MODELISATION DE L’ENTRAiNEMENT ELECTRIQUE MULTI-MACHINE DE LA TOYOTA PRIUS II par NGUYEN VAN CUONG Responsables : LAURENT GERBAUD(G2Elab) BERTRAND DU PELOUX(CEDRAT) EMMANUEL VINOT (INRETS) Contexte et objectif Projet C6E2 : outils pour la simulation de systèmes mécatroniques Partenaires : CEDRAT, IMAGINE, le G2Elab et l’INRETS Objectif : cas test C6E2 sur la motorisation électrique de la PRIUS II en utilisant du reverse - engineering Définir une modélisation paramétrée des composants du véhicule PRIUS II pour faire des études comportementales 28/08/2008 2/ 35 Plan de la présentation Présentation de l’entreprise et du laboratoire Modélisation et dimensionnement des machines électriques de la Prius II Commande des machines électriques Modélisation de l’unité de contrôle de puissance Simulation et comparaison du résultat avec le résultat de simulation INRETS de référence Conclusion et Perspectives 28/08/2008 3/ 35 Présentation de la société CEDRAT CEDRAT group est un groupe de quatre sociétés CEDRAT Technologies (Meylan, France) CEDRAT SA (Meylan, France) MAGSOFT (Balston Spa, NY, USA) Adapted solutions (Chemnitz, Germany) avec environ 75 personnes et 34 distributeurs techniques dans le monde qui fournit des logiciels, des matériels et des services CEDRAT SA (à Meylan) Développement et vente de logiciels pour le génie électrique Formation, support technique Etudes Logiciel utilisé dans le projet Flux : simulation éléments finis en électromagnétique et thermique 28/08/2008 4/ 35 Présentation des laboratoires G2Elab Un grand laboratoire grenoblois en Génie électrique porté par trois partenaires INPG, UJF et le CNRS. - Ce stage s’est déroulé aussi dans l’équipe MAGE (modélisation, méthode et méthodologie pour le génie électrique) du laboratoire. L’INRETS (Institut National de Recherche sur les transports et la Sécurité), site de Bron un centre de recherche dans le champ des transports terrestres et aux interfaces du maritime et de l’aérien. Dans le contexte de ce stage, l’INRETS fournit : le modèle complet de simulation du véhicule Prius II reposant sur des tables de mesures ainsi que les spécifications des machines électriques. 28/08/2008 5/ 35 Motorisation du véhicule PRIUS II Génératrice Batterie Moteur thermique UCP Train épicycloïdal Moteur électrique 28/08/2008 6/ 35 Transferts d’énergie dans la PRIUS II Génératrice Batterie Moteur thermique UCP Train épicycloïdal Démarrage et régime de faible à moyenne vitesse : seul le moteur électrique entraîne le véhicule. Conduite en conditions normales: La puissance du moteur thermique est transmise au véhicule Accélération brusque: La puissance de la batterie et du moteur thermique est utilisée. Décélération, freinage: Le moteur électrique fonctionne comme un générateur rechargeant la batterie Moteur électrique 28/08/2008 Rechargement de la batterie: La puissance du moteur thermique est transmise à la batterie si nécessaire 7/ 35 Simulation INRETS de référence Simulation conçue sous Matlab/Simulink par l’INRETS à partir des mesures expérimentales sur la PRIUS II. sous forme de tables de mesures => pas d’équations paramétrées Lois de commande et cartographies La batterie Le hacheur (cartographie) Les machines électriques et onduleurs (cartographies) 28/08/2008 Moteur thermique (cartographié) Train épicycloïdal (cartographie) 8/ 35 Les composants à modéliser Schéma d’alimentation de puissance et de la motorisation Moteur électrique Génératrice Deux onduleurs Hacheur 28/08/2008 Ainsi que les stratégies de commande 9/ 35 Modélisation et Dimensionnement des machines électriques de la PRIUS II 28/08/2008 10/ 35 Modélisation et dimensionnement du moteur Machines Commande Onduleur Hacheur Simulation trouver un dimensionnement qui donne un couple désiré pour chaque machine Respecte au mieux les dimensions géométriques et densité de courant Point de départ : données incomplètes Moteur Un couple de 400Nm pour une densité entre 8A/mm² et 10A/mm² à basse vitesse Couple désiré 358Nm de couple maximal pour le moteur Données initiales + modifications Géométrie Performance simulation sous FLUX (utilisation de densités de courant) 28/08/2008 11/ 35 Modélisation et dimensionnement de la génératrice Machines Commande Onduleur Hacheur Simulation Point de départ : données incomplètes Génératrice Un couple de 160Nm pour une densité entre 8A/mm² et 10A/mm² à basse vitesse Couple désiré 158Nm de couple maximal pour la génératrice Données initiales + modifications Géométrie Performance simulation sous FLUX (utilisation de densités de courant) 28/08/2008 12/ 35 Calage du modèle pour avoir la FEM souhaitée des machines Machines Commande Onduleur Hacheur Simulation simulation FLUX Remplacer les densités de courant par des conducteurs Trouver le nombre de spires/encoche qui permet de donner une amplitude de la FEM désirée pour chaque machine Moteur 100V à 727 tr/min pour le moteur Vitesse à vide NS/encoche 727 tr/min 19 Amplitude FEM 153 Amplitude FEM désirée 100 NS/encoche 100/153*19 = 13 FEM désirée Résultat obtenu Condition d’étude 50V à 1890 tr/min pour la génératrice Vitesse à vide 1890 tr/min NS/encoche 20 Génératrice 28/08/2008 Amplitude FEM 160 Amplitude FEM désirée 50 NS/encoche 50/160*20 =7 13/ 35 Choix du modèle analytique : Modèle de Park des machines Machines Commande Onduleur Hacheur choix d’un modèle de Park car : Simulation Adapté à la simulation dynamique Adapté à l’élaboration des commandes identification par simulation FLUX Moteur Densité de courant (A/mm²) 8 Ld, Lq et φSpm du modèle de Park pour le moteur et la génératrice? Génératrice Surface (mm²) Nombre de spires/encoche 314.4 13 Courant nominal (A) φSpm (weber) Ld (mH) Lq (mH) 96,7385 0.413 3.34 6.59 Résultat obtenu Condition d’étude Densité de courant (A/mm²) Surface (mm²) Nombre de spires/encoche Courant nominal (A) φSpm (weber) Ld (mH) Lq (mH) 8 361.0 7 206 0.0780 0.492456 0.761 28/08/2008 14/ 35 Machines Commande Onduleur Hacheur Simulation Commande des machines électriques 28/08/2008 15/ 35 Machines Commande Onduleur Hacheur Simulation Commande des machines : choix d’une commande vectorielle Bien adaptée à nos machines Facile à commander car la partie linéaire est des équations du premier ordre Calcul des gain des régulateur vSd iSdref PI iSd diSd Ld dt = vSd − RS iSd + ωLqiSq L diSq = v − R i − ωL i − ωφ Sq S Sq d Sd Spm q dt ωLqiSq Régulateurs pour la partie linéaire Couplage avec la partie non linéaire iSqref vSq PI Equations du modèle de Park Ajout de terme de découplage 28/08/2008 iSq ωLd iSd ωφSpm 16/ 35 Machines Commande Onduleur Hacheur Commande à basse vitesse : choix de la commande au couple maximal Simulation Temref = 3 3 p( Ld − Lq )iSdref iSqref + pφSpmiSqref 2 2 couple «réluctant» couple «synchrone» Temrel Tems Commande par le couple synchrone : isdref = 0 utilise le couple synchrone et annule le couple réluctant simple à mettre en œuvre. n’exploite pas le couple réluctant : limitatif en montée en vitesse Commande au couple maximal À partir de la consigne Temref, utilise des tables donnant le meilleur compromis sur iSdref et isqref donnant is minimal utilise à la fois le couple synchrone et le couple réluctant Permet de monter plus haut en vitesse =>savoir au préalable tous les paramètres de la machines 28/08/2008 17/ 35 Machines Commande Commande à vitesse élevée Onduleur Hacheur Simulation assurer la limite de tension et de courant de la machine permettre de courir donc un plage complète de la machine Temref 3 3 = p( Ld − Lq )iSdref iSqref + pφSpmiSqref 2 2 couple «réluctant» couple «synchrone» Temrel Tems couple maximal Augmenter le couple réluctant Diminuer le couple synchrone axe q ωbase limite de courant I Sam I Sa ω > ωbase limites de tension 28/08/2008 axe d 18/ 35 Combinaison de deux commandes d’une machine électrique Machines Commande Onduleur Hacheur Simulation Temref Commande à basse vitesse (iSdref ,iSqref ) Découplage et Transformation Commande vectorielle Commande à vitesse élevée dq to abc ω (iSd ,iSq ) U DC Onduleur Transformation abc to dq Vitesse de base ωbase θ ω Position θ Position MS la combinaison de deux commandes d’une machine synchrone Cette combinaison de deux commandes permet de couvrir la plage complète de vitesse d’une machine. 28/08/2008 19/ 35 Machines Commande Commande de tension du bus Onduleur Hacheur Simulation Commande en défluxage diminue l’efficacité des machines en augmentant les pertes La solution : élever la tension du bus en amant des convertisseurs alimentant les machines. U DC T emref Commande à basse vitesse ( i Sdref , i Sqref ) Découplage et Transformation Commande vectorielle dq to abc ω ( i Sd , i Sq ) Onduleur Transformation abc to dq θ Position θ Position MS Commande d’une machine avec la tension du bus variable La consigne de tension du bus est commandée en fonction du couple demandé et la vitesse des deux machines 28/08/2008 20/ 35 Machines Commande Onduleur Hacheur Simulation Commande au couple maximal Schéma de simulation sous Matlab/Simulink Régulateur iSd Commande en défluxage Régulateur iSq 28/08/2008 21/ 35 Machines Commande Courbe de simulation Onduleur Hacheur Simulation Basse vitesse / haute vitesse -40 -60 Courant de l'axe d (A) -80 -100 2 100 80 Courant de 60 l'axe q (A) 40 20 2 temps (s) 4 4 1 0.5 0 -0.5 Basse vitesse -12 4 6 8 6 8 10 Changement du mode de commande Vitesse élevée 6 4000 Vitesse de la machine (tr/min) 3000 2000 1000 00 2 4 10 8 12 14 12 temps (s) 14 Les courants constants à basse vitesse Les courants diminués à vitesse élevée temps (s) 10 12 14 temps (s) 6 8 10 12 14 Deux modes de commande pour le moteur 28/08/2008 22/ 35 Modélisation des onduleurs 28/08/2008 23/ 35 Onduleur de tension triphasé avec sa MLI vectorielle Machines Commande Onduleur Hacheur Simulation alimente le courant alternatif pour chaque machine électrique assure un temps de simulation assez court Modèle exact : Sans pertes Les commandes sont les valeurs exactes. Les commutations sont simulées idéalisé Le temps de simulation est important Modèle moyen : les commandes sont moyennées. Structure de l’onduleur Les commutations ne sont pas simulées Le temps de simulation est réduite par rapport au modèle exact. Une modélisation moyenne des commandes a été faite pour la MLI vectorielle 28/08/2008 24/ 35 Simulation d’un onduleur avec la MLI vectorielle Machines Commande Onduleur Hacheur Simulation Courant isa (A) les courants identiques 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 Temps(s) Courants du modèle exact et du modèle moyen Tension vsa (V) la même fréquence fondamentale pour les tensions 150 100 50 0 modèle moyen -50 beaucoup plus rapide -100 -150 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 Tensions du modèle exact et du modèle moyen Modèle exact 0.04 0.045 Temps(s) Modèle moyen Tensions et Courants des modèles de l’onduleur alimentant le moteur 28/08/2008 25/ 35 Modélisation du hacheur 28/08/2008 26/ 35 Machines Commande Onduleur Hacheur et la stratégie de commande du hacheur Hacheur Simulation tension continue en sortie entre 200Vdc et 500Vdc augmentation de la puissance des machines deux modes de fonctionnement : survolteur et dévolteur (charge ou décharge de la batterie) Hacheur 28/08/2008 27/ 35 Machines Commande Commande du hacheur Onduleur Hacheur Simulation utilise d’un régulateur PI pour assurer une bonne tension en sortie du hacheur Commande du hacheur La consigne de Udc donnée par la simulation INRETS 28/08/2008 28/ 35 Machines Commande Simulation du hacheur en mode de boost sous matlab/simulink Onduleur Hacheur Simulation simulation avec une résistance en sortie du hacheur une bonne tension en sortie du hacheur 600 Simulation du hacheur en mode de boost volt 500 400 300 200 100 0 Tension actuelle Tension demandée -100 0.2 0.4 0.6 s 0.8 1 28/08/2008 1.2 1.4 1.6 1.8 2 29/ 35 Simulation et comparaison des modèles des machines avec la simulation INRETS de référence 28/08/2008 30/ 35 Machines Commande Onduleur Hacheur Remplacement des tables de couple du moteur par son modèle analytique Simulation Modèle cartographié remplacé par le modèle analytique Les pertes restent modélisées par tables de mesures Modèle cartographié du moteur Modèle du moteur remplacé 28/08/2008 31/ 35 Machines Commande Onduleur Hacheur Simulation Vitesse(m/s) 60 40 20 0 Simulation du modèle de moteur sans modélisation des onduleurs % 60 Etat de charge de la batterie 50 Méconnaissance À approfondir 40 Vitesse du Véhicule Temps(s) 30 20 -20 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 Couple(Nm) 150 600 Consigne de Couple et Couple réel du moteur et la génératrice 100 400 Courant(A) 50 200 0 Temps(s) -50 0 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 Simulation actuelle Simulation INRETS Temps(s) 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Courant de la batterie Temps(s) 20 30 40 50 60 Simulation actuelle 70 80 90 100 Simulation INRETS Le modèle de l’INRETS contenant presque tous les modèles de charge du véhicule. A basse vitesse, le résultat de simulation identique à celui de simulation INRETS. A vitesse élevée, la commande n’est plus adaptée au modèle global ajout d’une autre stratégie de commande du moteur à vitesse élevée sachant que seul le moteur thermique est solicité. 28/08/2008 32/ 35 Machines Commande Simulation du modèle de moteur avec la modélisation des onduleurs Onduleur Hacheur Simulation 60 60 Vitesse du véhicule (m/s) 40 50 20 40 0 -20 0 10 20 30 40 600 Couple du moteur(Nm) 50 60 70 Etat de charge de la batterie (%) 30 Temps(s ) 80 90 100200 200 10 20 30 40 50 60 70 Temps(s) 80 90 100 Courant de la batterie(A) 400 100 200 0 0 Temps(s) -200 0 10 20 30 40 50 60 Simulation de l’INRETS 70 80 90 Temps(s) -100 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Simulation actuelle pareil au résultat de simulation sans modélisation l’onduleur. modélise bien l’onduleur Le même problème que précédemment. 28/08/2008 33/ 35 100 Conclusion et Perspectives Modèles des machines cohérents avec les machines réelles de la Prius II Bonnes stratégies de commande des machines à basse et moyenne vitesse. Modèles exact et moyen pour les convertisseurs avec leur commande A faire, le couplage entre Flux et Amesim avec les pertes dans les machines (évaluation des pertes faites pour le moteur) faire les structures de commande à vitesse élevée Développer des stratégies de supervision énergétique dans la voiture 28/08/2008 34/ 35 MERCI DE VOTRE ATTENTION 28/08/2008 35/ 35 QUESTIONS? 28/08/2008 36/ 35 Hacheur fonctionne en mode de boost di = V L L dt i = C dVs + i ch arg e D dt di L dt = Vb − (1 − Sboost )Vs C dVs = (1 − S )i − i boost ch arg e dt Modèle exact < Sboost >= D le Tboost est fermé : Sboost = 1 : VL = Vb et iD = 0 Moyenner d <i> L dt =< Vb > −(1 − D) < Vs > C d < Vs > = (1 − D) < i > − < i ch arg e > dt Modèle moyen Rapport cyclique le Tboost est ouvert : Sboost = 0: VL = Vb – V et iD = i β boost = Vs 1 = Vb 1 − D La tension en sortie VS du hacheur est donc augmentée. 28/08/2008 37/ 35 Hacheur fonctionne en mode de buck di = V L L dt i = C dVs + i ch arg e D dt di L dt = Vb − S buckV C dV = −(1 − S )i − i buck ch arg e dt Modèle exact < Sboost >= D Moyenner d <i> L dt =< Vb > − < S buck >< V > C d < V > = −(1− < S buck >) < i > − < ich arg e > dt le Tbuck est fermé:Sbuck= 1 : VL = Vb – VS et iD = 0 Modèle moyen Vb =D Vs Le rapport cyclique est commandé pour que la tension de la batteries soit constante. Rapport cyclique le Tbuck est ouvert : Sbuck = 1 : VL = Vb et iD =- i 28/08/2008 β buck = 38/ 35 Calcul des pertes fer à vide du moteur but : pour avoir ces pertes dans le bilan énergétique de la simulation pour le couplage Flux - Amesim Les pertes sont calculées selon la formule de Bertotti. 300 Pertes fer (W) 250 200 150 100 Moteur 50 Vitesse (tr/min) 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Pertes fer à vide en fonction de la vitesse C’est juste un première étape de calcul des pertes fer pour le moteur, le but est de calculer les pertes fer en fonction de la vitesse et du courant de phase. Cela sera fait après la comparaison des modèles de simulation. 28/08/2008 39/ 35 28/08/2008 40/ 35 couple maximal axe q ωbase limite de courant I Sam I Sa ω > ωbase limites de tension 28/08/2008 axe d 41/ 35 28/08/2008 42/ 35