En quoi la simulation HIL en temps réel est-elle utile pour les essais des onduleurs de traction ?

Principaux enseignements

• Le HIL en temps réel fournit aux équipes chargées des onduleurs de traction des données en boucle fermée avant les essais au banc, ce qui permet d'éviter les retouches de dernière minute au niveau des commandes, des capteurs et des dispositifs de protection.
• L'intérêt des tests sur onduleur augmente considérablement lorsque la fidélité de la simulation, le niveau de détail de la commutation et les marges de latence correspondent au comportement du contrôleur que vous cherchez à valider.
• Un plan de validation par étapes, qui commence par les défauts sensibles au temps, permettra d'établir des critères de réussite plus fiables qu'un processus axé d'abord sur les tests au banc, qui attend que les défauts couplés apparaissent ultérieurement.

La simulation HIL en temps réel vous offrira la voie la plus rapide et la plus fiable pour valider le convertisseur de traction avant de passer aux essais au banc et sur véhicule.

Un onduleur de traction associe le code de commande, les composants de commutation, les capteurs et les caractéristiques physiques du système ; par conséquent, les défauts restent rarement isolés. Les alimentations de banc d’essai et les charges statiques permettent de vérifier le fonctionnement de base, mais elles ne permettent pas de mettre en évidence les interactions entre les commandes de couple, la chute de tension du bus CC, la dérive de l’estimateur et la logique de protection lors du démarrage ou de la régénération. Les ventes de voitures électriques ont dépassé les 17 millions en 2024, ce qui a porté les VE à plus de 20 % des ventes mondiales de voitures et a accru la pression sur les équipes de validation pour détecter les défauts plus tôt. Les tests HIL en temps réel se sont imposés dans le flux de test principal, car ils permettent de faire fonctionner le contrôleur sur un modèle d’installation en temps réel et d’évaluer les limites de temps avant tout dommage matériel ou toute nouvelle série d’essais au banc.

Le HIL en temps réel comble la principale lacune dans les essais des onduleurs de traction

« Le HIL en temps réel comble le fossé entre les essais statiques des onduleurs et la validation complète du groupe motopropulseur, car il maintient le contrôleur dans la boucle tandis que le moteur, la batterie et la charge du véhicule sont simulés à la vitesse d'exécution. »

Un banc d'essai permet de vérifier la sortie PWM, la mise à l'échelle du capteur de courant et la séquence de commutation des contacteurs. Le même contrôleur, dans un environnement HIL, peut être confronté à une accélération brusque, à une chute de tension du bus provenant d'un modèle de batterie et à une inversion du sens de rotation du moteur pendant la régénération. Cette séquence mettra en évidence le retard de l'estimateur, le dépassement de couple ou les déclenchements intempestifs des protections, que l'on ne peut jamais observer dans un environnement statique.

Cette différence est importante, car les défaillances tardives des onduleurs proviennent rarement d'un seul bloc. Elles résultent d'interactions entre les boucles de régulation, la synchronisation et les limites des étages de puissance. En testant ces interactions à un stade précoce, vous réduirez les retouches nécessaires au niveau de l'étalonnage, des seuils de protection et des scripts de test avant que le banc d'essai ne devienne le premier endroit où une défaillance couplée se manifeste.

Les essais au banc ne permettent pas de détecter les défauts de commande qui surviennent lors de transitoires de charge

Les essais au banc ne permettent pas de détecter les défauts survenant lors de transitoires de charge, car la plupart d'entre eux réduisent le système à une source d'énergie et à une charge passive. Cette configuration permet de vérifier les fonctions de base de commande et de protection, mais elle ne reproduit pas le mouvement du rotor, la force contre-électromotrice, les variations de charge des pneus ni les inversions de couple de régénération.

Prenons l'exemple d'un véhicule qui sort d'une phase d'accélération brusque et passe en mode de régénération alors que la batterie est faiblement chargée. La tension du bus CC augmente, le sens du courant de phase s'inverse, et le logiciel de contrôle dispose de quelques millisecondes pour limiter le couple sans déclencher les protections matérielles. Un banc d'essai statique peut mettre en évidence les limites de courant, mais il ne permettra pas d'observer comment la boucle de vitesse, l'observateur et le contrôleur de bus réagissent lorsque le modèle de la machine s'oppose à la commande.

Ce sont là les défauts qui font perdre du temps sur le banc d'essai. Les équipes passent souvent des jours à se demander si le problème provient du micrologiciel, des capteurs ou du circuit de puissance, car les données initiales du banc d'essai ne fournissaient pas de contexte système. La simulation HIL vous apporte ce contexte manquant avant les essais à haute puissance, ce qui permet de cerner plus rapidement la cause première et de tirer parti des résultats de vos essais.

Une configuration HIL efficace pour un onduleur de traction commence par une reproduction fidèle du système réel

La mise en place d'un banc d'essai HIL pour un onduleur de traction commence par la fidélité du système simulé, car le contrôleur ne peut être évalué qu'en fonction des lois physiques que vous simulez. Le modèle minimal utile doit prendre en compte la réponse de la batterie, celle du circuit intermédiaire en courant continu, la dynamique du moteur, les chaînes de mesure et la synchronisation des E/S qui les relie à l'unité de commande.

Une configuration utile pour le développement de véhicules électriques comprend généralement un modèle de batterie avec chute de tension, un modèle de moteur avec force contre-électromotrice dépendante de la vitesse, ainsi qu’une émulation de capteur avec décalage ou bruit. Si votre contrôleur estime la position du rotor à partir de mesures de phase, le modèle doit fournir à cet estimateur des transitoires réalistes plutôt que des formes d’onde idéales.

La fidélité ne signifie pas nécessairement un niveau de détail maximal dans tous les cas. Le niveau de détail est nécessaire là où la réponse du contrôleur en dépend, notamment en ce qui concerne le temps mort, la reconstruction du courant, le retard du résolveur et la synchronisation des contacteurs.

L'injection de défauts devrait se concentrer en priorité sur les limites de temps

L'injection de défauts doit commencer par les contraintes de synchronisation, car les défaillances des onduleurs de traction surviennent souvent lorsqu'une commande valide arrive trop tard, qu'une mesure accuse un retard d'un échantillon ou que la protection met un cycle de trop. Ces limites de synchronisation compromettent la stabilité du contrôle bien avant que des défauts catastrophiques n'apparaissent sur le banc d'essai.

Une première analyse pratique porte généralement sur cinq cas qui mettent à rude épreuve le contrôleur là où il est le plus vulnérable.

• Chute de tension du bus CC lors d'une demande de couple maximal
• Décalage du capteur de courant à l'approche d'une inversion de phase du courant
• Perte de signal du résolveur ou du codeur pendant l'accélération
• Temporisation de l'inhibition de la grille après détection d'une surintensité
• Fluctuation de la communication entre le système de contrôle de supervision et le contrôleur du variateur

Ces cas sont importants car ils mettent en évidence la frontière entre une reprise stable et un contrôle instable. Un test de chute de tension sur bus permettra de vérifier si la limitation de couple, le contrôle du courant et la logique de protection fonctionnent de manière cohérente en situation de contrainte. Une fois ces limites clairement établies, les campagnes de test de défauts menées par la suite s'avèrent plus utiles, car vous testez d'abord les priorités.

Les programmes d'onduleurs au SiC nécessitent des modèles de commutation plus rapides

Les programmes d'onduleurs au SiC nécessitent des modèles de commutation plus rapides, car les composants varient le courant et la tension si rapidement que des hypothèses de modélisation trop approximatives masquent le comportement que vous devez valider. Si votre pas de simulation, votre chemin de signal ou votre représentation du temps mort sont trop approximatifs, l'équipe de contrôle validera des résultats qui ne seront pas compatibles avec le matériel.

C'est d'autant plus important avec le SiC que le carbure de silicium peut supporter des champs électriques près de 10 fois plus élevés que le silicium, ce qui permet une commutation plus rapide et des marges de synchronisation plus serrées. Une boucle de courant réglée sur un ancien modèle d’onduleur peut sembler stable à une fréquence modérée, puis présenter des ondulations ou des déclenchements intempestifs dès lors qu’un étage de puissance au SiC commute bien plus rapidement que ne le permettaient les hypothèses initiales.

Il n’est pas nécessaire de disposer d’un modèle de simulation pour chaque dispositif. Il faut toutefois disposer de suffisamment de détails sur les commutations pour prendre en compte les effets de temps mort, les fenêtres d’échantillonnage du courant et les délais de protection. Les équipes qui négligent cette étape se retrouvent généralement contraintes de réajuster les filtres et les seuils après la livraison du matériel, alors que chaque réinitialisation et chaque nouveau test prennent beaucoup plus de temps en laboratoire.

Les budgets de latence déterminent la signification réelle des résultats fournis par votre onduleur

Les budgets de latence influencent les résultats des onduleurs, car chaque échantillonnage, chaque délai de transmission, chaque étape du solveur et chaque conversion d'E/S modifie la perception que le contrôleur a de l'installation. Si l'on ne tient pas compte de ces délais, un onduleur de traction stable en HIL peut devenir instable sur le matériel, ou une conception peu performante peut sembler correcte en laboratoire.

Prenons une boucle de courant conçue pour une période de commande de 50 μs. Si l'on ajoute à cela le retard du solveur, le retard des entrées analogiques, le retard des sorties d'impulsions et la gigue des tâches, la boucle peut perdre sa marge de phase avant même que l'on s'en aperçoive. Les courbes restent nettes sous une charge modérée, mais des oscillations apparaissent dès que la vitesse augmente et que la tension du bus chute.

« Le travail sur la latence est moins prestigieux que celui sur les modèles, mais c’est lui qui permet de comprendre la signification de vos résultats. »

Il vous faut définir un budget précis pour les capteurs, le calcul et les actionneurs, ainsi que des limites d'acceptation liées à la bande passante du contrôleur. Les équipes qui définissent ces limites dès le début auront confiance dans leurs critères de réussite des tests HIL et passeront moins de temps à remettre en cause le banc d'essai.

Les chaînes d'outils ouvertes permettent de réduire les retouches à toutes les étapes du développement des véhicules électriques

Les chaînes d'outils ouvertes permettent de réduire les retouches, car le développement des onduleurs de traction fait intervenir plusieurs équipes travaillant sur les commandes, les modèles d'installation, automatisation et l'analyse des données. Une plateforme qu'OPAL-RT est particulièrement adaptée lorsqu'elle prend en charge les modèles standard et les flux de travail de laboratoire, ce qui vous permet d'assurer la cohérence de vos ressources de test, depuis les premiers contrôles des contrôleurs jusqu'aux tests de régression.

Imaginez un programme dans lequel les ingénieurs en contrôle-commande règlent le contrôle orienté champ, les ingénieurs d'essais créent des séquences de défauts automatisées et les responsables des systèmes comparent les révisions selon les différents états du véhicule. Si chaque étape nécessite un nouveau format de modèle ou une couche d'interface personnalisée, l'équipe consacre son Énergie des signaux plutôt qu'à la validation du variateur. Les interfaces ouvertes permettent de conserver la même intention de test d'une étape à l'autre.

C'est important, car les retouches se cachent souvent dans des connecteurs créés manuellement, les limites des tableurs et les scripts ponctuels. Lorsque la chaîne d'outils prend en charge vos modèles existants et automatisation , vous pourrez réexécuter les cas plus rapidement, gérer clairement les versions des résultats et détecter les régressions avant qu'elles n'affectent la planification des essais au banc.

Un plan de validation par étapes permet de réduire les risques avant les essais au banc d'essai

Un plan de validation par étapes permet de réduire les risques avant les essais au banc, car il adapte l'exhaustivité des tests au niveau de maturité technique. On commence par des contrôles de cohérence, puis on passe aux cas transitoires et aux cas de protection, avant d'étendre la couverture temporelle et la couverture des défauts jusqu'à ce que l'onduleur de traction ait validé son fonctionnement à pleine puissance, avec des critères de réussite clairs et des preuves traçables.

Un scénario pratique commence par des vérifications de mise à l'échelle des capteurs et de synchronisation, puis intègre des étapes de couple en boucle fermée, des transitions de régénération, des perturbations du bus CC et la réinitialisation des protections. Le banc d'essai n'intervient qu'une fois que le contrôleur a déjà résisté aux cas de défaillance les plus susceptibles d'endommager le matériel ou de bloquer le débogage. Cette séquence permet de réserver les équipements coûteux aux questions auxquelles seul le matériel de puissance physique peut répondre.

Pour que les essais sur les onduleurs soient concluants, il faut un enchaînement rigoureux des étapes et des preuves claires. Les équipes qui considèrent la validation en laboratoire (HIL) comme une étape formelle de validation abordent les essais au banc avec moins de controverses concernant la fiabilité des modèles, le timing et l’intention de protection. C’est pourquoi les équipes qui travaillent avec OPAL-RT utilisent la simulation en temps réel comme une étape de vérification de la qualité d’exécution, et non comme un simple outil de présentation.