    Vsq

    VsD

    VsQ

    =

    cos sin

    sin cos.

    *

    *

    (1.16).

    Dans le repre (D,Q) de la commande :

    ( )VsD

    VsQ

    Rs s Ls

    s b Lm Ls Rs

    IsD

    IsQ

    *

    *

    . .

    . . ..

    *

    *

    =

    +

    (1.17).

    On obtient finalement une expression de lerreur destimation de lorientation :

    ( )( ) ( )

    ( )( ) ( )( ) ( )

    =

    +

    + +

    + + + + + +

    Arc

    IsD Rs s Lm b IsQ Rsa

    bs Ls Lm a Ls

    a

    b

    IsD Rs s Ls b Lm Ls IsQIsQ

    IsD

    a

    bRs s Ls Rs s Lm a

    tan

    *. . . . *. . . . . . . . ....

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