Une approche de conception modulaire pour des onduleurs basse tension à coûts optimisés

Les systèmes de micromobilité, tels que les vélos électriques, les scooters, les skateboards et les autorickshaws à trois roues, renferment en général des onduleurs basse tension. Ils nécessitent habituellement un niveau de puissance modéré, entre 200 W et 2 kW.

Parmi les autres applications d’onduleurs BT figurent les outils électriques sans fil, les outils de jardinage portatifs, les tondeuses à gazon, les appareils électroménagers, auxiliaires automobiles, etc. Les exigences d’un onduleur dépendent clairement de l’application prévue. Cependant, la réduction des coûts est souvent la priorité pour les onduleurs basse tension et basse puissance.

Cela a un effet sur d’autres exigences et la solution de conception globale. Pour répondre à des contraintes de coûts élevées, les onduleurs basés sur des systèmes basse tension adoptent souvent des moteurs CC sans balais (BLDC) commandés par un mécanisme de commutation en six étapes (appelé aussi commande trapézoïdale), que nous allons examiner ci-après.

Parmi les différentes applications d’onduleur basse tension explorées, nous avons sélectionné la micromobilité comme étude de cas cardinale pour une conception d’onduleur modulaire, car cette application exige une fiabilité, une sécurité et des performances plus élevées que d’autres applications typiques, telles que les appareils ménagers. Constituant en outre une alternative pratique et abordable à la conduite automobile, la micromobilité électrique contribue à réduire le nombre de voitures sur la route, ce qui diminue à la fois le trafic et la pollution.

Un autre avantage de la micromobilité électrique est son accessibilité générale. Ces véhicules sont petits et légers, intrinsèquement plus abordables et faciles à utiliser et à ranger. Ils peuvent être aisément utilisés avec les transports en commun et stockés dans un petit appartement ou bureau. C’est donc une option intéressante pour les trajets domicile-travail, très efficace et plus durable que d’autres moyens. La micromobilité est une solution attrayante pour les personnes qui n’ont pas accès à une voiture ou vivent dans des zones où le stationnement est limité. Contrairement aux voitures hybrides ou électriques à batterie, qui nécessitent des infrastructures de recharge coûteuses, les systèmes de micromobilité électriques peuvent être rechargés avec l’infrastructure existante à l’aide d’une prise de courant standard. Ils ont un coût global bien plus bas tout simplement en raison de leur taille physique et de leurs matériaux. Leurs frais d’exploitation représentent une fraction du coût généré par la conduite d’une voiture.

Conception d’un onduleur pour la micromobilité

Nous avons adopté une approche d’ingénierie système basée sur des modèles pour améliorer les performances globales et réduire le besoin de solutions sur mesure, propres à l’application. Cette approche s’est appuyée sur des méthodes et des processus d’ingénierie système classiques ainsi que sur une conception et une analyse avancées basées sur des modèles pour mieux guider et optimiser la solution de conception. L’objectif était de parvenir à une solution de conception orientée objet théoriquement utilisable dans de nombreuses applications, comme décrit précédemment.

La Figure 1 présente un résumé des méthodes d’ingénierie système adoptées pour compléter le workflow de conception électronique standard.

Figure 1. Résumé des méthodes d’ingénierie système adoptées pour compléter le workflow de conception électronique.

La modularité requise a été formalisée par le plan de définition des exigences, qui a intrinsèquement fourni des pistes de conception solides à la fois au niveau de l’architecture et du choix de la technologie et des composants de niveau inférieur. La validation des exigences s’est appuyée sur plusieurs itérations, en tenant compte d’une part de la fonctionnalité exigée et de la technologie disponible pour fournir les performances souhaitées et en explorant d’autre part des solutions système conceptuelles pour mieux définir les limites du système.

La modularité de la conception a été obtenue en subdivisant l’onduleur en différents blocs fonctionnels, directement influencés par les résultats de la modélisation fonctionnelle et de l’analyse N2, comme illustré sur la Figure 2. Celle-ci montre les interfaces limites du système et les principales interconnexions des blocs fonctionnels.

Les exigences essentielles du système d’onduleur sont présentées dans le Tableau 1. En outre, l’onduleur a été conçu sur la base d’un enroulement de moteur triphasé et d’un étage de puissance refroidi passivement, ce qui est courant dans les applications de micromobilité, où la chaleur à dissiper est relativement faible et où le coût et la complexité du système doivent être limités autant que possible.

Figure 2. Schéma limite (simplifié) du système d’onduleur avec interfaces fonctionnelles et principaux blocs fonctionnels définis.

Les exigences pour les différents blocs fonctionnels ont ensuite été extraites et décomposées à partir des exigences au niveau du système. Le schéma fonctionnel de haut niveau, présenté à la Figure 2, peut être utilisé pour tout onduleur basse tension et basse puissance, à condition que les fonctions et les exigences des différents blocs soient dérivées minutieusement, en tenant compte de l’application.

Développement de code et optimisation de la conception grâce à une analyse détaillée

 Différentes simulations de modélisation et d’analyse ont été effectuées pour la conception de l’onduleur afin d’aider à valider les exigences, à étudier en profondeur les performances de la solution prévue et les performances des composants clés, et afin de vérifier la conformité de la solution avec les exigences avant le début de la fabrication.

Plusieurs simulations ont été réalisées à l’aide de la suite logicielle complète d’Hexagon MI, dont les détails seront décrits dans une série de publications supplémentaires. Le Tableau 2 résume l’analyse réalisée et les principales raisons associées.

Outil d’analyse de simulation et description	Instantané d’outil de simulation
Elements : Modélisation système 1D de commande de moteur BLDC basée sur Modelica, avec mise en œuvre de la commutation en six étapes et de l’algorithme de commande de moteur trapézoïdale et vérification « model-in-the-loop » (MIL).
PICLS : Analyse thermique 2D rapide permettant d’évaluer en peu de temps différentes configurations de composants pour obtenir une répartition optimale de la chaleur sur la carte à circuits imprimés (PCB).
Cradle :   Analyse CFD 3D de haute fidélité où la répartition de la température sur la PCB conçue peut être prédite avec précision pour la méthode de refroidissement adoptée (en l’occurrence un refroidissement passif).
Cradle/scSTREAM et Nastran : Analyse thermostructurelle combinée où la simulation thermique effectuée avec scSTREAM guide la simulation structurelle dans Nastran pour évaluer la stabilité du joint de soudage lorsqu’il est soumis à des cycles de puissance.
CAE Fatigue : Analyse de la défaillance par fatigue à long terme et de la durabilité, dans laquelle la fréquence et le chargement basé sur le temps ont été appliqués pour évaluer la fiabilité et la durée de vie attendues du produit onduleur et pour prédire (et valider) le mode de défaillance de la cause profonde potentielle.
Marc : Marc : Simulations non linéaires et multiphysiques où le couplage entre les pertes joules causées par le courant électrique, la dissipation de puissance thermique et les contraintes mécaniques induites par des coefficients de dilatation thermique inégaux entre différents matériaux peut être évalué et utilisé pour mieux comprendre et optimiser la fiabilité de l’onduleur et améliorer la durée de vie.

Tableau 2. Résumé de la réalisation de la conception et de l’analyse basées sur des modèles.

Electronic Design Automation (EDA)

Le logiciel EDA a réalisé la capture schématique et la configuration finale de la carte à circuits imprimés. La Figure 3 montre un résumé de haut niveau de la capture schématique de la conception d’onduleur proposée, alignée sur l’architecture logique susmentionnée, où les schémas des blocs fonctionnels ont été organisés en sous-systèmes spécifiques gérés par le logiciel EDA.

Figure 3. Résumé d’EDA montrant la capture schématique des éléments architecturaux de l’onduleur.

La Figure 4 montre la configuration finale de la carte à circuits imprimés, où les zones remplies de cuivre sont masquées pour mieux montrer les composants et le routage. Cette illustration est soutenue par la vue 3D de l’unité PCB finale et remplie, utilisée pour les simulations multiphysiques susmentionnées.

Figure 4. Conception finale de l’onduleur : (a) Configuration de la PCB et (b) Vue 3D de l’unité PCB remplie.

Prototypage rapide et essais de l’onduleur

Des tests Hardware-in-Loop (HIL) ont été réalisés sur un prototype rapide pour vérifier la conception proposée par rapport à ses exigences et valider le modèle développé. Ensuite, un jumeau numérique inhérent à la solution d’onduleur a été formulé.

L’unité PCB prototype a été réalisée dans les installations Applied Solutions Group d’Hexagon. La Figure 5 montre un instantané de l’unité PCB locale, avec différentes techniques de soudage au four et d’inspection manuelles, avec placement et automatisées.

L’algorithme de commande du moteur a été développé à l’appui d’une conception et d’une analyse basées sur des modèles, avec l’outil de simulation 1D Elements basé sur Modelica (voir Tableau 2), puis converti en code source pris en charge par Code Composer Studio (CCS), Texas Instruments IDE et flashé sur le microcontrôleur cible. L’onduleur a ensuite été testé localement dans les installations d’Applied Solutions Group avec un moteur CC sans balais en vente libre, comme illustré à la Figure 5 (b), soutenu par un simple dispositif de rotation et de charge.

 

Figure 5. (a) Processus d’assemblage du prototype rapide de la PCB et (b) Configuration de la mise en service initiale et des tests de calibrage.

Résumé et conclusions

L’approche de conception proposée, étayée par l’ingénierie système et optimisée grâce à une conception basée sur des modèles, a permis d’obtenir un onduleur basse tension évolutif, à coûts optimisés et adapté aux exigences de fiabilité et d’intégrité de l’application de micromobilité électrique. Grâce à l’approche modulaire, la conception peut être facilement ajustée aux exigences de différentes applications en modifiant les blocs logiques individuels qui constituent l’onduleur, mais sans devoir modifier l’architecture ou leurs interfaces. Il peut, par exemple, s’agir d’applications à puissance plus élevée ou plus faible ou d’applications alternatives telles qu’un dispositif de commande automobile, un instrument électrique commercial ou un appareil électroménager.

Le prototype d’onduleur fabriqué répondait à toutes les exigences de conception initiales, et cela a été possible grâce à l’analyse de simulation multiphysique approfondie qui avait été effectuée pour obtenir une bonne solution du premier coup, avec une analyse des performances thermiques, des chocs, des vibrations et de la durabilité visant à garantir que l’onduleur pouvait atteindre les objectifs de fiabilité et de durée de vie. La description détaillée des workflows de simulation mis en œuvre avec la suite logicielle Hexagon MI et les résultats seront présentés dans une série de publications supplémentaires en temps utile.