e-cem: un pas en avant vers la modélisation cem de ...– obtenir une distribution de courant...

VALI

DATI

ON

CONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ON

CONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

AFCEM: Session - Projet collaboratif en CEM - Confidentiel

E-CEM: Un pas en avant vers la modélisation CEM de systèmes de puissance

Pilote: Abhishek Ramanujan, PhD Valeo Systèmes Electriques [email protected] Date: 10-04-2013

Projet collaboratif en CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

Confidential

E-CEM

Porteur et Partenaires – Porteur : Valeo systèmes électriques – Partenaires industriels : CEDRAT, RENAULT – Partenaires académiques : Ampère, G2ELab, IRSEEM,

SATIE Date de début: 03/01/2011 – Durée : 36 mois

Financé par Labellisé par le Pôle de compétitivité

2

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

Confidential

Objectifs innovants du Projet

Prise en compte de la CEM dans la phase de conception

« virtuelle » des systèmes

– Développement des méthodes pour la prédiction de la CEM des

Systèmes de Puissance

– Optimisation : répartition des contraintes CEM sur les différents

éléments constituant les systèmes

Capitalisation

– Intégration des modèles au sein d’un environnement logiciel pérenne

– Les formats des modèles choisis doivent être flexibles pour garantir une

possibilité d’échange

3

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

Confidential

Enjeux et impacts Architecture typique d’une Chaine de Traction Electrique Retombées et impacts

– Donner une avance concurrentielle aux équipementiers et systémiers • CEM des systèmes électriques/électroniques embarqués • Exposition des personnes aux champs EM

4

Batterie (source d'énergie) "Aiguillage"

Chargeur sur source d'énergie extérieure

Convertisseur pour commande

machine Moteur électrique

Consommateurs auxiliaires : 14V, clim, GMV… (incorporent

des convertisseurs)

Frein

Accélération

Accessoires Gestion batterie

ECU supervision du GMPE

Roues

Réducteur - transmission

Liaison électrique

Liaison mécanique Liaison contrôle

Convertisseur pour commande

machineom Moteur électriqueél

Liaison électrique

Liaison mécanique

so, ,GMV… (incorporent

des convertisseurs)er

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

Confidential

Programme E-CEM

5

Capitalisation logiciel

Modélisation des sources de perturbation en électronique

de puissance

Modélisation des chemins de propagation des perturbations

Modélisation système et optimisation locale et globale

Bibliothèques de composants BBiBTâche 3

MMpeMppTâche 2

Tâche 6

Tâche 5

MTâche 4

Tâche 1 Coordination du projet

Spécifications

Validation

expérimentale

Tâche 6

VALI

DATI

ON

CONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ON

CONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM


T0+24: Avancements techniques

Modélisation des sources de perturbation en électronique de puissance

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

Confidential

Modélisation des convertisseurs Modélisation dans une approche système – Connaissance interne des composants non-nécessaire – Modèle générique développé dans les conditions réelles

d’utilisation – Approche globale adaptée à l’étude des réseaux

Mesures des tensions et des courants d’entrée du circuit – Une méthodologie de mesure rigoureuse est mise en place – Utilisation des Shunts Dimensionné analytiquement – Algorithme d’optimisation Traitement de mesures

7

EST

RSI

L

Réa

lisat

ion

Outil de mesures

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

Confidential

Application et Validation 8

Convertisseur DC/DC, BOOST 14V-42V, Découpage à 115 kHz

Simulation

Résultats encourageants obtenus

L’algorithme d’optimisation est

validé

Choix des shunts également

validés

VALI

DATI

ON

CONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ON

CONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM


Modélisation des actionneurs électriques

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM


VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

Confidential

Modélisation du comportement HF des machines à induction

10

Tens

ion

de m

ode

com

mun

Cbs : capacité entre enroulement et statorCbr : capacité entre enroulement et rotor Csr : capacité entre le Fer rotorique et statorique Cp: capacité parasite de roulements

Phénomène Inductif

Génération de tension d’arbre: dégradation des roulements

PWM inverters

dv/dt Machine

La commande MLI, des machines AC dv/dt et di/dt importants, très rapides – Emissions conduites

Tension de mode commun non nulle

Phénomène Capacitif

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

Confidential

Modèle HF – Différentes étapes

Identification des trajectoires des courants HF dans les parties métalliques de mode commun par EF – Propagation des courants sur la surface

des parties métalliques Modélisation circuit des trajectoires des courants HF dans les parties métalliques de mode commun Modélisation des capacités parasites (enroulements-stator) Validation expérimentale – Réalisation d’une maquette

avec différentes géométries d’encoche

– Validation du modèle proposé

11

Chemins de circulation des courants de mode commun dans la masse métallique

z

Résultats : conducteur circulaire

Conducteur circulaire

Modèle

VALI

DATI

ON

CONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ON

CONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM


Modélisation de l’émission rayonnée des composants et modélisation du

couplage entre composants et interconnexions

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM


VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

Confidential

Modèle 2D et 3D des émissions rayonnées

Modèle inspiré du modèle 2D Variables du modèle :

Orientations (Фe , Фm , θe , θm) Courants (Ie , Im) Sur cinq faces

13

Modèle 2D Modèle 3D

DST représenté par un réseau de dipôles électriques et magnétiques Variables du modèle :

Orientations (Фe , Фm , θe , θm) Courants (Ie , Im)

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

Confidential

Application et Validation 14

320 dipôles électriques et 320 dipôles magnétiques

E

H

Simulation HFSS

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

Confidential

Modèle de couplage Basé sur le modèle de couplage Taylor

15

Modèle de rayonnement:

2D ou 3D

p g

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

Confidential

Validation du modèle : Résultats

16

VL

VL: Ligne en court circuit

Montage d’essai

VALI

DATI

ON

CONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ON

CONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM


Modélisation des chemins de propagation des perturbations

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM


VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

Confidential

Méthode Fast Multipole Method

18

Motivation – Logiciel InCa3D : modélisation des interconnexions en BF

• Répartition de courants, pertes, champs magnétiques, forces… • Calcul des matrices d’impédances réduites RLM • Export du circuit électrique réduit RLM à solveur circuit temporel

– Evolutions nécessaires • Nécessité d’améliorer la taille des problèmes traitables • Haute fréquence: Nécessité d’ajouter les capacités parasites

pour élargir la gamme de fréquences et pour prendre en compte les « courants » parasites qui circulent dans les isolants (air ou diélectrique)

Solveur circuit Circuit équivalent Maillage Géométrie

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

Confidential

FMM: Nouvelles fonctionnalités développées

Nouvelles formulations – Modélisation région magnétique dans PEEC – Prendre en compte les régions minces

Technique de compression matricielle FMM – Afin de réduire le temps du calcul et ressources

nécessaires Réduction du modèle – Modèle simplifié de circuit équivalent moins complexe – Facilite la co-simulation avec les solveurs type SPICE

Résultats des cas tests (Phare à LED et cas test CEDRAT) – Gain du temps > 5 fois et gain mémoire utilisée > 5 fois – Version prototype prêt pour l’intégration dans version

industrielle InCa3D par Cedrat

19

e eCE

est

5 foisoooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooon

PCB Phare à LED

Courtesy: Valeo

VALI

DATI

ON

CONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ON

CONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM


Techniques génériques d’optimisation système

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM


VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

Confidential

Modélisation de l’incertitude Circuit électronique de puissance – Prendre en compte les incertitudes ou dispersion des paramètres:

valeurs des composants, dimensions/position des pistes et câbles, vieillissement des composants, etc…

“Surrogate Model” de l’incertitude – Plus rapide par rapport aux méthodes

conventionnelles – Adapté aux systèmes larges et

optimisation déterministe – Moins précis peut être optimisé

en couplant avec des simulations EM – Space-mapping pour corriger les erreurs

entre les réponses basse / haute précision

21

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

Confidential

Validation du modèle de l’incertitude Exemple sur une antenne

22

Space-Mapping: Correction de fréquences

Travaux en cours – Déterminer le Surrogate model pour

une SMPS. – Trouver la technique space-

mapping adaptée pour ce cas de test

VALI

DATI

ON

CONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ON

CONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM


Capitalisation logiciel

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM


VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

Confidential

InCa3D: Impédance des Conducteurs et Champ Proche

24

Co-développement

Gain de temps et d’argent dans la conception des interconnections électriques

Estimation très précise de leur comportement « parasite" sans prototypage

Simulations 3D maintenant faisables sur des topologies très complexes Optimisation des performances dans le respect des normes CEM

Bénéfices :

Dédié à la modélisation des connections électriques pour applications CEM et Electronique de Puissance

De petits fils de bonding et pistes PCB, jusqu’aux busbars, modules de puissance et grandes armoires de distribution

Analyse des distributions de courant et des pertes Joule Avec effets de peau et de proximité

Calcul des champs magnétiques rayonnés et des forces de Laplace générées par les connecteurs électriques Evaluation des inductances parasites

Brève description :

Simplification assistée des géométries importées Solveur rapide, robuste et unique

Basé sur les avantages de la méthode PEEC Amples capacités de post-traitement des résultats Couplage avec des simulateurs "système" (SPICE, Portunus) et des langages standardisés (VHDL-AMS) Simulations multi-paramètres

l f é d é é é

Fonctionnalités du logiciel :

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

Confidential

Evolutions d’InCa3D dans le cadre d’E-CEM : FMM

Pour prise en compte de grands systèmes – ex. variateurs de vitesse, cartes PCB d’un

phare à LED – Dizaines de milliers d’inconnues

Nécessité d’intégrer des techniques de compression (FMM) et un solveur itératif (FGMRes) – coût de résolution passe de N3 à N log N – accélération de la vitesse de calcul des

interactions (5÷10 fois) – forte réduction de l’occupation de mémoire

RAM (au moins 10 fois) FMM inductif – Principaux résultats en cours d’intégration

dans le logiciel InCa3D

25

re

n

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

Confidential

Evolutions d’InCa3D : couplage avec optimiseur

26

Couplage avec GOT-It pour optimisation, plans d’expérience, screening ; par ex. – Obtenir une distribution de courant

voulue dans les conducteurs et composants

– Minimiser les pertes Joules dans les barres de puissance, en optimisant les dimensions géométriques et le positionnement

– Minimiser le champ rayonné (respect des normes CEM)

– Equilibrer les impédances – Minimiser le coût de la matière – etc ...

VALI

DATI

ON

CONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ON

CONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM


Démonstrateur du projet

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

Confidential

Démonstrateur proposé

Convertisseur DC/DC en configuration BOOST – Commutation à 350 kHz

Charge: 13 LEDs, puissance de 12W Carte adaptée pour la modélisation de: – Emissions conduites – Emissions rayonnées – Couplage composants/pistes

28

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

Confidential

Modèle des émissions conduites

29

Composants passifs et faisceaux Mesures de paramètres S/Z Composants actifs Modèle constructeur + corriger avec des mesures Charge (LEDs) Mesures statique et dynamique Charge (câble flex) Mesures de paramètres S/Z

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

Confidential

EC: Résultats obtenus

Bonne corrélation entre la mesure et la simulation jusqu‘à 70 MHz Dispersion significative au delà de 70 MHz – Besoin du modèles fins

des pistes de PCB – Nécessite un modèle

précis du chemin de propagation en mode-commun faisceaux

30

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

Confidential

Publications

Modeling of propagation of high frequency currents in AC motors, B. Nidhal, H. Sami, R. Bertrand, F. Costa, International Symposium on Electromagnetic Compatibility, EMC Europe 2012, ROME, Italia September 17-21 2012.

Formulations intégrales pour la modélisation des régions minces conductrices, Tung Le Duc, Gérard Meunier, Olivier Chadebec, Jean-Michel Guichon et Laurent Krähenbühl, Conférence Numelec, Marseille, 2012 (G2ELab, Ampère)

M. Ferber, C. Vollaire, L. Krähenbühl, J. Coulomb, ‘Uncertainty Analysis of the Conducted Interferences in a DC-DC Converter’, 16ème Colloque International et Exposition sur la Compatibilité Electromagnétique - Rouen- 25-26 et 27 Avril 2012

Moisés Ferber, Christian Vollaire, Laurent Krähenbühl, Jean-Louis Coulomb, João Antonio Vasconcelos, ‘Conducted Interferences of Power Converters with Parametric Uncertainties in the Frequency Domain’, 2012 EMC in Singapore – Symposium & Technical Exhibition 21 – 24 May 2012, Singapore.

31

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

Confidential

Publications (suite)

H. Shall, L. Leyssenne, P. Fernandez. Lopez and D. Baudry, "Modeling of Electromagnetic radiation and Coupling between components and transmission lines", ICONIC, Novembre 2011, France.

H.Shall, L.Leyssenne, Z.Riah et M.Kadi, "Modélisation du rayonnement 3D pour une meilleure prédiction du couplage EM entre structures électroniques et lignes de transmission ", CEM 2012, Avril 2012, France.

H.Shall, Z.Riah and M.Kadi, "Prediction of Electromagnetic interferences between components and transmission lines", EMC Europe 2012, Sép 2012, Italy

Compression matricielle d’une formulation intégrale par la méthode multipôlaire rapide pour le calcul de courants de Foucault dans une région mince conductrice, Thanh Trung Nguyen, Tung Le Duc , Olivier Chadebec, Gérard Meunier, Jean-Michel Guichon, Conférence Numelec, Marseille, 2012 (G2ELab)

Modélisation de la propagation des courants de mode commun dans la masse métallique des moteurs AC, B. Nidhal, H. Sami, R. Bertrand, F. Costa, 16 colloque international et exposition sur la compatibilité électromagnétique Rouen 25-27 avril 2012, (SATIE).

32

VALI

DATI

ON

CONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ON

CONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM


Conclusions et Perspectives VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

Confidential

Conclusions et Perspectives

Conclusions – Le déroulement du Projet est conforme aux attentes. – Les contributions des différents partenaires sont adéquates et la

coopération est fructueuse. – Les résultats obtenus à ce jour sont prometteurs.

Perspectives – Validation des modèles développés sur le démonstrateur du projet

• Modèle des convertisseurs, émissions rayonnées, couplages composant/piste et l’incertitude

– Evaluer la robustesse des méthodes vis-à-vis de la complexité des systèmes ainsi que de la précision des modèles mis en œuvre.

– Validations matérielles et industrialisation des méthodes de modélisation en réalisant des mesures dans les différentes plates-formes disponibles au sein du consortium

34

VALI

DATI

ON

CONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ON

CONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM


Merci de votre attention

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

VALI

DATI

ONCONCEPTION

OPTIMISATION

E-CEM

e-cem: un pas en avant vers la modélisation cem de ...– obtenir une distribution de courant...

Documents