Projet ANR-12-JS09-0002 – COPTON : Commande OPTimale d’ONduleur en environnement embarqué
Programme : JCJC - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédes et Energie (JCJC SIMI 9)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Nicolas PATIN (Laboratoire d'Electromécanique de Compiègne)
Partenaires : Laboratoire d'Électromécanique de Compiègne
Montant : 148304.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 48 mois
Résumé : COPTON – Commande OPTimale d’ONduleur en environnement embarquéLes condensateurs électrolytiques sont des composants clés pour le découplage d'onduleur de véhicule électrique. Ils sont néanmoins volumineux, fragiles et coûteux.La minimisation du courant efficace qui les traverse est nécessaire pour réduire leur volume et/ou augmenter leur durée de vie. Toutefois, dans le contexte d'une utilisation en régime variable (cycles urbains), leur vieillissement est mal connu et mérite d'être analysé et modélisé pour proposer des commandes optimales de l'onduleur.
Analyse de vieillissement et modélisation des condensateurs, monitoring temps réel et commande optimale d'onduleurDes études précédentes ont permis de développer des stratégies (relativement simples d’un point de vue algorithmique) minimisant les courants circulant dans ces condensateurs mais il n’est pas prouvé que cette solution soit optimale du point de vue de leur vieillissement et de l’amélioration de leur durée de vie. Dans cette optique, on peut proposer des stratégies permettant d’imposer un stress constant en régime de fonctionnement variable de l’onduleur et ainsi maintenir une température quasi constante des composants réduisant par ce biais leur fatigue. Une stratégie de commande prédictive est en cela une bonne candidate pour atteindre cet objectif mais au prix d’une augmentation de la difficulté d’implantation en temps réel rendant nécessaire la mise en œuvre de cibles différentes de celles couramment utilisées (DSP) pour la commande d’onduleurs. Les FPGA semblent être particulièrement adaptés à la résolution de ce problème de par leur capacité à traiter un algorithme hautement parallélisable comme peut l’être celui d’une commande prédictive. Le challenge de cette étude portera d’une part sur la conception d’une architecture de commande exploitant de manière raisonnée les ressources du FPGA (compromis entre nombre de ressources consommées et temps de calcul) et d’autre part sur la mise en œuvre d’une identification efficace en temps réel des paramètres du système (tout particulièrement ceux du bus continu), indispensable à la mise en œuvre d’une commande prédictive performante.
Vieillissement, Impédancemétrie et Modélisation pour le monitoring et la commandeLe vieillissement des condensateurs est analysé dans un environnement contrôlé tant électriquement que thermiquement. Pour cela, on utilise des hacheurs qui sont utilisés soit à régime de fonctionnement constant soit à régime variable et chaque hacheur est équipé d'un condensateur ainsi stressé par un courant efficace contrôlé. Chaque condensateur est instrumenté pour mesurer sa température de surface et l'ensemble est placé dans une étuve dont la température interne est maintenue constante à 70°C.A intervalles de temps réguliers, le dispositif est arrêté pour procéder à une impédancemétre des condensateurs et ainsi observer l'évolution de l'impédance en fonction du temps d'utilisation (et ceci pour différentes températures d'analyse : 25, 60 et 80°C).Sur cette base expérimentale, nous avons comparé différents modèles proposés dans la littérature.Nous pouvons alors exploiter cette modélisation et l'adapter pour la rendre exploitable dans un calculateur en temps réel afin d'effectuer un monitoring des condensateurs à l'intérieur d'un onduleur pour pouvoir effectuer un autodiagnostic et détecter éventuellement une panne imminente.De manière plus intéressante, nous pourrons déduire de l'état estimé du condensateur la stratégie de pilotage de l'onduleur la plus adaptée à la maximisation de sa durée de vie (i.e. minimisation du vieillissement).
Résumé de la soumission : Le projet proposé vise à élaborer des stratégies de pilotage optimales pour les onduleurs dédiés à l’alimentation de machines électriques en environnement embarqué. Dans ce contexte général, nous nous focalisons essentiellement sur le stress généré par l’onduleur sur les condensateurs de découplage situés sur le bus continu. Ceci est un aspect crucial du problème de dimensionnement global du convertisseur car ces composants constituent une part importante du volume du système notamment pour les applications à basse tension et forts courants et sont par ailleurs des éléments fragiles et coûteux.Des études précédentes ont permis de développer des stratégies (relativement simples d’un point de vue algorithmique) minimisant les courants circulant dans ces condensateurs mais il n’est pas prouvé que cette solution soit optimale du point de vue de leur vieillissement et de l’amélioration de leur durée de vie. Dans cette optique, on peut proposer des stratégies permettant d’imposer un stress constant en régime de fonctionnement variable de l’onduleur et ainsi maintenir une température quasi constante des composants réduisant par ce biais leur fatigue. Une stratégie de commande prédictive est en cela une bonne candidate pour atteindre cet objectif mais au prix d’une augmentation de la difficulté d’implantation en temps réel rendant nécessaire la mise en œuvre de cibles différentes de celles couramment utilisées (DSP) pour la commande d’onduleurs. Les FPGA semblent être particulièrement adaptés à la résolution de ce problème de par leur capacité à traiter un algorithme hautement parallélisable comme peut l’être celui d’une commande prédictive. Le challenge de cette étude portera d’une part sur la conception d’une architecture de commande exploitant de manière raisonnée les ressources du FPGA (compromis entre nombre de ressources consommées et temps de calcul) et d’autre part sur la mise en œuvre d’une identification efficace en temps réel des paramètres du système (tout particulièrement ceux du bus continu), indispensable à la mise en œuvre d’une commande prédictive performante.
Résultats : De tous les modèles de condensateurs étudiés, avons retenu un modèle qui est en fait dérivé de ceux utilisés classiquement dans les batteries qui correspond mieux au comportement réel des composants que nous utilisons. En effet, les circuits équivalents couramment retenus pour la modélisation des condensateurs électrolytiques s'écartent assez nettement à certaines fréquences du comportement mesuré.
Le modèle retenu introduit un phénomène de diffusion (modèle d'ordre non entier) qui peut être expliqué par la gravure de l'anode des condensateurs, qui permet d'augmenter leur surface effective mais qui n'est probablement efficace à toutes les fréquences.
Perspectives : Sur la base des modélisations effectuées, nous allons implanter dans un calculateur en temps réel un modèle de condensateur suffisamment fidèle au comportement des composants réels mais néanmoins suffisamment simple pour ne pas consommer trop de ressources dans cet organe de contrôle qui sera ensuite utilisé pour élaborer une commande optimale de l'onduleur.
Il s'agira en effet de partager un FPGA entre un estimateur de l'état du condensateur et un contrôleur MLI sophistiqué qui s'appuiera sur les informations de l'estimateur pour élaborer une stratégie dont l'objectif est principalement de minimiser le vieillissement des condensateurs.
Publications et brevets : 1.	A Methodology for Studying Aluminium Electrolytic Capacitors Wear-out in Automotive Cases, R. Cousseau, N. Patin, E. Monmasson, L. Idkhajine, Conférence EPE’2013, Lille, France, Sept. 2013.
2.	Advanced Electric Model of Aluminum Electrolytic Capacitor with Diffusive Element, R. Cousseau, N. Patin, E. Monmasson, L. Idkhajine, Conférence Electrimacs’2014, Valence, Espagne, Mai 2014.
3.	Une méthodologie pour l'étude de l'usure des condensateurs aluminium électrolytiques dans un véhicules urbain, R. Cousseau, Conférence JCGE’2013, Saint-Nazaire, 5-6 juin 2013 
4.	Modélisation électrique et thermique des condensateurs électrolytiques en vue de l’analyse de leur vieillissement dans un contexte de traction électrique, N. Patin, R. Cousseau, E. Monmasson, L. Idkhajine, C. Forgez, Conférence SGE’2014, 8-9 juillet 2014