Les enjeux du concept CTAF : Chaîne de Traction à Alimentation Fractionnée

Abstract

Cet article présente le concept CTAF - Chaîne de Traction à Alimentation Fractionnée. Ce concept s'articule autour des machines polyphasées, dont les enroulements des phases sont fractionnés en sous-enroulements. Chaque sous-enroulement est alimenté par un convertisseur d'électronique de puissance basse tension indépendant. L'objet de cette publication est de décrire ce concept, d'en exposer les atouts, ainsi que les limites. Mots-clés-Chaîne de traction électrique intégrée, chaîne de traction basse tension, motorisation électrique, bobine fractionnée, alimentation fractionnée.

Full text

SYMPOSIUM DE GENIE ELECTRIQUE (SGE 2021), 6-8 JUILLET 2021, NANTES, FRANCE
Les enjeux du concept CTAF :
Chaîne de Traction à Alimentation Fractionnée
Par ordre alphabétique : Hamid BEN AHMED2, Olivier BETHOUX6, Antoine CIZERON1,5, Emmanuel HOANG1, Anthony
JUTON4, Eric LABOURE5, Adrien MERCIER5, Eric MONMASSON3, Javier OJEDA1, Loïc QUEVAL5, Ghislain REMY5
1 : SATIE, ENS Paris-Saclay - 2 : SATIE, ENS Rennes - 3 : SATIE, Université de Cergy Pontoise – 4 : ENS Paris-Saclay
5 : GeePs, Université Paris-Saclay - 6 : GeePs, Sorbonne Université
RESUME - Cet article présente le concept CTAF – Chaîne de
Traction à Alimentation Fractionnée. Ce concept s’articule autour
des machines polyphasées, dont les enroulements des phases sont
fractionnés en sous-enroulements. Chaque sous-enroulement est
alimenté par un convertisseur d’électronique de puissance basse
tension indépendant. L’objet de cette publication est de décrire ce
concept, d’en exposer les atouts, ainsi que les limites.
Mots-clés—Chaîne de traction électrique intégrée, chaîne de
traction basse tension, motorisation électrique, bobine fractionnée,
alimentation fractionnée.
1. INTRODUCTION
Les véhicules électriques émergent peu à peu chez chaque
constructeur, et la production devrait être croissante compte tenu
des réglementations liées à l’impact des gaz à effet de serre émis
par les moteurs à explosion. Actuellement, un choix de
motorisation semble faire consensus chez les différents
constructeurs, à savoir le moteur synchrone à aimants
permanents. Cependant, la structure de ce type de machine n’est
pas encore standardisée. Par ailleurs, les niveaux de tensions au
sein des véhicules diffèrent, s’adaptant souvent aux besoins de
puissance. En effet, une première approche consiste à augmenter
la tension plutôt que le courant lorsque que l’on souhaite
augmenter la puissance, à l’image des réseaux électriques.
Cependant, dès que l’on dépasse 48 volts, les normes de sécurité
imposent des protections supplémentaires qui peuvent être
difficiles à gérer et coûteuses. Ainsi, on peut voir apparaitre des
motorisations électriques « basse tension » chez certains
constructeurs. Aux vues de ces différents choix technologiques,
la conclusion à tirer est de multiplier les études prospectives afin
d’affiner les connaissances sur les systèmes de traction.
Dans ce contexte, une Chaîne de Traction à Alimentation
Fractionnée (CTAF) est proposée. Cette nouvelle structure [1]
est présentée dans la section 3 et peut contribuer au
développement des chaines de traction intégrées. Ainsi, nous
proposons dans la section 2, un état de l’art de ces dernières. Les
avantages et inconvénients de cette architecture sont exposés
dans la section 4. Enfin les verrous et difficultés scientifiques sur
lesquels les auteurs souhaitent travailler sont décrits dans la
section 5.
Les différentes natures des phénomènes physiques
rencontrés impliquent la nécessité de maîtriser l’ensemble des
domaines du génie électrique, voire plus, ce qui explique le
nombre de contributeurs de ce projet. De plus, chacun de nous a
développé « son » domaine de compétences en ayant la chance
de se côtoyer depuis de nombreuses années. Des affinités
« scientifiques » et humaines se sont réunies dans les réflexions
autour de ce concept CTAF. Collectivement, nous avons décidé
de « tout » mettre « à plat », avec bienveillance mais sans
complaisance. La controverse scientifique et rien d’autre.
Nous présentons ce nouveau concept de chaine de traction
en ayant « débroussaillé » les idées avec nos moyens. Bien sûr
de très nombreux travaux sont à mener. Nous espérons que cet
article soit la clef qui permette d’ouvrir la porte de futures
collaborations.
2. ETAT DE L’ART DES CHAINES DE TRACTION INTEGREES
Avant d’essayer de faire un état de l’art, inévitablement
partiel, nous voudrions revenir, très simplement, sur la genèse
de celle-ci. En une phrase, c’est la rencontre entre un
« machiniste » qui cherchait une solution pour alimenter « sa »
machine électrique (ME) à sa puissance convertible maximale
[2] et un « électronicien de puissance » qui cherchait à intégrer
au maximum « ses » convertisseurs à leurs environnements [3].
Cette invention fait intervenir deux grandes familles de
questions :
1 - Comment modifier le couplage des enroulements d’une ME
afin d’optimiser ses modes de fonctionnement ?
2 - En quoi le fractionnement des convertisseurs d’électronique
de puissance (EnPu) est-il favorable ?
Le concept CTAF permet une grande intégration de l’EnPu
avec la ME. Ainsi, dans cet état de l’art, nous reviendrons sur
des travaux liés à ce thème (en anglais : IMD pour « Integrated
Motor Drives »).
2.1. Reconfiguration des enroulements
Les « électrotechniciens » connaissent bien la technique du
démarrage « étoile-triangle » pour une machine asynchrone
alimentée par le réseau à fréquence fixe et à tension fixe, afin de
réduire l’amplitude des courants au démarrage, ainsi que le
câblage « Dahlander », afin de pouvoir disposer de deux vitesses
de rotation. Avec l’arrivée de l’EnPu, des chercheurs ont
proposé des solutions afin d’optimiser les modes de
fonctionnement de la machine électrique. Nous pouvons citer
[4], où les auteurs « have proposed an ac spindle motor drive
with a wide constant power range by switching the winding
connections of the motor ». Ils utilisent la même technique que
celle utilisée pour les transformateurs à « changeur de prise »
(tap on each winding) et peuvent ainsi changer le nombre de
spires des bobinages de façon dynamique. Ensuite [5], où les
auteurs proposent des solutions électroniques pour changer la
configuration du bobinage et pour finir [6], où une modélisation
de la reconfiguration dynamique des bobinages est proposée.
2.2. Fractionnement des convertisseurs d’EnPu
Dans [7], les auteurs « present the findings of the first global
analysis of energy consumption in electric motor driven systems
(EMDS) and the options to reduce it ». A la page 56 de ce
document, les auteurs montrent l’intérêt d’un fonctionnement
fractionné des convertisseurs. En complément à cette référence,
nous pouvons citer [8] et [9] où les auteurs se sont intéressés aux

pertes dans les composants EnPu lors de fonctionnement en
charge partielle (partial load).
2.3. Systèmes intégrés (EnPu et ME)
Dans la référence [10], datant de 2016, les auteurs présentent
de façon très complète beaucoup de solutions. Il y a 203
références ! Ensuite la référence [11] issue du « Fraunhofer
institute for integrated systems and device technology » et le
projet EMiLE [12]. Le « Wisconsin Electric Machines and
Power Electronics Consortium » n’est pas en reste et par
exemple dans [13], démontre ses compétences en la matière. Ces
projets d’intégration sont en développement [14] et sont un enjeu
majeur [15] (voir plus particulièrement le « slide 7 »). Pour finir,
dans [16], l’auteur propose des éléments complémentaires sur
cette partie de l’état de l’art.
3. PRESENTATION DU CONCEPT CTAF
Le concept CTAF vise à concevoir une chaîne de traction
incluant une machine « haute tension » capable de tourner à
haute vitesse, mais alimentée par des sources « basse tension ».
Pour réaliser cette équivalence, l’idée est de fractionner les
bobinages des phases. Cette idée a fait l’objet de la publication
d’un brevet [1].
Fig. 1. Fractionnement des enroulements d’une machine polyphasée.
Reproduction de la figure 2 du brevet [1].
Sur la figure 1, les enroulements numérotés 123, 124 et 125
représentent les trois phases d’une machine triphasée. Il est
possible de fractionner ces enroulements en sous-enroulements.
Par exemple, la bobine 124 est subdivisée en trois sous-bobines
numérotées 204, 205, 206. De la sorte, on peut alimenter chaque
sous-bobine par une tension faible (par exemple 48 volts), ce qui
est équivalent magnétiquement à alimenter la bobine 124 par
trois fois cette tension (par exemple 144 volts). D’un autre point
de vue, on peut aussi remarquer que l’on applique les mêmes
ampères-tours. Cette idée de fractionner les enroulements se
retrouve dans des publications antérieures [4]. Le cas extrême
correspond à celui où l’enroulement est fractionné en autant de
sous-enroulements qu’il y a de spires. Dans ce cas, chaque spire
(611, 612 et 613 sur la figure 2) pourrait être connectée
directement sur un circuit imprimé (620, sur la figure 2).
L’idée originale présentée ici est de fractionner aussi
l’alimentation de puissance. Chaque sous-bobine est associée à
un convertisseur statique de puissance afin de l’alimenter
indépendamment des autres. Ceci offre alors plusieurs degrés de
liberté dans l’alimentation globale de la machine. En effet,
plusieurs configurations sont possibles, dont une est présentée
en figure 3.
Fig. 2. Fixation des enroulements fractionnés jusqu’à la spire. Reproduction
de la figure 6b du brevet [1].
Fig. 3. Exemple d’alimentation des sous-bobines par une alimentation
fractionnée triphasée. Reproduction de la figure 3.b du brevet [1].
4. AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU CONCEPT CTAF
4.1. Les principaux avantages
• Taux de disponibilité amélioré : L’adaptation de la
machine électrique à la structure du convertisseur
d’électronique de puissance conduit à une intégration
adaptée et à une réponse optimisée au cahier des charges
(coût, sûreté de fonctionnement, conditions d’utilisation,
etc…).
De plus, la résilience est améliorée par le choix d’une
architecture multi-convertisseurs. En effet, la gestion du
mode dégradé paraît facilitée en fractionnant les
enroulements. Que ce soit un sous-enroulement ou bien
le convertisseur associé qui soit défaillant, deux
stratégies sont envisageables : augmenter le courant des
autres sous-enroulements de la même phase pour garder
le même état magnétique ou passiver les sous-
enroulements correspondants des autres phases.
• Chaîne « basse tension » : Par concept, le bus DC
fonctionne à une tension réduite par rapport à la solution
standard équivalente. Le bus DC peut être « basse
tension » pour limiter les risques électriques, ou
« moyenne tension » pour respecter le minimum de
Paschen du champ disruptif. Du bus DC d’alimentation
à la ME, tous les éléments sont en tension relative
réduite même si le système peut être « basse tension »
ou « haute tension ».
Les corollaires sont la possibilité d’utiliser des
transistors qui ne nécessitent pas une grande tenue en
tension d’une part, et une meilleure adéquation avec les
batteries d’accumulateurs basse tension d’autre part.

• Diminution des contraintes sur les isolants : Les
« dv/dt » sont mieux répartis sur chaque bobinage
alimenté par un convertisseur, car ils comportent peu de
spires. Ce phénomène est d’autant plus intéressant à
prendre en compte que la technologie des interrupteurs
est rapide (SiC, GaN). Cette meilleure répartition permet
de retarder le vieillissement des isolants des bobinages.
Le point de vue complémentaire est de conserver le
même vieillissement, mais comme les tensions sont plus
faibles, il devient possible de réduire le « grade » des
isolants – au niveau des spires ou dans les fonds
d’encoche.
• Alimentation multi-sources : Sur la figure 3 est
représenté un exemple d’alimentation des sous-bobines
par une alimentation fractionnée. Il est possible
d’envisager l’utilisation d’une alimentation multi-
sources DC (batterie d’accumulateurs, pile à
combustible, supercondensateurs) avec des usages
différenciés. Il est aussi possible de gérer les fonctions
d’équilibrage (BMS) de chaque source DC par le
convertisseur d’électronique de puissance associé.
• Degrés de liberté supplémentaires de la commande :
Les degrés de libertés supplémentaires pourraient
permettre l’optimisation dynamique du nombre de spires
actives en fonction du point de fonctionnement (gestion
des points de fonctionnement bas couple/haute vitesse,
etc…) et l’auto-centrage (limitation de l’usure des
paliers) par l’utilisation de certaines spires dédiées à une
fonction de « centrage magnétique ».
• Basse puissance par interrupteur : Le fractionnement
de la puissance par interrupteur est adapté à l’intégration
(technologie CMS). De cette intégration et de cette
réalisation industrielle d’un grand nombre de cartes
pourrait découler une meilleure fiabilité grâce à des
processus parfaitement maîtrisés. Notons toutefois que
la multiplication des interrupteurs de petite puissance ne
minore pas forcément la fiabilité !
• Facteur de remplissage amélioré : Une répartition plus
homogène de la température est possible grâce à des
meilleurs coefficients d’échange thermique induite par
une amélioration du coefficient de remplissage et par un
« design » thermique optimisé.
Fig. 4. Exemple de simulation thermique
Afin d’illustrer cela, nous avons effectué des simulations
thermiques pour déterminer les échauffements des
enroulements pour deux types de réalisation, dans le cas
d’un cahier des charges « motorisation de véhicule
électrique » défini dans [21] et ceci pour une machine
synchrone à commutation de flux à double excitation
[22]. A l’issue d’un premier dimensionnement
électromagnétique, nous avons pu déterminer que le
nombre de spires est de l’ordre de 5.
La simulation présentée sur la figure 4 a été effectuée
pour un point de fonctionnement (65 Nm ; 5400 tr/min)
placé sur la courbe de puissance nominale (30 kW). Pour
ce point de fonctionnement, la densité de courant du
circuit d’excitation est de 12 A/mm2 et celle de l’induit
est de 8,6 A/mm2.
Sur la gauche de la figure, nous avons des enroulements
« classiques » pour l’induit et l’excitation, qui sont
thermiquement modélisés par un ensemble homogène
[23]. Alors que sur la droite de la figure, le bobinage de
l’induit a été modifié et est constitué des 5 conducteurs
directement « placés » dans le « fer » du circuit
magnétique et isolés avec une feuille de mica d’une
épaisseur de l’ordre de 0,15 mm. La répartition de
température obtenue par la maîtrise du positionnement
des conducteurs est plus homogène.
• Compacité améliorée : Un « System-level design » peut
permettre d’obtenir de plus hautes densités de puissance.
En effet, comme le souligne [17]: « Focusing solely on
the machine specific power can lead to a sub-optimal
solution at the system-level. »
• Utilisation des “nouveaux” composants : L’utilisation
de composant SiC ou GaN pourrait permettre de faibles
pertes, une température de fonctionnement plus élevée
et un système de refroidissement mutualisable avec celui
de la machine électrique.
Dans [16], l’auteur écrit :
« Utilisant des composants en Silicium, les anciennes
générations de convertisseurs statiques n’étaient pas
adaptées à cette intégration au sein des machines
électriques. La température de fonctionnement d’un
module de Silicium étant bien inférieure aux
températures qui peuvent régner dans le boîtier d’une
machine électrique, il était inconcevable de mutualiser
les systèmes de refroidissement entre l’électronique de
puissance et le moteur. Contrairement aux composants
en Silicium, les nouvelles générations de composants
basées sur des semi-conducteurs à grand gap peuvent
tolérer des températures de fonctionnement supérieure
à celle du Silicium. L’arrivée de cette nouvelle
génération de composants a permis de reconsidérer une
intégration profonde des convertisseurs statiques au
sein des machines électriques.
Les semi-conducteurs dits « à grand gap » les plus
utilisés en électronique de puissance sont le Nitrure de
Gallium (GaN) et le Carbure de Silicium (SiC). La
largeur de bande de ces matériaux est nettement
supérieure à celle du Silicium (Si), ce qui leur confère,
entre autres, une meilleure tenue en tension et permet un
fonctionnement à plus haute température.
Pour une même fréquence de commutation les pertes par
commutation apparaissant dans les composants SiC et
Bobinage d’excitation
Bobinage de l’induit

GaN sont nettement inférieures à celle du Si. Cet
avantage permet de réduire la taille des échangeurs
thermiques [18].
Ce constat permet d’envisager l’utilisation de
fréquences de découpage élevées pour le contrôle de la
machine. Cette possibilité présente plusieurs avantages
comme la diminution de l’ondulation de couple,
l’augmentation de la dynamique du système et la
possibilité d’utiliser des fréquences fondamentales
élevées compatibles avec les machines à hautes-vitesses
ou à grand nombre de paires de pôles.
Cependant, l’effet de leur commutation rapide sur le
vieillissement de la machine électrique associée doit
également être pris en compte. »
4.2. Les principaux inconvénients
• Grand nombre de capteurs : La solution proposée
repose a priori sur un nombre important de capteurs
engendrant des problèmes de coût, de traitement temps
réel d’information et de résilience. La gestion de la
synchronisation est d’autant plus difficile que le
fractionnement est important. Il est donc nécessaire
qu’elle soit gérée par un contrôle-commande embarqué
performant et aux entrées/sorties nombreuses, donc
complexe à mettre au point et onéreux.
• Difficulté de synchronisation : On peut suspecter une
fragilité/sensibilité du concept vis-à-vis de la qualité de
synchronisation de la commande des interrupteurs pour
le même bobinage. Ceci est lié à la faible inductance de
fuite entre les bobinages situés sur les mêmes dents (et
donc par nature parfaitement couplés magnétiquement).
La difficulté de synchronisation de l’ensemble des
convertisseurs et l’équilibrage des courants dans les
sous-enroulements peuvent nécessiter des rapports
cycliques différents sur chaque onduleur pour réaliser
cet équilibrage. Du fait du fort couplage magnétique
entre les sous-bobines, si les convertisseurs sont
désynchronisés ou appliquent des rapports cycliques
différents pour contrer les disparités de chaque
enroulement, des ondulations de courant limitées
uniquement par les inductances de fuite du système
apparaissent. Un compromis doit être établi entre le
déséquilibrage des évolutions « basse-fréquence » et
l’augmentation des ondulations « haute-fréquence » des
courants. Ce compromis guidera l’étude dans le choix de
la structure à adopter pour le contrôle du système. Une
première étude [19] complétée par [20] permet de mieux
appréhender ces phénomènes.
• Repenser entièrement la commande : En lisant le
paragraphe précédent on aura compris que le
fractionnement des phases de la machine engendre des
difficultés supplémentaires du point de vue de la
commande. Ceci doit dans un premier temps nous
obliger à établir un « bon » modèle dynamique de la
machine en vue de sa commande. Nous entendons par là
la prise en compte dudit fractionnement et des couplages
magnétiques supplémentaires qu’il implique. Ceci
conduira très probablement à la conception d’une
commande hiérarchisée d’au moins 3 niveaux :
1. Une commande rapprochée qui devra gérer la
synchronisation entre les ordres de commande
envoyés à toutes les sous-machines élémentaires
(voir paragraphe précédent).
2. Un étage de régulation « classique » de type
commande vectorielle qui permettra de contrôler les
courants de flux et de couple des sous-machines
élémentaires actives (voir Fig. 3).
3. Un étage de supervision qui devra décider en temps
réel quelles sont les sous-machines élémentaires
actives et quelles sont les inactives (sachant que
l’inaction côté commande ne signifie pas forcément
que la sous-machine concernée est au repos, en effet
elle pourrait éventuellement servir de capteur). On
l’aura compris, cette supervision requiert un
monitoring très précis de la machine de façon à
proposer en temps réel un « dispaching » optimisé
(tant en mode sain qu’en mode de défaut) des
références de courant des sous-machines
élémentaires [24].
Enfin, un mot sur l’implantation numérique envisagée :
la structure hiérarchique de la commande et la diversité
des tâches à réaliser semble propice à l’utilisation d’un
composant de type SoC FPGA (System-on-Chip Field
Programmable Gate Array). En effet, ce type de
composant intègre à la fois des cœurs processeurs ARM
très performants (1 GHz) qui sont adaptés à des
traitements complexes (on pense ici au superviseur) et
une fabrique FPGA parfaitement adaptée à la commande
bas niveau effectuée en parallèle des sous-machines
élémentaires [24].
• Connectique complexe : Multiplier le fractionnement
revient à multiplier les connectiques, donc le risque de
défaillance. Des solutions technologiques non standards
pourraient être étudiées en vue de réduire le coût et
d’augmenter la fiabilité.
• Compatibilité électromagnétique : Un coefficient de
remplissage des enroulements plus élevé améliore les
échanges thermiques mais induit une augmentation de la
capacité parasite de mode commun : la CEM est donc à
surveiller tout particulièrement.
• Isolation de la cellule en défaut : Pour pouvoir profiter
de la continuité de fonctionnement, il est impératif de
garantir que toutes les défaillances conduisent à un état
isolable. Si une association convertisseur sous-
enroulements vient à présenter une défaillance, la
continuité de service (assurée par la déconnection du
convertisseur défaillant) repose sur la capacité à garantir
le défaut des interrupteurs en circuit ouvert et non pas en
court-circuit.
• Ressource critique en cuivre : Par concept, la chaîne
est à fort courant et donc consommatrice de cuivre, qui
est une ressource critique (même si on peut espérer un
recyclage aisé du bobinage).
• Difficulté de recyclage : Un système intégré présente un
recyclage plus difficile en fin de vie.

5. VERROUS ET DIFFICULTES SCIENTIFIQUES
Les premières analysent permettent de lister les verrous et
difficultés scientifiques sur lesquels il est souhaitable de
travailler afin de pouvoir développer cette technologie.
Comme tout système physique, il est nécessaire d’établir des
modèles pour pouvoir estimer ses performances et le piloter.
Chaque élément de la chaîne de traction doit être modélisé
suffisamment finement pour obtenir un modèle optimisé de
l’ensemble de la chaîne. L’objectif suivant est de développer le
logiciel du contrôle-commande embarqué permettant d'assurer
les meilleures performances (couple, vitesse, rendement, bruit,
CEM...) en mode sain comme en mode dégradé.
Le nombre de degrés de liberté induit par le fractionnement
est à explorer. Chaque sous-enroulement n’est pas
nécessairement alimenté, notamment lorsque la pleine puissance
n’est pas requise. Il devient alors possible d’utiliser ces sous-
bobines comme des capteurs pour faire du diagnostic en temps
réel. Cependant, il faut prévoir une gestion supplémentaire de ce
qui s’apparente à une fonction auxiliaire.
Comme le nombre de connectiques et de capteurs va
croissant avec le fractionnement, une réflexion est à mener sur
l’impact des différents capteurs de cette structure complexe. Une
étude de sensibilité permettrait de savoir quels sont les capteurs
indispensables au bon fonctionnement, et quels sont ceux dont
on peut s’affranchir afin de s’approcher au mieux des
commandes « sensorless ».
6. CONCLUSIONS
Cet article présente un nouveau concept pour une Chaîne de
Traction à Alimentation Fractionnée. Après un état de l’art sur
les chaines de traction intégrées et les systèmes de
reconfiguration des enroulements de la ME avec l’EnPu, nous
avons décrit l’invention puis nous avons listé les principaux
avantages et inconvénients. Nous avons ainsi défini un ensemble
de thèmes de recherche associés à au concept CTAF :
• Elaboration de modèles
• Contrôle superviseur du système en mode sain
• Contrôle superviseur du système en mode
défaillant
• Contrôle rapproché du système
• Co-optimisation de l’ensemble convertisseur-
machine : architecture, contrôle,
dimensionnement
• Analyse des degrés de liberté offerts pour des
fonctions auxiliaires
• Eco-conception de la chaîne
• Impact de la qualité des capteurs et conception de
capteurs
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