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Quels sont les rôles d’un onduleur de voiture électrique et d’un moteur de traction ?
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.
Découvrez la configuration complète du bancDécouvrez comment :
- Technologie des onduleurs et des moteurs de traction
- Analyse des signaux critiques de l'onduleur de voiture électrique
- Comprendre le comportement du système en cas de changement de charge du moteur
- Visibilité des paramètres de contrôle du vecteur tels que DQ0
- Corrélation entre les mesures mécaniques et électriques
- Comprendre l'impact de l'intégration des dispositifs de puissance à large bande interdite
- Onduleur de traction pour véhicules électriques et système de référence du moteur
- Outils et solutions de test pour les onduleurs de véhicules électriques
Techniques pour effectuer des mesures reproductibles sur les onduleurs
Blocs fonctionnels d'un onduleur de voiture électrique et d'un moteur de traction.
Comprendre la technologie des onduleurs et des moteurs dans les véhicules électriques
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'onduleur de voiture électrique 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.
Fournir la puissance requise
Les VE de la prochaine génération adoptant une architecture de 800 V et les moteurs des VE consommant des centaines d'ampères, les tests des onduleurs de traction et des moteurs nécessitent une alimentation électrique de grande capacité. Les alimentations de la série EA-10000 répondent à ce besoin avec des modèles qui peuvent générer jusqu'à 30 kW avec des tensions jusqu'à 2000 V ou des courants de sortie jusqu'à 1000 A. Les alimentations de la série EA-10000 ont une "vraie" sortie autoréglable permettant de délivrer la pleine puissance à partir de 1/3 de la tension nominale de l'alimentation jusqu'à la tension nominale maximale pour tester les performances de l'onduleur et du moteur pendant le cycle de décharge de la batterie. Les modules d'alimentation bidirectionnelle permettent de tester les performances du freinage par récupération. Ces alimentations peuvent absorber l'énergie régénérative qui recharge la batterie et la restituer au réseau AC avec une efficacité de pointe de 96 %. De plus, une gestion thermique robuste intégrée aux consommables de la série EA-10000 garantit une fiabilité élevée.
Série EA-10000 Véritable caractéristique d'autoréglage avec une pleine capacité de puissance jusqu'à 1/3 de la tension nominale et une large gamme de courant
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 automobile 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 de traction, 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.
Mesures de la tension, du courant et de la puissance triphasés en sortie d'onduleur
En savoir plus :
Tracés des paramètres de puissance sur 100 acquisitions, notamment Vrms, Irms, puissance réelle, différence de phase, puissance apparente et puissance réactive.
En savoir plus :
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.
Les mesures DQ0 utilisent les formes d'onde de sortie pour calculer et afficher les coefficients du système de contrôle.
En savoir plus :
Livre blanc sur l’analyse DQ0 des systèmes de commande de moteurs à l’aide d’un 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.
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 :
Système de test d'onduleur de traction de voiture électrique
Le test d'une conception de groupe motopropulseur pour véhicule électrique nécessite un oscilloscope, des sondes adaptées, une source de signaux et un logiciel d'application. Ce système peut être personnalisé en fonction de votre application.
Wir freuen uns, Ihnen unser Prüfsystem für Traktionswechselrichter SOLN-IMDA-EV vorstellen zu können, welches für Anpassungsfähigkeit und Genauigkeit entwickelt wurde.
Approfondissez ses caractéristiques et découvrez comment notre solution de référence pour les tests d’onduleurs de traction pour véhicules électriques peut être adaptée pour optimiser les performances de votre groupe motopropulseur tout en garantissant sa conformité aux normes et réglementations de l'industrie.
| Instrument/sonde/option | Quantité | Description |
| Série EA 10000 | 1 | Alimentations bidirectionnelles programmables et charges électroniques régénératives |
| 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 |
Solutions et outils de test pour onduleur de véhicule électrique
Ressources complémentaires
Glossaire des termes clés pour les onduleurs de traction pour véhicules électriques
Onduleur de traction : dispositif qui convertit le courant continu (DC) de la batterie du véhicule en courant alternatif (AC) pour entraîner le moteur électrique.
Signaux de tension PWM : les sorties des onduleurs de traction sont des signaux de tension à modulation de largeur d’impulsion (PWM). En modulant la largeur d’impulsion, l’onduleur contrôle la vitesse et le couple du moteur électrique.
Semi-conducteurs de puissance SiC : les semi-conducteurs de puissance en carbure de silicium (SiC) sont des dispositifs à large bande interdite utilisés dans les onduleurs de traction en raison de leurs propriétés supérieures à celles des semi-conducteurs traditionnels à base de silicium. Ils offrent une plus grande efficacité, peuvent fonctionner à des températures plus élevées et commuter à des fréquences plus élevées.
IGBT et MOSFET : les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) et les transistors à effet de champ à structure métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET) sont des types de transistors utilisés dans les onduleurs de traction pour la commutation.
FOC : la commande orientée champ (FOC) est une stratégie de contrôle du moteur qui optimise le couple et le rendement du moteur en contrôlant l’angle entre l’axe direct (D) et l’axe en quadrature (Q) du champ magnétique du rotor.
Questions fréquentes (FAQ)
Qu’est-ce qu’un onduleur de traction et quel est son rôle dans un véhicule électrique ?
Un onduleur de traction convertit le courant continu de la batterie d’un véhicule électrique en courant alternatif pour le moteur électrique. Il contrôle la vitesse, le couple et la direction du moteur, ce qui est crucial pour le mouvement et l’efficacité du véhicule.
Quels sont les principaux paramètres testés dans un onduleur de traction ?
Les paramètres critiques comprennent la tension de sortie et la qualité de la forme d’onde de courant, la fréquence de commutation, l’efficacité, les performances thermiques, les interférences électromagnétiques (EMI ou CEM) et la réponse à diverses conditions de charge.
Quel est le rôle des semi-conducteurs de puissance SiC dans les onduleurs de traction ?
Comment la commande orientée champ est-elle utilisée dans les contrôleurs de moteurs/onduleurs ?
Quels sont les défis liés à l’analyse des signaux critiques des onduleurs ?
Comment les tests d'efficacité sont-ils effectués pour les onduleurs de traction ?
Le test d'efficacité consiste à mesurer la puissance d'entrée et de sortie dans différentes conditions de charge. Le rendement est calculé comme le rapport entre la puissance de sortie et la puissance d'entrée et permet d'optimiser la conversion d'énergie de l'onduleur. Le fait de pouvoir mesurer à la fois les paramètres électriques à l'entrée de l'onduleur de traction et la sortie mécanique du moteur permet aux ingénieurs de déterminer l'efficacité globale du système.
Quels sont les outils utilisés pour tester les onduleurs de traction ?
Les oscilloscopes, les sondes et les logiciels d'analyse spéciaux se combinent pour offrir une visibilité de bout en bout. Ils capturent les formes d’onde, mesurent les caractéristiques électriques, surveillent la température et évaluent les émissions électromagnétiques.
Comment les oscilloscopes contribuent-ils à l'analyse des onduleurs de traction et des moteurs ?
La solution d'oscilloscopes hautes performances de Tektronix permet une analyse rapide et précise de la sortie PWM complexe et dynamique des onduleurs de traction, afin d'aider les ingénieurs à optimiser l'efficacité et la fiabilité du système de traction. Augmentez les performances de votre système et réduisez le délai de mise sur le marché avec :
- Logiciel d’analyse PWM triphasé incluant des mesures électriques, mécaniques, d’efficacité du système et DQ0. Capteurs pris en charge : Hall, QEI et résolveur
- Tracé de la tendance temporelle des oscilloscopes pour l’analyse du profil de démarrage du moteur
- Décodage du protocole série pour les protocoles automobiles courants tels que CAN, LIN et SENT
- Générateur de fonctions arbitraires pour l'injection de signaux
- Contrôle à distance basé sur un PC pour travailler à une distance sécuritaire des appareils à haute tension et des appareils rotatifs
- La solution IMDA offre deux tracés de tendance uniques sur la mesure de la qualité de la puissance pour répondre à ces exigences : le tracé de tendance temporelle et le tracé de tendance d'acquisition
- Les tracés de tendance d'acquisition enregistrent des mesures dynamiques spécifiques à mesure que les paramètres moteurs changent au cours de plusieurs acquisitions
- Prise en charge de la conversion mathématique de Ligne à Ligne en Ligne à Neutre pour un câblage spécifique. Cette fonction est utile lorsqu’il est difficile de procéder à un véritable câblage ou test neutre
- Analyse des conceptions triphasées des onduleurs et automobiles pour la configuration du câblage d’entrée DC et de sortie AC
- Configuration des câblages et des filtres pour effectuer des mesures d’efficacité pour une topologie DC-AC la plus adaptée aux tests d’onduleurs.