Les onduleurs : le cœur des véhicules électriques
L'onduleur du véhicule électrique est un organe essentiel du groupe motopropulseur, mais il est souvent négligé par rapport aux batteries ou aux machines électriques. En regardant cette étude de NAS (2010), c'est le composant le plus cher d'un PHEV, juste après la batterie.
Sur cette base, il doit être soigneusement conçu. Voici ce qui est décrit dans cet article.
Simcenter Amesim et l'analogie avec le cœur humain
Pourquoi le cœur ? Parce qu'il fait circuler le sang (l'énergie ou l'électricité) à travers les différents organes (le moteur électrique, la batterie, le chargeur embarqué, etc.).
Et tout comme les cavités cardiaques et les ventricules pompent le sang dans tout le corps, les transistors et les diodes de l'onduleur pompent les électrons dans et hors des circuits électriques. La pression artérielle est équivalente au niveau de tension, or il faut une pression suffisamment élevée pour que le sang puisse irriguer correctement votre cerveau.
Simcenter Amesim, solution de simulation de système leader pour l'électrification, vous permet de comparer différents niveaux de tension d'un véhicule électrique et de voir l'impact sur les niveaux de courant, la qualité du courant et l'efficacité du groupe motopropulseur.
Une fois le niveau de tension défini, nous pouvons sélectionner la technologie des transistors, généralement un IGBT ou un MOSFET.
Cela peut se faire de deux manières dans Simcenter Amesim : soit importer des données provenant d'une feuille de données, soit importer des formes d'onde de conduction et de commutation provenant de Xpedition AMS ou de PartQuest Explore.
La comparaison de différents transistors et leur impact sur l'autonomie du véhicule électrique est déduite des simulations du système. Ici, pour un véhicule électrique de taille moyenne avec une batterie de 68 kWh sur le cycle de conduite SFTP-US06 :
Importance de la fréquence de commutation de l'onduleur
La fréquence de commutation de l'onduleur d'un véhicule électrique est similaire aux BPM (battements par minute) et, comme un médecin avec un stéthoscope, Simcenter Amesim peut évaluer le bruit, les vibrations et le comportement de dureté d'un onduleur à l'aide d'une carte spectrale :
Ici, l'impact sur l'ondulation du couple de la machine électrique est observé. La fréquence de commutation de l'onduleur d'un véhicule électrique est de 10 kHz et sa première harmonique est observée à 20 kHz.
Du côté électrique, les fluctuations de courant à haute fréquence sont appelées ondulation de courant. Pour éviter la propagation de l'ondulation à travers le bus CC, un condensateur de liaison CC est nécessaire. Il deviendra le chemin privilégié pour le courant alternatif à haute fréquence.
Le condensateur de liaison CC est également utilisé pour rigidifier la tension CC, c'est-à-dire réduire la tension d'ondulation.
L'augmentation des fréquences de commutation nécessite des condensateurs de liaison CC plus petits, ce qui permet d'obtenir des composants plus petits et une densité de puissance plus élevée pour l'onduleur. Voici une comparaison de l'ondulation de tension pour différentes fréquences de commutation, avec un condensateur de liaison CC de 0,005 F :
Gestion thermique de l'onduleur pour véhicule électrique
L'augmentation de la fréquence de commutation (le BPM) entraînera une augmentation de la chaleur libérée par le cœur. Étant donné que l'onduleur est une pièce d'ingénierie complexe, la capture précise de son comportement thermique transitoire nécessite soit une CFD 3D, soit une approche de test. En effet, certains emplacements de l'onduleur comme la température de jonction d'un transistor peuvent faire face à des points chauds. La température peut dépasser les limites spécifiées et le semi-conducteur peut tomber en panne ou accumuler une fatigue thermique.
Pour identifier avec précision ces points chauds dans Simcenter Amesim, deux techniques de réduction de modèle sont disponibles :
- Représentation Cauer/Foster de transistors individuels, importation depuis Simcenter T3STER ou depuis une fiche technique
- Onduleur à condition limite indépendant d'ordre réduit modèle FMU (BCI-ROM FMU) provenant de Simcenter Flotherm
Les courbes ci-dessous montrent la comparaison des températures de jonction de l'IGBT et du MOSFET SiC sur un cycle de conduite SFTP-US06. La conductivité thermique élevée du carbure de silicium permet de réduire les pertes de commutation et d'abaisser la température. Cela permet de réduire la capacité du système de refroidissement et/ou d'augmenter la fréquence de commutation de l'onduleur.
Analyse dysfonctionnelle de l'onduleur
Maintenant que le cœur des véhicules électriques a été décrit dans des conditions normales de fonctionnement, voyons ce qui se passe lorsqu'il tombe en panne, par exemple en cas de "fibrillation".
La fibrillation auriculaire est une fréquence cardiaque irrégulière et souvent rapide qui peut augmenter votre risque d'accident vasculaire cérébral, d'insuffisance cardiaque et d'autres complications cardiaques.
Au cours de la fibrillation auriculaire, les deux cavités supérieures du cœur (les oreillettes) battent de manière chaotique et irrégulière, en désaccord avec les deux cavités inférieures (les ventricules) du cœur. Les symptômes de la fibrillation auriculaire comprennent souvent des palpitations cardiaques, un essoufflement et une faiblesse.
Un onduleur de véhicule électrique peut souffrir de fibrillation lorsque, par exemple, un capteur de courant est court-circuité à la terre, ou si le capteur de vitesse de la machine souffre d'un décalage ou renvoie des valeurs erratiques. La vidéo suivante décrit les conséquences thermiques et électriques de telles défaillances.
Pour conclure, l'onduleur est un composant complexe, tout comme le cœur. Il faut quelques efforts d'ingénierie pour comprendre et maîtriser le bon fonctionnement de l'onduleur d'un véhicule électrique. Ces efforts sont réduits en s'appuyant sur des méthodes de simulation avancées comme celles présentes dans le portefeuille Simcenter.
Si vous souhaitez en savoir plus sur le processus complet de conception d'onduleurs et voir Simcenter Amesim en action, veuillez vous inscrire à ce webinaire à la demande.
Découvrez ici comment GKN a réduit le délai de mise sur le marché et les boucles de prototypage pour les véhicules électriques à l'aide de ce flux de travail d'ingénierie.
Et si vous êtes à la recherche de simulations cardiaques réelles, nous pouvons également vous aider, comme le démontre cette simulation d'interaction fluide-structure Simcenter STAR-CCM+ d'une valve cardiaque à trois feuillets.
