Méthodes de caractérisation et modélisation pour l’électronique de puissance 

Hybridation du groupe motopropulseur

Dans le domaine automobile, les niveaux d’émissions de gaz à effet de serre sont de plus en plus sévères . Une des solutions pouvant être mise en œuvre est d’hybrider le MCI avec une source d’énergie électrique. Des systèmes hautes tensions peuvent être mis en place mais leur intégration remet en cause une grande partie de la conception du véhicule notamment pour respecter les contraintes de sécurité. Des solutions basses tensions, < 60V, sont donc développée .

Architectures hybrides en basse tension

Les solutions d’hybridation basses tensions utilisent une tension inférieure à 60V, la valeur choisie est typiquement 48V. Ces systèmes peuvent être intégrés aux véhicules de la manière suivante : Système P0 : connexion par courroie au MCI;
Système P1 : intégration sur l’axe du vilebrequin du MCI;
Système P2 : intégration entre la boite de vitesse et l’embrayage;
Système P3 : connexion dans la boîte de vitesse;
Système P4 : intégration au train arrière ou à chaque roue;
Pour les systèmes P2 à P4, le véhicule peut fonctionner en mode zéro-émission avec une déconnexion du MCI via l’embrayage, cela permet d’accroître la réduction des émissions de gaz à effet de serre. Cependant, intégrer ces systèmes dans le train de propulsion est couteux car cela nécessite de modifier la conception mécanique du véhicule. Nous nous intéressons aux systèmes de type P0 qui remplacent directement l’alternateur.

Alterno-démarreur

L’alterno-démarreur ou Belt Starter Generator (BSG) est un système de type P0. Il est particulièrement intéressant car il ne nécessite pas de modification du train de propulsion. La réduction d’émissions polluantes est possible grâce aux fonctions suivantes :
la récupération d’énergie au freinage réalisée lors des phases de décélération afin de stocker l’énergie sous forme électrique dans la batterie;
la fonction start and stop permettant l’arrêt du MCI lorsque le véhicule est à l’arrêt ou en roue libre; l’assistance de couple réalisée afin d’accompagner le MCI lors des fortes sollicitations; C’est avec ces objectifs qu’ont été développées les gammes de produits integrated Starter Alternator Reversible System (iStARS) et integrated Belt Starter Generator (i-BSG) de Valeo. Les produits iStARS sont la première génération de systèmes réversibles. Les fonctions start and stop et récupération d’énergie durant les phases de décélération peuvent être réalisées.
L’iStARS est un système 12V dont l’électronique de puissance est composée d’un onduleur réversible avec des composants MOSFET. La première version, est lancée en 2004. L’électronique de puissance est d’abord localisée dans un boitier externe afin d’assurer le respect des contraintes thermiques. Puis à partir de 2010, l’électronique est intégrée dans la machine comme pour les alternateurs classiques.
Les systèmes i-BSG permettent d’augmenter la puissance électrique disponible jusqu’à 10kW . Ces machines sont toujours installées sur la courroie accessoire du véhicule mais elles nécessitent un réseau 48V en complément du réseau 12V existant. Le réseau 48V est alimenté par une batterie afin de stabiliser la tension et la connexion vers le réseau 12V est réalisée par un convertisseur DC/DC. L’ensemble de ces convertisseurs sont sources de PEM qu’il est nécessaire de maîtriser.

Notions de compatibilité électromagnétique

La CEM est une science récente née au XIXe siècle suite à l’apparition des télécommunications . En effet le transport d’informations peut être parasité par l’environnement électromagnétique. Pour ces raisons, des institutions telles que le Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) ont été créées afin de fixer un cadre normatif à l’utilisation des télécommunications. De plus, afin de satisfaire les exigences normatives, les produits électriques et électroniques sont soumis à la directive 2014/30/UE qui définit la CEM de la manière suivante  : “L’aptitude d’équipements à fonctionner dans leur environnement électromagnétique de façon satisfaisante sans produire eux-mêmes de perturbations électromagnétiques intolérables pour d’autres équipements dans cet environnement.”
Les deux aspects nécessaires à la compatibilité électromagnétique sont abordés dans cette définition : l’immunité qui représente l’aptitude d’un système à fonctionner correctement en présence de perturbations électromagnétiques;
l’émission qui correspond au niveau de perturbations produit par un système en fonctionnement. La CEM est assurée lorsque le seuil d’immunité de l’élément sensible est supérieur au niveau d’émissions généré par l’élément perturbateur. Cela peut intervenir sur une certaine bande de fréquences, correspondant par exemple à un canal utilisé pour les télécommunications. Les systèmes électriques sont de plus en plus intégrés, les éléments perturbateurs et sensibles sont parfois regroupés sur la même carte électronique ce qui peut engendrer une auto-perturbation du système. Dans le cas d’une chaîne de conversion, il est nécessaire de s’assurer que l’électronique de puissance ne perturbe pas l’électronique de commande, les capteurs ou le réseau de communication.
Pour appréhender un problème de CEM, les ouvrages s’appuient sur une décomposition en trois éléments. En effet, les PEM sont générées par une source et se transmettent à la victime, l’élément sensible, par un couplage.
Nous pourrons alors agir sur ces trois entités pour résoudre un problème de CEM : limiter les perturbations générées par la source; réduire le couplage entre la source et la victime; augmenter le seuil d’immunité de la victime.

Quantification des niveaux d’émissions

Initialement, La directive européenne indique le cadre à suivre vis-à-vis des exigences de CEM, afin d’assurer la Conformité Européenne (CE). Cependant, l’ingénieur ne peut pas utiliser cette directive pour la conception de son système. En effet aucune procédure de mesure ni limite de PEM n’y est spécifiée.
Par la suite, des normes ont été développées afin d’établir des quantifications précises permettant d’assurer le respect des objectifs de compatibilité fixés par la directive.
Ces normes sont publiées par différents organismes. Dans la section suivante, nous nous intéresserons particulièrement à deux normes CISPR qui définissent le fonctionnement des instruments, les méthodes de mesures ainsi que les limites de perturbations. Nous détaillerons également quelques spécificités de la mesure de PEM.

Cadre normatif

Le CISPR propose des normes permettant de protéger les télécommunications des PEM dans plusieurs domaines dont l’automobile. Deux normes CISPR sont particulièrement adaptées à notre étude :
CISPR16 : Spécification des méthodes et des appareils de mesure des perturbations radioélectriques et de l’immunité aux perturbations radioélectriques;
CISPR25 : Véhicules, bateaux et moteurs à combustion interne – Caractéristiques des perturbations radioélectriques – Limites et méthodes de mesure pour la protection des récepteurs embarqués.
La CISPR16 est une norme générique qui donne l’ensemble des informations nécessaires pour l’utilisation des appareils de mesure et leurs spécifications. Nous l’utiliserons comme référence lorsque nous modéliserons l’ensemble de la chaîne d’acquisition notamment l’appareil de mesure. D’autre part, l’objectif de la CISPR25 est de fournir les limites pour les perturbations conduites et rayonnées ainsi que le paramétrage des appareils de mesure. Ces limites ne sont pas définies sur l’ensemble des fréquences, seules les bandes allouées aux télécommunications sont sujettes à limitation comme par exemple la radio-navigation maritime ou aéronautique de 150kHz à 300kHz .

Méthodes de mesure des perturbations électromagnétiques

La mesure des PEM peut avoir deux types d’usage :
les essais normatifs pour lesquels il est nécessaire de suivre les spécifications de la CISPR25; les mesures pour investigation permettant d’étudier la CEM durant les phases de développement.
Dans le premier cas, les mesures sont réalisées afin de prouver que l’équipement satisfait les limites fixées par la norme.

Méthodes de modélisation numériques

La modélisation des connexions électriques permet de simuler le comportement électrique haute fréquence d’un système d’électronique de puissance. En effet, c’est l’ensemble des connexions autour des composants actifs qui influe directement sur les surtensions, les oscillations ainsi le contenu en haute fréquence des signaux qui se propagent.
Des logiciels, tels que CST Studio et EMPro 3D, permettent de réaliser une modélisation 3D complète d’une structure mécatronique comme nous en utilisons en électronique de puissance. Ces logiciels utilisent généralement la FEM (Finite Element Method) afin de résoudre les équations de Maxwell et nécessitent d’avoir un modèle mécanique 3D du système. Cependant, nous proposons de développer des outils de modélisation simples qui s’intègrent dans une démarche de conception. Il est donc préférable d’utiliser des outils plus simples qui permettent de définir un modèle à partir d’informations plus réduites.
La suite de logiciels FastFieldSolver est mieux adaptée à cette démarche . Elle est composée de logiciels permettant l’extraction des couplages capacitifs ou inductifs en utilisant la méthode PEEC (Partial Element Equivalent Circuit). Le logiciel FastHenry permet d’extraire un modèle de type RLM, composé de la résistance, des inductances propres et mutuelles entre les conducteurs. Pour cela, la géométrie est constituée de segments, dont nous définissons les coordonnées spatiales ainsi que les propriétés telles que l’épaisseur, la largeur et la conductivité. Un ensemble de segments peut être maillé afin de créer un plan de la forme souhaitée.

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Table des matières

Introduction générale 
1 Contexte et état de l’art 
1.1 Contexte du domaine automobile 
1.1.1 Systèmes embarqués dans les véhicules
1.1.2 Hybridation du groupe motopropulseur
1.2 Notions de compatibilité électromagnétique 
1.2.1 Origines des perturbations électromagnétiques
1.2.2 Chemins de propagation
1.2.3 Perturbations électromagnétiques dans l’automobile
1.3 Quantification des niveaux d’émissions 
1.3.1 Cadre normatif
1.3.2 Méthodes de mesure des perturbations électromagnétiques
1.4 Modélisation du comportement électromagnétique
1.4.1 Méthode de caractérisation des composants
1.4.2 Modèles des composants électriques
1.4.3 Modèles des connexions électriques
1.4.4 Modélisation par sources équivalentes des systèmes d’électronique de puissance
1.5 Conclusion et positionnement des travaux
2 Méthodes de caractérisation et modélisation pour l’électronique de puissance 
2.1 Méthode des pinces de courant 
2.1.1 Principe de fonctionnement
2.1.2 Amélioration du processus de calibration
2.1.3 Validation expérimentale
2.2 Modélisation de type circuit électrique 
2.2.1 Stratégie d’établissement du modèle circuit
2.2.2 Ajustement des paramètres du modèle
2.2.3 Validation de la méthode
2.3 Modèle des inductances parasites dans les connexions 
2.3.1 Modélisation des couplages inductifs
2.3.2 Validation de la méthode
2.3.3 Comparaison avec le logiciel ADS
2.4 Caractérisation et modélisation des composants actifs 
2.4.1 Caractérisation de la capacité de jonction d’une diode
2.4.2 Caractérisation d’un transistor dans un module de puissance
2.5 Conclusion 
3 Modélisation des émissions conduites d’un alternateur 
3.1 Modélisation d’un alternateur automobile
3.1.1 Constitution du système d’alimentation automobile
3.1.2 Validation expérimentale
3.2 Modélisation du processus d’acquisition des signaux 
3.2.1 Transformée de Fourier à Court-Terme
3.2.2 Fenêtrage du signal
3.2.3 Modes de détection
3.3 Validation expérimentale du modèle de récepteur de mesure 
3.3.1 Spectres de signaux usuels
3.3.2 Mesure d’émissions conduites en courant d’une chaîne de conversion
3.4 Application au modèle de l’alternateur pour évaluer le niveau des émissions conduites en tension 
3.5 Conclusion 
4 Méthode de modélisation fréquentielle 
4.1 Méthode de modélisation par sources équivalentes à topologies multiples
4.1.1 Problématique liée à la représentation par sources équivalentes
4.1.2 Construction des topologies
4.1.3 Processus d’association des topologies
4.2 Contribution à la représentation d’une cellule de commutation 
4.2.1 Topologies pour la représentation des commutations
4.2.2 Modèle des signaux de perturbations
4.2.3 Organisation globale des simulations fréquentielles
4.2.4 Application à un convertisseur Buck
4.3 Application aux convertisseurs de type onduleur 
4.3.1 Développement de la méthode de modélisation
4.3.2 Application à un bras d’onduleur
4.3.3 Validation expérimentale
4.4 Conclusion 
Conclusion générale et perspectives 
Bibliographie

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