[PDF] Contribution à lamélioration des performances des actionneurs

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Thèse de Doctorat en Cotutelle

Mention : Sciences pour l'Ingénieur

Spécialité

: Génie électrique présentée à l'Ecole Doctorale en Sciences Technologie et Santé (ED 585) de et au Sciences de l'Ingénieur -Ayyad par

Mohamed DAHBI

Contribution à lAmélioration des Performances des

Actionneurs dans un Véhicule Electrique

Soutenue le 15 Juillet :

M. Moha Professeur, Université Cadi-Ayyad Maroc Président

M. Alex Van den Bossche, Professeur, Université de Gent Belgique Rapporteur

M. Mohamed CHERKAOUI, Professeur, Université Mohammed V-Maroc Examinateur M. Mohamed KHAFALLAH, Professeur, Université Hassan II-Maroc Examinateur M. Humberto HENAO, Professeur, Université de Picardie Jules Verne Examinateur

M. Said EL BEID, Professeur, Université Cadi-Ayyad - Maroc Examinateur

M. Ahmed RACHID, Professeur, Université de Picardie Jules Verne

Directeur de thèse

M. Said DOUBABI, Professeur, Université Cadi-Ayyad - Maroc Co-directeur

RESUME

Ce travail de thèse concerne ldu moteur à courant continu sans balais, dit moteur Brushless (BLDC), et ceux ce type de moteur (BLDC) pour sa propulsion. dédiées à la réduction des

problématiques concernant ce type de moteur et ainsi augmenter son efficacité pour aboutir à une

ffectué tout en tenant compte des différents paramètres entrant en considération lors d

Une plateforme expérimentale

ont été implanté

Les méthodes proposés traite l

pics de courant, et aussi le mode de contrôle adéquat pour une efficacité accrue.

Mots clés : Mobilité Electrique, Moteur Brushless, Force Contre Electromotrice Trapézoïdal,

Efficacité.

ABSTRACT

This thesis concerns the improvement of brushless DC motor performance, called Brushless motor (BLDC), and of an electric vehicle using this type of motor (BLDC) for its propulsion. The aim of this thesis is to provide new methods dedicated to the reduction of problems concerning this type of engine and thus increase its efficiency to achieve a lower electric vehicle energy consumption. This is done while taking into account the different parameters that come into consideration when rolling a vehicle, namely the resistive forces such as aerodynamic forces, rolling, slope, and acceleration. An experimental platform was thus implemented and on which the elaborated methods were implemented and proved after the analysis of the analytical and simulation results. These were developed on the MATLAB / Simulink environment. The proposed methods deal with problems related to current ripple, current peaks, and also the appropriate control mode for increased efficiency. Keywords: Electric Mobility, Brushless Motor, Trapezoidal Electromotive Force, Efficiency.

Remerciements

Les travaux présentés dans ce mémoire se sont déroulés au laboratoire des Systèmes Electriques

et T (UCA) Picardie Jules Verne au laboratoire des Technologie Innovantes à Amiens.

cadre du projet VERES " Vehicule Electrique et Recharge Electrique Solaire » financé par

lRecherche en Energie Solaire et Energies Nouvelles (IRESEN). je tiens à remercier tout particulièrement, non seulement par devoir mais aussi par grand respect et gratitude, mon directeur de thèse Pr. RACHID Ahmed, pour ses conseils, et sa confiance tout au long de ces années ; je remercie aussi Pr. DOUBABI Said, Co-encadrant de cette thèse pour sa disponibilité et son soutien pour le bon déroulement de ce travail. Je voudrais également associées mes remercîments aux membres de jury Pr. CHERKAOUI Mohamed, Pr. KHAFALLAH Mohamed, Pr. HUMBERTO Henao, Pr Alex Van den Bossche, Pr. EL BEID Said, Pr. DOUBABI Said, et Pr. RACHID Ahmed, juger ce travail. Ma très grande reconnaissance, ainsi que ma grande sympathie vont au Pr. Issam SALHI pour Je remercie aussi Pr. Achour ELHAMDAOUI pour les différents échanges que nous avons eu que ça soit sur le plan scientifique ou sur le plan humain. Que mes collègues Driss OULAD-ABBOU, Ahmed ZOUKIT et Noureddine

BOUISALMANE

et soutien qui ont contribué à rendre ce travail agréable.

Enfin, soutenu tout au long des années

de cette thèse. Ils ont été très patients, et ont cru en moi. Je dédie aussi ce

Sommaire

Résumé

Remerciments

Sommaire

Table des matières

Liste des figures

Liste des tableaux

Introduction Générale ...................................................................................................................... 1

Chapitre 1. Véhicule électrique et Moteur Brushless1

1.1. Introduction ....................................................................................................................................... 5

1.2. Historique du véhicule électrique.................................................................................................. 5

1.3. Performance du véhicule électrique ............................................................................................. 7

1.3.1. Force de résistance au roulement ............................................................................................ 7

1.3.2. Force de résistance aérodynamique ........................................................................................ 8

1.3.3. Force de résistance de la pente............................................................................................... 10

1.3.4. Force de résistance à l'accélération ....................................................................................... 10

1.3.5. Transmission à réducteur mécanique ................................................................................... 11

1.4. Moteurs électriques ........................................................................................................................ 12

1.4.1. Historique du moteur Brushless ............................................................................................... 13

1.4.2. Description du moteur BLDC ................................................................................................... 13

1.5. Moteurs BLDC et VEs ................................................................................................................... 15

1.6. Minimisation de l'ondulation de courant/couple de moteur BLDC ................................... 16

1.7. Conclusion ........................................................................................................................................ 18

Chapitre 2. Modélisation et stratégies de contrôle du moteur BLDC

2.1. Introduction .................................................................................................................................... 20

2.2. Description du fonctionnement du moteur Brushless ............................................................ 21

2.3. Equations magnétostatiques et modèle basé sur la méthode des éléments finis ............. 23

2.4. Modèle mathématique du moteur BLDC triphasé ................................................................. 29

2.4.1. Modèle électrique .................................................................................................................... 29

2.4.2. Modèle mécanique .................................................................................................................. 31

2.5. Contrôleur de moteur BLDC ....................................................................................................... 32

2.5.1. Structure en demi-pont ........................................................................................................... 32

2.5.2. Structure en pont complet ...................................................................................................... 33

2.5.3. Structure C-dump ................................................................................................................... 36

2.6. Modes de contrôle du moteur BLDC ......................................................................................... 37

2.7. Inconvénient du moteur BLDC : les ondulations de courant ............................................... 45

2.7.1. Sources d'ondulation de courant .......................................................................................... 45

2.7.2. Analyse analytique de l'ondulation de courant du moteur BLDC ..................................... 46

2.8. Etude par simulation ..................................................................................................................... 48

2.8.1. Bloc " Permanent Magnet Synchronous Motor » ................................................................ 49

2.8.2. Bloc générateur du signal PWM ............................................................................................ 50

2.8.3. Bloc MATLAB/Function ........................................................................................................ 51

2.9. Résultats de simulation .................................................................................................................. 53

2.9.1. Tests de validation des algorithmes .......................................................................................... 53

2.9.2. Réponse en termes de vitesse .................................................................................................... 53

........................................................................... 55

2.10. Conclusion ...................................................................................................................................... 57

Chapitre 3. Ba

3.1. Introduction ..................................................................................................................................... 59

3.2. Description de la plateforme ........................................................................................................ 60

3.3. Conception Hardware ................................................................................................................... 61

3.3.1. Interrupteur de puissance ...................................................................................................... 61

3.3.2. Contrôle de la conception en pont-complet .......................................................................... 64

3.3.2.1. Dimensionnement du condensateur Bootstrap....67

3.3.2.2. Dimensionnement de la diode Bootstrap68

3.3.2.3. Dimensionnement de la résistance de la grille ...68

3.3.3. Amélioration de la commutation ........................................................................................... 70

3.3.3.1. Diode parallèle au MOSFET.70

3.3.3.2. Circuit amorisseur "Snubber"...71

3.3.4. Acquisition des données .......................................................................................................... 72

3.3.4.1. Capteurs de courant .72

3.3.4.1.1. Capteurs de courant à effet Hall72

3.3.4.1.2. Détection de courant par résistance shunt3

3.3.4.2. Capteurs de tension...75

3.3.4.2.1. Capteur de tension LV 25-NP.5

3.3.4.2.2. Capteur de tension à base de diviseur de tension.76

3.4. Conception software ....................................................................................................................... 78

3.4.1. Programmation du signal PWM ............................................................................................ 78

3.4.2. Programmation du rapport cyclique ..................................................................................... 78

3.4.3. Lecture des signaux des capteurs à effet Hall ....................................................................... 79

3.5. Résultats expérimentaux ............................................................................................................... 82

3.6. Conclusion ........................................................................................................................................ 90

Chapitre 4. Al

des VEs

4.1. Introduction ..................................................................................................................................... 92

4.2. Contribution 1 : Méthode de minimisation des pics de courant pour moteur BLDC .... 92

4.2.1. -C ............................................................................ 93

4.2.1.1. ...............94

..94

4.2.2. Résultats de simulation et d'expérimentation de la méthode de minimisation des pics de

courant ..................................................................................................................................... 97

4.3. Contribution 2 : Stratégie de contrôle de moteur BLDC pour véhicule électrique ...... 105

4.3.1. Description de la stratégie de contrôle proposée ................................................................ 106

4.3.2. Résultats de simulation ......................................................................................................... 107

4.3.3. Résultats expérimentaux ...................................................................................................... 109

4.4. Contribution 3 : Méthode de minimisation de l'ondulation de courant pour moteur

BLDC triphasé .............................................................................................................................. 110

4.4.1. Description de la méthode .................................................................................................... 111

4.4.2. Matériaux et méthode ........................................................................................................... 112

4.4.3. Résultats ET Discussion ....................................................................................................... 114

4.5. Conclusion ...................................................................................................................................... 116

Chapitre 5. Triporteur solaire électrique

5.1. Introduction ................................................................................................................................... 117

5.2. Synoptique global du triporteur électrique solaire ............................................................... 118

5.3. Structure des panneaux solaires sur le triporteur ................................................................ 119

5.4. Performance du système de propulsion ................................................................................... 120

5.5. Description du système de recharge basé sur des panneaux solaires ............................... 123

5.5.1. Conversion photovoltaïque .................................................................................................. 123

5.5.2. Association de plusieurs cellules / panneaux ...................................................................... 124

5.5.3. Modèle de cellule solaire/panneau ....................................................................................... 125

5.5.4. Topologies de convertisseurs DC-DC et algorithmes MPP ............................................... 128

5.6. Résultats de simulation des performances du tricycle ......................................................... 132

5.6.1. Performances du triporteur avec et sans panneaux solaires ............................................. 132

5.6.2. Performances du triporteur pour différentes méthodes de charge .................................. 133

5.7. Implémentation pratique ............................................................................................................ 139

5.7.1. Conception Hardware .......................................................................................................... 139

5.7.2. Conception Software ............................................................................................................. 140

5.8. Réalisation du triporteur électrique solaire ........................................................................... 142

5.9. Conclusion ...................................................................................................................................... 144

Conclusion Générale ..................................................................................................................... 146

Bibliographie

Bibliographie du chapitre 1 .................................................................................................................... 149

Bibliographie du chapitre 2 .................................................................................................................... 153

Bibliographie du chapitre 3 .................................................................................................................... 155

Bibliographie du chapitre 4 .................................................................................................................... 156

Bibliographie du chapitre 5 .................................................................................................................... 156

Bibliographie Personnelle.........................158

Liste des Figures

Figure 1.1. Transmission mécanique dans les véhicules électriques : a) Un seul moteur avec boîte de vitesses ; (b) Un seul moteur avec réducteur de vitesse ; (c) Entraînement multimoteur avec réducteur ; (d) Entraînement multimoteur direct. Figure 1.2. Forces résistives sur un véhicule.

Figure 1.3. Impact de gonflage des pneus.

Figure 1.4. Exemples de valeurs de coefficient de traînée ܥ

Figure 1.5. Calcul de ܵ

Figure 1.6. Vitesse relative à l'air d'un véhicule roulant

Figure 1.7.

Exemples des types de moteurs Brushless : (a) Structure monophasée ; (b) Structure triphasée ; (c) Contrôleur monophasé, (d) Contrôleur triphasé, (e) Force contre-électromotrice sinusoïdale et trapézoïdale. Figure 2.1. Classifications des flux du moteur Brushless : (a) flux Radial ; (b) flux axial. Figure 2.2. Coupes transversales du moteur Brushless : (a) structure In-runner ; (b)

Structure out-runner.

Figure 2.3. Image de la structure du moteur BLDC étudié. Figure 2.4. (a) Conception du moteur BLDC étudié ; (b) Le maillage associé. Figure 2.5. Barre d'outils du logiciel FEMM pour le choix des matériaux.

Figure 2.6.

Distribution des lignes de champ : (a) sans graphique de densité ; (b) avec graphique de densité.

Figure 2.7.

du flux normale et les valeurs du couple électromagnétique. Figure 2.8. Modèle équivalent du moteur BLDC. Figure 2.9. Schéma en demi-pont triphasé pour la commande du moteur BLDC. Figure 2.10. Schéma de contrôle du moteur triphasé BLDC en pont complet. Figure 2.11. Courants de phase ; Forces CEM trapézoïdales ; et signaux des capteurs à effet

Hall en fonction du degré électrique.

Figure 2.12. Trois capteurs à effet Hall montés sur un stator de moteur BLDC. Figure 2.13. Structure C-dump pour le contrôle du moteur BLDC.

Figure 2.14.

Modes de contrôle du moteur BLDC : (a) H_PWM-L_ON, (b) H_ON- L_PWM, (c) Mode ON-PWM, (d) PWM-ON, (e) PWM-PWM, (f) lors de -DC.

Figure 2.15.

États des commutateurs et chemin de courant : (a) pendant la période ON du signal PWM ; (b) pendant la période off du signal PWM.

Figure 2.16.

États des commutateurs et chemin de courant lors de la commutation des période de commutation ; et (c) Après la période de commutation.

Figure 2.17.

États des commutateurs et chemin de courant lors de la commutation des de commutation ; et (c) Après la période de commutation. Figure 2.18. Formes d'onde de courant de phase non idéales.

Figure 2.19.

Trois cas de figure lors de la commutation : (a) Fonctionnement à grande vitesse ; (b) Fonctionnement à vitesse moyenne ; (c) Fonctionnement à basse vitesse. Figure 2.20. Schéma de contrôle du moteur BLDC dans le logiciel MATLAB. Figure 2.21. Captures d'écran de la configuration des paramètres du moteur BLDC. Figure 2.22. Principe de génération de signal PWM. Figure 2.23. Blocks de génération de signaux PWM.

Figure 2.24.

Organigramme pour le contrôle du moteur BLDC (Exemple de mode PWM-quotesdbs_dbs29.pdfusesText_35

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