Thèmes:
- Préface
- Onduleur
- Freinage récupératif
Préface:
Les moteurs électriques des véhicules à propulsion entièrement électrique ou hybride fonctionnent avec du courant alternatif (AC). L'énergie du moteur électrique ne provient pas directement de la batterie, car celle-ci fournit uniquement une tension continue (DC). La tension continue de la batterie est injectée dans le onduleur convertie en tension alternative pour le moteur électrique.
De plus, on trouve convertisseurs qui transforment une faible tension continue en une tension plus élevée (convertisseur élévateur). La tension de la batterie peut être « augmentée » pour le moteur électrique (650 volts), ou abaissée pour charger la batterie de bord (14 volts). Le convertisseur sert également à passer d'une haute tension à une basse tension, par exemple pour alimenter les accessoires intérieurs avec une tension de 12 ou 24 volts (véhicules particuliers ou utilitaires lourds). Cliquez ici pour la page sur le convertisseur.
L'image suivante représente une Tesla Model S : l'intérieur de l'onduleur et un aperçu de ce que l'on appelle « l'unité d'entraînement » où l'onduleur, la transmission et le moteur électrique sont situés dans une unité commune au niveau de la suspension arrière.
Onduleur:
L'image dans la section « Convertisseur Boost » montre la vue d'ensemble avec le convertisseur boost, l'onduleur avec douze IGBT et deux moteurs électriques (MG1 et MG2).
Les sept diagrammes du bas montrent le contrôle des transistors et la direction du courant vers et depuis les bobines du stator. Le convertisseur boost et les IGBT + MG2 sont omis pour plus de commodité. On le voit à gauche sur le schéma Pack batterie HT; il s'agit de la batterie haute tension dans laquelle est stockée une tension d'environ 200 à 800 volts. À droite de la batterie, nous voyons un condensateur. Lorsque le système HT est activé, le système de protection HT régule initialement un courant limité provenant du pack batterie HT au moyen d'une résistance. Ceci est effectué pour charger lentement le condensateur avant que le système HT ne devienne pleinement opérationnel.
De plus, nous voyons six transistors de haute puissance. Ce sont les IGBT qui contrôlent le moteur électrique. Les IGBT sont contrôlés par l'unité de contrôle ; ceci est indiqué comme « pilote IGBT ». A droite on voit le stator avec trois bobines (U, V et W) colorées en bleu et rouge. Au centre du stator se trouve le rotor qui est mis en mouvement par magnétisme, voir le paragraphe sur le moteur électrique.
Les transistors supérieurs (T1, T3 et T5) commutent les connexions positives de la batterie HT vers les bobines du stator lorsque les transistors sont activés par l'unité de commande. Les transistors du bas (T2, T4 et T6) conduisent les masses vers le négatif de la batterie haute tension.
Les connexions de grille des IGBT actuellement contrôlés sont affichées en vert. Avec un moteur synchrone, la centrale « lit » la position du moteur capteur de position du rotor pour déterminer quel IGBT il doit contrôler. Le capteur de position du rotor est également appelé résolveur appelé.
1. IGBT contrôlés :
- T1 : plus (contrôlé à 100 %) ;
- T2 : masse (entraînée à 50 %) ;
- T6 : masse (entraînée à 50 %).
2. IGBT contrôlés :
- T1 : plus (contrôlé à 50 %) ;
- T3 : plus (contrôlé à 50 %) ;
- T2 : masse (entraînée à 100 %).
Le rotor tourne sous l’effet du changement du champ magnétique.
3. IGBT contrôlés :
- T3 : plus (contrôlé à 100 %) ;
- T2 : masse (entraînée à 50 %) ;
- T4 : masse (entraînée à 50 %).
Le rotor tourne sous l’effet du changement du champ magnétique.
4. IGBT contrôlés :
- T3 : plus (contrôlé à 50 %) ;
- T5 : plus (contrôlé à 50 %) ;
- T4 : masse (entraînée à 100 %).
Le rotor tourne sous l’effet du changement du champ magnétique.
5. IGBT contrôlés :
- T5 : plus (contrôlé à 100 %) ;
- T4 : masse (entraînée à 50 %) ;
- T6 : masse (entraînée à 50 %).
Le rotor tourne sous l’effet du changement du champ magnétique.
6. Contrôlé IGBT:
- T1 : plus (contrôlé à 50 %) ;
- T5 : plus (contrôlé à 50 %) ;
- T6 : masse (entraînée à 100 %).
Le rotor tourne sous l’effet du changement du champ magnétique.
7. Contrôlé IGBT:
- T1 : plus (contrôlé à 100 %) ;
- T2 : masse (entraînée à 50 %) ;
- T6 : masse (entraînée à 50 %).
Le rotor a maintenant tourné de 360 degrés (1 tour complet) par rapport à la situation de la situation 1. Le cycle avec les circuits à transistors se répète à nouveau.
L'onduleur convertit la tension continue de la batterie HT en une tension alternative sinusoïdale monophasée. Les trois images ci-dessous montrent :
- A gauche : chargement de la bobine ;
- Au milieu : décharger la bobine ;
- À droite : courbe de charge et de décharge de la bobine.
Nous obtenons la charge et la décharge de la bobine en pilotant la base du transistor avec une tension carrée. Lorsque la bobine est déchargée, le champ magnétique diminue et la tension d'induction crée un courant d'induction de courte durée. La diode d'extinction assure la décharge de la bobine.
La forme sinusoïdale monophasée est obtenue en modifiant le rapport cyclique avec lequel le transistor devient conducteur. Le texte suivant concerne les images ci-dessous.
- A gauche : à cette fréquence la bobine ne peut pas charger suffisamment et une tension moyenne est créée ;
- À droite : le rapport cyclique est ajusté par le contrôleur IGBT. Le temps de charge et de décharge détermine la quantité de courant traversant la bobine.
Les IGBT de l'onduleur sont allumés et éteints en permanence. Le rapport entre l'allumage et l'extinction s'effectue selon une commande PWM. Plus les impulsions sont larges (cycle de service plus élevé), plus le courant qui circule dans la bobine est important et donc plus le moteur électrique est puissant. Le courant moyen est indiqué par l'onde sinusoïdale noire. La figure suivante montre trois signaux de commande sinusoïdaux :
- Bleu : contrôle élevé. Le cycle de service est élevé. Le courant devient maximum.
- Vert : contrôle moyen. Le pourcentage du rapport cyclique est inférieur à celui d'un contrôle élevé. Le courant est donc plus faible.
- Rouge : faible contrôle. Une fois de plus, le pourcentage du cycle de service a diminué. L'intensité du courant a été réduite de moitié par rapport au contrôle maximum.
L’onde sinusoïdale est positive pendant une demi-période et négative pendant l’autre moitié. Les IGBT de l'onduleur DC-AC sont connectés de telle manière qu'une tension continue (DC) est convertie en tension alternative (AC). Le sens du courant traversant les bobines du stator est périodiquement inversé.
l'augmentation du nombre de sinusoïdes par unité de temps augmente la vitesse du rotor.
L'animation suivante montre le contrôle de l'onduleur. Sous l'onduleur, vous pouvez voir l'évolution temporelle de trois phases. Le rotor effectue deux tours complets (360 degrés) dans l'animation. Chaque rotation est divisée en six unités de temps (1 à 6). Ci-dessous, vous verrez des barres colorées :
- Bleu foncé : T1
- Vert : T2
- Bleu clair : T3
- Orange : T4
- Rose : T5
- Rouge : T6
Nous nous concentrons sur la première demi-révolution du passage du temps :
- De 0 à 180 degrés, le rotor fait un demi-tour. L'IGBT T1 a été contrôlé pendant cette période.
- Entre 0 et 60 degrés, outre T1, T5 et T6 étaient également actifs.
- T1 commute les masses plus, T5 et T6. Chaque transistor avait son propre rapport cyclique, variant entre 50 et 100 %.
- A 60 degrés, T2 prend le relais de T5 : le sens du courant dans la bobine est inversé.
- A ce moment-là, il y a une tension alternative : comme le sens du courant a changé, l’intensité du courant est négative.
Pour contrôler les bobines correctes du moteur électrique synchrone AC avec l'onduleur, celui-ci examine le signal du résolveur. Le résolveur enregistre la position du rotor aussi bien à l'arrêt qu'en rotation.
Freinage récupératif:
Lors du freinage du moteur, le moteur électrique est utilisé comme générateur (dynamo). L'énergie cinétique du véhicule est convertie en énergie électrique : la batterie est chargée.
Les IGBT sont désactivés lors du freinage récupératif : le conducteur ne les contrôle pas. Les diodes de redressement entre la source et le drain des IGBT fonctionnent comme un redresseur pour convertir la tension alternative du moteur en tension continue pour la batterie.
Les véhicules entièrement électriques et hybrides disposent, outre l'option de freinage électrique, d'un système de freinage hydraulique conventionnel pour freiner avec les plaquettes et les disques de frein. Les différentes techniques et principes de contrôle sont à retrouver sur la page : freinage des véhicules électriques.
