Comparaison entre les essais sur dynamomètre et l'émulation de moteur pour les programmes de motorisation électrique

Principaux enseignements

• Les essais sur dynamomètre permettent de valider l'ensemble du groupe d'entraînement sur du matériel physique, tandis que l'émulation du moteur permet de valider le variateur et les commandes sur un large éventail de machines et de défauts.
• L'émulation intervient en début de processus, lorsque la conception est encore en cours, tandis que les essais au banc ont lieu en fin de processus, lorsque le rendement, les limites thermiques et la durabilité doivent être validés.
• Un compte-rendu écrit, accompagné de points de référence communs, permet de conserver les heures de fonctionnement sur banc d'essai, ce qui constitue une preuve que seul le matériel en fonctionnement peut fournir.

Les essais sur dynamomètre et l'émulation de moteur permettent de répondre à des questions différentes, et votre programme de développement de motorisation électrique sera achevé plus rapidement si chacun d'entre eux est réservé à la question à laquelle il apporte la meilleure réponse.

Un banc d'essai de moteur permet de tester un variateur face à une seule machine physique à la fois, avec un couple réel sur un arbre réel. L'émulation de moteur remplace cette machine par un étage de puissance dont le comportement électrique est identique ; ainsi, un même variateur peut être confronté à de nombreuses machines, points de fonctionnement et défauts sans qu'il soit nécessaire de changer de matériel. L'émulation intervient tôt et à grande échelle, tandis que le banc d'essai intervient tardivement et de manière approfondie.

La pression pour réussir ce séquençage ne cesse de croître. Les modèles électriques devraient représenter plus d’une voiture sur quatre vendues dans le monde en 2025, et chacun de ces véhicules est équipé d’un système de propulsion qui a dû être validé en termes de vitesse, de couple, de température et de cas de défaillance. Les programmes qui arrivent sur la cellule de banc d’essai avec un logiciel de commande non testé en paient le prix en temps de ralenti. Ceux qui arrivent avec un onduleur éprouvé consacrent ce temps à ce que seul le matériel en fonctionnement permet de mettre en évidence.

Ce qu'un banc d'essai de moteurs permet de démontrer et qu'une maquette ne peut pas

Un dynamomètre à moteur permet de valider l'ensemble du système électromécanique. Il relie la machine testée à un dispositif de charge par l'intermédiaire d'un arbre et d'un capteur de couple, puis mesure le couple, la vitesse, la puissance électrique et la température pendant le fonctionnement de l'entraînement. Vous obtenez ainsi des données sur le rendement, l'élévation de température, le bruit et les vibrations du matériel qui sera livré.

Prenons l'exemple d'une courbe de rendement pour une machine de traction. La cellule enregistre chaque point de vitesse et de couple jusqu'à ce que les températures se stabilisent, puis consigne la puissance transmise à l'arbre en fonction de la puissance électrique fournie par un analyseur de puissance. Le frottement des roulements, la dérive de température des aimants, les points chauds des enroulements et le débit du liquide de refroidissement apparaissent tous dans le résultat, car ils sont physiquement présents.

C'est cette précision que vous payez. Elle fixe également une limite, car un résultat au banc d'essai correspond à une configuration spécifique de la machine, à un rotor et à un circuit de refroidissement donnés. Si l'on modifie le bobinage ou la qualité des aimants, il faut alors valider à nouveau les résultats sur un nouveau matériel.

Quels sont les tests d'émulation de moteur qu'une cellule de banc d'essai atteint rarement ?

L'émulation de moteur permet de tester le variateur et son logiciel de commande par rapport à une machine qui existe sous forme de modèle. Un étage de puissance est connecté aux bornes de phase du variateur et absorbe les courants qu'une machine réelle absorberait, à pleine tension et à plein courant, tandis qu'un simulateur en temps réel calcule le comportement de la machine. Le rotor ne tourne pas ; il n'y a donc aucune contrainte mécanique qui limite les essais que vous effectuez.

Prenons l'exemple d'un court-circuit de phase ou d'une défaillance du capteur de position à pleine vitesse. Sur un banc d'essai, ce test risque d'endommager un prototype, un accouplement et parfois même la cellule elle-même ; les équipes ne le réalisent donc qu'une seule fois, voire ne le font pas du tout. Une machine émulée peut reproduire la même défaillance des dizaines de fois en un après-midi, avec un paramètre ajusté entre chaque essai.

Cette même liberté s'applique à la diversité des machines. Passer d'une machine à aimants permanents à une machine à induction revient à changer de modèle plutôt qu'à procéder à une refonte. Vous pouvez ainsi couvrir des tolérances d'inductance et des rotors partiellement démagnétisés qu'aucun prototype ne pourrait à lui seul représenter.

Ce à quoi vous renoncez, c'est tout ce qui est mécanique. L'émulation ne donne aucune indication sur les roulements, les contraintes subies par le rotor, le bruit acoustique ou la manière dont la chaleur s'échappe du boîtier.

« Aucun rotor ne tourne, donc aucun élément mécanique ne vient limiter vos essais. »

La principale différence entre les essais sur dynamomètre et l'émulation de moteur

La principale différence entre les essais sur dynamomètre et l'émulation de moteur réside dans ce qui se trouve de l'autre côté du variateur. Les essais sur dynamomètre font appel à une machine physique et à une charge mécanique ; ils permettent donc de valider l'ensemble du système d'entraînement. L'émulation de moteur utilise un étage de puissance exécutant un modèle de machine; elle permet ainsi de valider le variateur et ses commandes dans un éventail de conditions bien plus large.

Un programme nécessitant une précision de couple lors d'un étalonnage qu'il a déjà figé choisira la cellule. Un programme en cours de réglage des boucles de courant sur trois machines candidates choisira l'émulateur.

Combien coûte un essai sur dynamomètre pour moteur électrique par programme ?

Il n'existe pas de tarif unique pour les essais sur dynamomètre de moteurs électriques, car la facture dépend davantage du temps d'utilisation de la cellule, du matériel prototype et des changements de configuration que des essais eux-mêmes. Les laboratoires externes établissent leurs devis à la poste ou à la journée, et disposer de votre propre cellule dédiée constitue un projet d'investissement nécessitant des travaux d'aménagement spécifiques.

Un exemple simple permet de comprendre où va l’argent. Supposons qu’un programme comporte trois variantes de machines et que chaque changement de production nécessite deux jours pour la mise en place des gabarits, l’alignement des arbres et la remise en service. Cela représente six jours de temps de cellule réservés avant même qu’un seul nouveau point de données ne soit disponible. Ajoutez à cela un bug de contrôle qui interrompt les tests pendant un jour par variante, et vous obtenez neuf jours de travail qui n’ont produit aucun résultat concret. Ces chiffres sont donnés à titre d’exemple.

Les budgets ne laissent guère de marge pour ce genre de gaspillage. Aux États-Unis, les objectifs de coût pour les systèmes de traction passent de 4,00 $/kW en 2025 à 3,00 $/kW d’ici 2030, et les budgets de validation subissent la même pression. L’émulation de moteur implique un coût d’investissement propre, mais son coût d’exploitation par essai est faible, car il n’y a ni usure ni remontage à effectuer. 

« Les économies réalisées proviennent du fait d'arriver au banc d'essai avec moins d'inconnues. »

Quand un émulateur de moteur constitue la meilleure première étape

Un émulateur de moteur constitue la meilleure solution initiale lorsque le variateur est prêt avant la machine, ou lorsque la matrice d'essais est trop vaste pour être couverte par un seul prototype. Il permet de mettre en charge l'étage de puissance, de boucler les boucles de courant et de tester les protections à pleine puissance alors que les pièces mécaniques sont encore en cours de commande.

Cinq situations indiquent clairement qu'il faut d'abord recourir à l'émulation.

• Le prototype de la machine accuse un retard ou n'existe qu'en un ou deux exemplaires.
• Plusieurs types de machines ou variantes d'enroulement partagent un même variateur plateforme.
• Les réponses aux défauts doivent être testées de manière répétée à grande vitesse et à plein courant.
• Le logiciel de contrôle est encore en cours de mise au point et les tests de régression doivent être réexécutés automatiquement.
• Les points de fonctionnement requis dépassent la vitesse ou la puissance du banc d'essai disponible.

La fidélité du modèle de machine détermine la valeur de ces résultats. Un modèle à paramètres constants masquera la saturation magnétique et les harmoniques spatiales, de sorte que l'ondulation de courant et l'ondulation de couple apparaîtront plus nettes qu'elles ne le seraient sur le matériel. Les bancs d'émulation de moteurs OPAL-RT associent l'étage de puissance à des modèles de machines issus de la bibliothèque FPGA Electric Machine Library ; ainsi, le variateur est confronté à une machine virtuelle offrant davantage de détails qu'un ensemble fixe d'inductances.

Pour tout résultat de simulation, demandez quelles données de la machine ont servi à alimenter le modèle. Les données d'éléments finis ou les cartes de flux mesurées vous fourniront une réponse que vous pourrez défendre lors d'une revue de conception.

L'émulation de moteur peut-elle remplacer les essais au dynamomètre pour la validation finale ?

L'émulation de moteur ne peut pas se substituer aux essais au dynamomètre pour la validation finale, car les données relatives à la durabilité, aux caractéristiques thermiques et mécaniques ne peuvent être obtenues qu'à partir d'un matériel en rotation. Elle permet toutefois de réduire considérablement le nombre d'heures d'essais au dynamomètre consacrées aux travaux sur les onduleurs et les systèmes de commande, qui sont les tâches pour lesquelles la rotation de l'arbre est le moins nécessaire. La validation finale repose toujours sur le rendement mesuré, la précision du couple et l'endurance.

La durabilité en explique la raison. Aucun modèle de machine ne permet de garantir qu’un roulement, un système d’isolation des enroulements ou un rotor résistera à des années de cycles thermiques ; c’est pourquoi les essais d’endurance, les tests de stabilisation thermique et les mesures de bruit sont effectués en chambre climatique. Ces heures de test commencent désormais avec un onduleur dont les protections et les boucles de régulation ont déjà été testées, de sorte qu’une semaine d’essais d’endurance ne soit pas interrompue par un défaut logiciel.

Exécution des deux méthodes à la suite dans le cadre d'un programme e-drive

Les programmes qui s'exécutent sans problème lancent d'abord l'émulation, puis le banc d'essai, avec un transfert délibéré entre les deux. L'émulation permet de finaliser la conception matérielle du variateur, le réglage des commandes et la gestion des défauts. Le banc d'essai confirme ensuite le rendement, les limites thermiques et la durabilité sur l'unité d'entraînement réelle, sans que ces heures ne soient consacrées au débogage.

Ce transfert fonctionne quand on le met par écrit. Déterminez quels cas de test s’arrêtent sur l’émulateur, lesquels sont répétés sur le banc d’essai en tant que points de corrélation, et quel écart entre les deux vous êtes prêt à accepter. Une poignée de points de fonctionnement testés sur les deux bancs vous indique dans quelle mesure vous pouvez vous fier au modèle.

Nous constatons que cette rigueur porte ses fruits à travers de petits détails qui, mis bout à bout, font la différence. Les ingénieurs qui testent les onduleurs sur des machines virtuelles dans un banc d’essai OPAL-RT avant de réserver du temps sur le banc d’essai dynamique arrivent dans la cellule avec une liste de tests plus courte. Chaque test justifie son coût lorsqu’il répond à la question pour laquelle il a été conçu, et les bons programmes indiquent clairement quelle question ils cherchent à élucider cette semaine.