Apport des machines synchrones à double excitation pour la traction automobile : application aux véhicules électriques ou hybrides

27/08/2017
Publication REE REE 2006-9
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2006-9:19665
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Résumé

Apport des machines synchrones à double excitation pour la traction automobile : application aux véhicules électriques ou hybrides

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	    <date dateType="Created">Sun 27 Aug 2017</date>
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Apport des machines synchrones à double excitation pour la traction automobile : application aux véhicules électriques ou hybrides r. Véhiculeélectrique, Véhicule hybride, Machinesynchrone à double excitation, Aimantspermanents, Optimisation Par Lionel VIDO 1,Yacine AMARA 1, Mohamed GABSI 3, Emmanuel HOANG 1, Michel LECRIVAIN 1 SATIE,UMR CNRS 8029, IUP GEII Cergy', L2ES, Université de Technologie de Belfort Montbéliard (UTBM) ' SATIE,UMR CNHS 8029, ENS de Cachan 1 1. Introduction Cet article propose d'évaluer l'apport des machines synchronesà double excitation (MSDE) pour les applica- tions de traction automobile, plus particulièrement pour les véhicules électriques ou hybrides. La figure 1 montre le cahier deschargesclassiquepour de telles applications. La plupart du temps, les machines utilisées dans ces applications sont dimensionnées pour atteindre les zones maximales de la caractéristique couple - vitesse impo- sées.Il estpar conséquentdifficile d'obtenir le rendement maximum dans la zone du plan couple - vitesse désirée. Dans les applications de traction, les machines électri- ques doivent avoir le meilleur rendement dans une zone du plan couple - vitessequi est localisée dans unezone de charge partielle. Cette région est celle où la machine fonctionne la plupart du temps [1]. La machine requise doit donc à la fois fonctionner aux conditions maximales et avoir le meilleur rendement dans une zone de charge partielle donnée (fig. 1). Les MSDE ont un flux d'excitation obtenu à partir de deux contributions : les aimants permanents produisent un flux d'amplitude fixe, les bobines d'excitation un flux d'excitation d'amplitude variable (dépendant du courant d'excitation) qui peut renforcer ou affaiblir le flux créé par les aimants permanents [2]. Le flux d'excitation total résulte de ces deux flux. Le coefficient a, nommé taux d'hybridation, représentele rapport entre le flux d'excita- tion créé par les aimants permanents et le flux d'excita- tion maximal. La figure 2 montre une MSDE dimension- née et construite au laboratoire SATIE. Les bobines d'ex- citation sont localisées au stator, permettant ainsi d'éviter les contacts glissants. Les aimants permanentssont loca- lisés au rotor. Les MSDE ont un degré de liberté supplémentaire qui permet de satisfaire à toutes les contraintes exigées par les applications de type véhicule électrique ou hybride. Ce point seradémontré dans cet article. Nous présenterons dans un premier temps la modéli- sation de la MSDE. Afin de généraliser l'étude présentée, nous présenterons et utiliserons des paramètresnormali- sés.Une stratégie permettant d'optimiser le taux d'hybri- dation sera exposée. Cette étude analytique sera finale- ment confortée par des simulations effectuées dans l'en- vironnement Matlab. 2. Modélisation L'étude de tout systèmephysique nécessiteune modé- lisation. Il est alors possible de simuler le comportement ESSENTIEL Lobjectifdecetarticleestd'évaluer l'apportd'uneclasse spéciale de machinessynchronesdites machinessynchronesà double excitation.Ces machinespossèdentun inducteurbobinéet à aimantspermanents.Ledegrédelibertésupplémentaireapporté parl'excitationbobinéeparrapportauxmachinesà aimantsper- manentspermetd'optimiserle rendementénergétiquede la machine. SYNOPSIS Theaimofthispaperisto discussthesuitabilityofaclassofelec- tric machinesfor vehicletractionapplication.Thesemachines, knownashybridexcitationsynchronousmachines,combineaper- manentmagnetexcitationwith woundfieldexcitation.Thegoal behindtheprincipleof hybridexcitationisto combineadvantages of PMexcitedmachinesandwoundfieldsynchronousmachines. It is shownthatthesemachineshavegoodfluxweakeningcapa- bility comparedto PM machines,andthat they constitutean energyefficientsolutionforvehiclespropulsion. REE WIO Novembre2006 1 Dossier CAPTEURS ET ACTIONNEURS POUR APPLICATIONS AUTOMOBILES if} CL. M Zone de haut rendement Se 's - 3 ;.<.. M/' "'..O-'M/'..._ w S.s &.g -1)'---. s . -ë& --- S S o -" & S UH o -\--itessede rotation Figure 1. Spécifications polir les véhictiles étectriqties oii hybrides. culasse flanque statonque-, lobina ct'iudut' collecteii de ftuxroLonque bobine ''°>.- - c['eacit ; 1 et L Ld -Inialy cd (17) (26) el,, Ve inax Iplilay Ç2, ilixemax 7Max''y vmsrx Le rapport de saillance est également introduit : Les pertes Joule et les pertes fer normalisées deviennent : = 1 ;., 1/ (18) R I R.I " L Pj + - (27) nax La puissance électromagnétique et les différentes pertes 2 2 sont normalisées par rapport au produit Vax'Imax" linax qui cor- + ii,P PP p max max l R.1 it + l l respond à la valeur maximale de la puissance pouvant être Pf (28) convertie par la machine D Le rapport entre le flux d'excitation créé par les aimants plili - p permanents et le flux d'excitation maximal est noté a. Il vlîlax » illlax reflète le taux d'hybridation de la MSDE et varie entre P/zéro et un [9] : et P - (19) ipa V l -nax *Iiiia.,, tpilicix (29) La puissance électromagnétique ainsi définie donne donc une indication sur le dimensionnement du convertisseur. La valeur normalisée de la mutuelle induit - excitation Le rapport entre la puissance apparente du convertis- k`, s'écrit : seur alimentant l'induit et celui alimentant l'excitation bobinée est donné par : k * k exc./e max 30 Vnciy,ilnclx (20) k (,XC - oinalv, (30) j3 = max'max (20) max Ve max.I e max La relation entre le courant d'excitation normalisé/, et Les équations de fonctionnement du modèle circuit peu- le coefficient d'excitation kf devient : vent être alors réécrites en utilisant les valeurs réduites : * * r. Od + l'Ji/kl =a+kexc*ie (31) * _ i i0d + l fl _ * * f - = 10d + I.lit Pour un point (2*, C,,,,*) du plan couple - vitesse, le ren- rraax rrtcrx dement s'écrit : io, + i fil (32)q lq IOCI + lf', P + Pf + Pj * i iq + i f * * iq = 1 - I = ing + zf l' ", + P,- + Pi (32) iinax, iinay/KaX /MOA' Avec : 1.* - (2. (k/, + L,I.ioi (22) 4. Stratégie d'optimisation R R Rf Rf Afinde formuler des conclusions fiables concernant le dimensionnement des MSDE, il est nécessaire d'étu- dier leur fonctionnement dans le plan couple - vitesse. REE MM1000 tt °'° 28 Novembre 2006 Apport des machines synchrones à double excitation pour la traction automobile application aux véhicules électriques ou hybrides M Pour les applications véhicules électriques ou hybrides, le fonctionnement le plus fréquent est situé dans une zone de charge partielle (figure 1). La machine électrique utili- sée doit avoir le rendement le plus élevé dans cette zone tout en pouvant fonctionner en pleine charge. Ces spécifi- cations peuvent être difficilement réalisées avec les machines classiques alors que les MSDE peuvent y répon- dre aisément (figure 1). Le couple au point de fonctionne- ment le plus fréquent est produit uniquement par les aimants permanents, minimisant ainsi les pertes Joule totales. A pleine charge, le couple est produit par les aimants permanents et l'excitation bobinée. De telles recherches ont été menées dans ce sens pour les MSAP et les MSDE [8] [9] [10]. Pour un point (Q*, C,,, ") du plan couple - vitesse, il est possible de trouver une infinité de triplets (1*, y, ki-) permettant d'obtenir ce point. La stratégie de contrôle uti- lisée ici consiste à optimiser le rendement tout en respec- tant les contraintes sur le courant et la tension d'induit formulées par (33). La consommation est ainsi réduite et l'autonomie est améliorée. La figure 4 montre l'algo- rithme permettant d'exploiter cette stratégie : kf e kf cal, Calcul de Io'et tp 1 1 : 5 1 et V : 5 1 1 nmax lodt, 4j,,t et kfoot I' : 1 et V* 1 (33) De plus, la MSDE doit prendre en compte le fait que la zone la plus sollicitée est une zone de charge partielle. Grâce au taux d'hybridation, les MSDE peuvent optimiser le rendement et minimiser le volume et donc le coût des aimants permanents. Nous considérons que le rendement est centré autour d'une zone dont les coordonnées sont (cë/ ? 10, 2 (')) dans le plan couple - vitesse. Il est possible d'obtenir le taux d'hybridation qui optimise le rendement pour ce point de fonctionnement. La figure 5 montre l'algo- rithme qui détermine le taux d'hybridation optimal aopt : t'if 1 l''fr," k, i ' ! r " t' fr-*- ______k______ i ! Ca !cu ! de !oetqjCalcul de 1 () et u) F k i 1 et V* : 5 1 nmax ! nmax aoot` Figure 4. Algorithme de la stratégie de cornmar7de. F/gMy'e. /go ;'iy/7;!;epe ;'/;7eyy 0'f?'oi/y< ?;' A?/aMFigawe5. Algorithme pern7ettant de tr-ouver- le taarx d'hybridation optirnal. REE -- N'10 - Novembre"'6 M 29 1 5. Simulations Les simulations sont réalisées dans un environnement Matlab. Afin d'estimer la contribution des MSDE par rap- port aux MSAP, nous présentons des cartographies de rendement pour deux machines à pôles lisses. Ces machi- nes ont presque les mêmes paramètres, seule l'inductance normalisée dans l'axe d est différente. Les caractéristi- ques des deux MSAP sont données dans le tableau 1 : Machine Le p R ; R, Re k ;,1 p 1 i 1 11, il,, MSAP o5 1 ol 20 1 1 27 2 "'L' MSAP 2,0 Teibleciii 1. Cai-acléi-istiqtte, des ciï-,zt,,c USAP stratégie de commande est présentée à la figure 4, avec kf constant et maintenu égal à un. On retrouve les caractéris- tiques classiques des MSAP. L'augmentation de la plage de vitesse se fait au détriment du facteur de puissance. La figure 7a montre des cartographies de rendement pour deux machines ayant les mêmes caractéristiques : la pre- mière est la MSAP précédemment décrite (Ld - 0.5, lignes pointillées) et la seconde est une MSDE (a - 1, traits continus). La même cartographie est effectuée pour la seconde MSAP (figure 7b). Les caractéristiques des MSDE sont les suivantes (tableau 2) : Les valeurs normalisées proposées ici sont issues de mesures expérimentales réalisées au laboratoire SATIE [8]. La figure 6 montre les cartographies de rendement dans le plan couple - vitesse pour les deux machines. La Machine a : p R R, RI k " 13 1"'MSDF 0.5 - 1 - 1 0.1 20 1 1 27 2,,, MSDE 2O Tableau 2. Caractéristiyzres des deux MSDE. ii· ,!'///','''° " .-- "' 7ir': ri>'-, 1 1 y li - O.:: ; ::. :: 3 3£; ',,'il·_snmrrial·.:- ip.1 1... Mtichiiie (L,i = 0.5) 2 " "' Mcichine (L,I- - 2.0) Figure 6. Cartogral ? hie cle reiidement dc-s deitv PM,M. \. /' l@'@ ivachiiie (L,l = 0.5) 2@" ", Mac-hine (L,I'= 2.0) Figiii-e 7. Coinparaison MSAP - MSDE. REE W10 30 1 NoNembre 2006 Apport des machines synchrones à double excitation pour la traction automobile : application aux véhicules électriques ou hybrides t : ------ -- ----------- ------------ -...... -------------- - -- -------- --- --------- -- ---- ------- - ------------ - - - - --- - -------------- - -1 ---------- ----- li 1 11 i 1 1 1-1 u b u LI - H LI 1 LI Ilh L j p j, (ci) Retitl (,iietit (I'evt-iiiitioiz L iJi iiJ 0_ IL9 pb ii6 U: d.c ii__ 7 0 I11 II' L_ Liq 0=, OF· Li 0.ti li._ 1 u Jf,._.:,J.,uriiudi -.m Jh_',da:l,a(pji nJ Rerdemettl (b) Coe/ficienl d'e.rcitntiun Figure 8. Rendement et coeJficient d'excitation en fonction du taux d'hybz-idation Pour les deux machines, la double excitation agrandit la zone de rendement maximale. Il est à noter que cette double excitation est d'autant plus efficace que la machine utilisée a une inductance normalisée inférieure à un. Dans ce qui suit, nous évaluons l'influence du taux d'hybrida- tion. Nous nous limiterons aux MSDE avec une inductance normalisée inférieure à un. Nous considérons que la zone la plus fréquentée est centrée autour d'un point de coordonnées : cllil 0. 2 et 2 0 = 1.5 (34) En utilisant l'algorithme permettant d'optimiser le taux d'hy- bridation (figure 5), nous pouvons tracer le rendement et le coefficient d'excitation en fonction du taux d'hybridation (figures 8a et 8b). Le rendement présente un maximum pour un taux d'hybri- dation différent de l'unité. Pour le cahier des charges donné, il est donc possible d'améliorer le fonctionnement de la MSDE comparée à une MSDE avec un taux d'hybridation unitaire. Pour le rendement maximum, le taux d'hybridation est prati- quement égal au coefficient d'excitation. Par conséquent, pour ce point de fonctionnement, le courant d'excitation est nul et les pertes Joule au niveau de l'excitation bobinée le sont égale- ment. De plus, il est possible de satisfaire le cahier des charges avec un volume d'aimants permanents réduit. Pour les fonc- tionnements à pleine charge, il est nécessaire d'utiliser l'excita- tion bobinée. La figure 9 montre la cartographie de rendement et la zone du plan couple - vitesse la plus sollicitée. Avec a - 1,)la zone de rendement maximale ne coïncide pas avec la zone de fonctionnement la plus fréquentée du plan couple - vitesse. En optimisant le taux d'hybridation a, il est possible de maximiser le rendement dans la zone désirée (figure 10). Les MSDE permettent de remplir tous les éléments du cahier des charges d'une application de type véhicule électrique ou hybride. 6. Conclusion Dans cet article, nous avons montré que les MSDE (1.':1 (18'1 j'5d F'omtleplu::,:,olll(.lledan':, 07 l" "i ! i\'' :sld8nc;;UPI:E ;'I: %elaf.lmi yl :da·-=: i ; ju 0.F I, 1\ ,Iii, Li4, J f', \ //'\\ ''//.1.-8E.7%) \/ "ï1e::,se nOllYlal1:,ee ri `'itessertuirr.,lisee(;pu;i Figure 9. Cartographie du rendement d'une MSDE avec a - 1. plar) cc'i p c, e Li ; I_- ?' Pc'iritlewlu=.·:r,lliïda,9nais 'Iplanr_pl.-.'-vdesa. 1 «(,bU'1 \ i w; i_iF i li i o , i0 1 1 08- " 7*- F'!'!H'!t !t' !!u.'=.û!!!!'!tdr !':. '1',, /. 02- !'..-.,-'. "-.-* " u u n " ! - ! --' !-- "''---- e,[l', Iii 1> V!te":;enc !rmdh.pE'(p!j) Figure 10. Cartographie du rendement d'une MSDE avec a permettent d'améliorer les perfonnances dans le plan cou- ple - vitesse par rapport aux MSAP. La double excitation optimise le dimensionnement de la machine et de son convertisseur associé. Elle réduit les risques de démagné- tisation des aimants permanents. Si le flux d'excitation REE N'10 Novembre2006 1 Dossîer CAPTEURS ET ACTIONNEURS POUR APPLICATIONS AUTOMOBILES peut être complètement annulé par l'excitation bobinée, alors les problèmes inhérents au fonctionnement en court- circuit sont résolus. Cette étude a montré que le gain était d'autant plus important que la machine possède une inductance normalisée faible dans l'axe direct du repère de PARK. Le degré de liberté offert par la double excitation a permis de dimensionner une machine permettant de répondre aux principales contraintes d'une application véhicule hybride, telles que la consommation et le coût comparé à celui d'une MSAP. Grâce aux simulations, nous avons montré la possibilité d'élargir et de déplacer les zones de rendement maximales afin de les faire coïnci- der avec la zone du plan couple - vitesse la plus sollicitée. La gestion de l'énergie embarquée est ainsi optimisée. Dans une certaine mesure, on peut conclure que les MSDE permettent d'allier les avantages des MSAP et des machi- nes synchrones à rotor bobiné [13]. Le degré de liberté additionnel offert par la double excitation permet aux MSDE de remplir complètement les spécifications propres aux applications véhicules électriques ou hybrides. 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BERETTA, " Imple- mentation and Comparison of three Approaches for Energy- Optimized Strategies of a Synchronous Machine and its Inverter " EPE 2001, Graz, Austria, CD proceedings, August 2001. fll] K. NAGAYAMA, T MIZUNO et T ASHIKAGA, " Method and Apparatus for Controlling Hybrid Excitation Type Permanent Magnet Synchronous Motor ", Nov. 18, 1997, US Patent 5, 689,166, [12] A. FONSECA, CH. CHILLET, E. ATIENZA, A-L BU-VAN et J. BIGEON, " New Modelling Methodology for Different PM Motors for Electric and Hybrid Vehicles ", IEEE IEMDC'2001 proceedings, pp. 173-178, Boston, USA, June, 2001 [131 A. LEVY, " Quelle motonsation pour les véhicules électnques : synchrone à rotor bobiné ou à aimants " C-VELEC'97, pp. 68-74. L e s a u t e u r s Lionel Vido est né à Courbevoie en 1976 Il à obtenu IAgrégation rïp, Ci.nip, F 1Pc-.Iriniie. en 2000 à I'Fcolp Normale Suoérieure de Lionel Vido est né à Courbevoie en 1976 Il à obtenu IAgrégation de Génie Electrique en 2000 à l'Ecole Normale Supérieure de Cachan, le DEA de Génie Electrique de Paris, Paris Xi. Orsay en 2001 puis sa thèse de doctorat au laboratoire Système et Applications des Technologies de l'Information et de l'Energie (SATIE) et à l'Ecole Normale Supéneure de Cachan en 2004. Il est actuellement Maître de Conférences au SATIE et à l'Université de Cergy-Pontoise. Ses travaux portent sur le dimensionnement et la modélisation des machines synchrones et asynchrones dans les transports. Yacine Amara est né à Alger, Algérie. Il a obtenu son d ! piôme d'rn- génieur, Ecole Nationale Polytechnique dP.lger, Algérie, en 1997, le DEA de Génie Electrique de Paris, Université Pierre et Marie Cune (Paris VI) en 1998, et sa thèse de doctorat, Université Pans Sud XI (Orsay) en 2001. De 1998 à 2001, Il a été doctorant au Laboratoire d'Electricité Signaux et Robotique (LESiR désormais SATIE depuis 2002) de l'Ecole Normale Supérieure de Cachan. Actuellement, il occupe un poste de Maître de Conférences au L2ES à l'Université deTechnologie de Belfort Montbéliard (L2ES), Ses travaux actuels portent sur le dmensionnement, la modélisation et la commande des machines synchrones rotatives et linéaires. Mohamed Gabsi a obtenu sa thèse de doctorat en Génie Electrique en 1987 à l'Université Pans VI et son HDR en 1999 à l'Université Pans XI, Orsay. Depuis 1990, Il travaille avec l'équipe Conception d'actionneurs électriques au Laboratoire d'Electricité Signaux et Robotique (LESIR désormais SATIE depuis 2002) de l'Ecole Normale Supérieure de Cachan. Ses travaux portent sur les machines à réluctance variable, la réduction des vibrations et du bruit acoustique et les machines à aimants permanents, (e-mail : gabsi@satie.ens-cachan.fr) Emmanuel Hoang est né à Antibes, en 1966. Il a été lauréat de IAgrégation de Génie Electrique en 1990 et a obtenu sa thèse de doctorat à l'Ecole Normale Supérieure de Cachan, en 1995. Depuis 1990, il travaille avec l'équipe Conception d'actionneurs électriques au Laboratoire d'Electricité Signaux et Robotique (LESiR désormais SATIE depuis 2002) de l'Ecole Normale Supérieure de Cachan. Ses travaux ont porté sur la modélisation des pertes fer dans la machi- nes à réluctance variabje et dans la conception, la modélisation, l'optimisation et la commande des novelles topologies à aimants permanents. (e-ma ! i : hoang@satie.ens-cachan.fr) Michel Lécrivain est né à Barneville. Il a obtenu un diplôme d'ingé- nieur en Génie Electrique au Conservatoire National des Arts et Métiers (Paris) en 1981. Depuis 1997, il a rejoint le LESiR (SATIE), Ecole Normale Supérieure de Cachan, en tant qu'ingénieur de recherches. Ses travaux portent sur ! e dimensionnement et la com- mande des machines synchrones à double excitation et les nouvel- les structures à armants permanent pour les applications automo- biles. Il est auteur ou co-auteur de 30 publications et détient 8 bre- vets Européens et Internationaux dans le domaine des machines électriques, le-mail ecrivajnsatie.ens-cachan.fr) 1 REE M° ! û Novembre 2006