Moez HADJ KACEM #1, Souhir TOUNSI *2, Rfik NEJI #3

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1 International Conference on Green Energy an Environmental Engineering (GEEE-04) ISSN: Sousse, Tunisia - 04 Dimensionnement e la chaîne e traction un véhicule électrique oez HADJ KACE #, Souhir TOUNSI *, Rfik NEJI # #University of ax Laboratory of Electronic an Information Technology (LETI-ax), E.N.I.S Tunisia * Science an Technologies of Image an Telecommunications (SETIT), ISS Tunisia oez_haj_kacem@voila.fr souhir.tounsi@ise.rnu.tn rafik.neji@enis.rnu.tn Abstract A l'heure où l'automobile oit réponre à es enjeux environnementaux majeurs, le imensionnement e la chaîne e traction est l'une es problématiques clef ans la conception 'un véhicule électrique afin 'améliorer sa consommation énergétique. Dans ce conte, nous proposons e pré-imensionner les éléments e la chaîne e traction (machine électrique et batterie) en consiérant les profils e mission liés à l'usage u véhicule. Une chaîne e motorisation 'un véhicule tout électrique se compose classiquement un moteur électrique, 'un système électronique (alimentation et commane), un système e liaison mécanique (réucteur, ifférentiel et roues), figure I.. Keywors Véhicule électrique; convertisseur; énergie; chaîne e traction. Transmission mécanique I. INTRODUCTION Selon l Agence e l'environnement et e la aîtrise e l'energie (ADEE), le secteur es transports est fortement responsable e l'accroissement e la consommation 'énergie en rance, ainsi que es émissions e polluants et e gaz à effet e serre. Parmi les ifférents moes e transport, le transport routier représenterait à lui seul 80 % e la consommation 'énergie. Or, pour son fonctionnement, le secteur es transports est épenant à 98 % es prouits pétroliers (ADEE, 0) []. La recherche et le éveloppement ans le omaine automobile permet e faire es progrès techniques pour iminuer les consommations es véhicules et par conséquent les émissions e CO. En effet, à l heure où l automobile oit réponre à es enjeux environnementaux majeurs, le imensionnement es composants e la chaîne e traction est une problématique clef ans les systèmes électrique. La complexité e l architecture embarquée est accrue par rapport aux véhicules thermiques conventionnels et il evient primorial e imensionner correctement ces éléments afin 'assurer la fiabilité e l'architecture tout en iminuant sa consommation énergétique. II. SCHEA SYNOPTIQUE DE LA CHAINE DE TRACTION Les réalisations actuelles es véhicules électriques s'inspirent très fortement es structures propres aux véhicules thermiques. Le moteur thermique à combustion erne alimenté par un carburant stocké ans un réservoir (essence, iesel, gnv) est remplacé par un moteur électrique alimenté par une énergie électrique stockée ans es batteries 'accumulateurs électrochimiques. atterie s ig.. Com es errupteurs Com en couple Onuleur esur e oteur électrique Structure e la chaine e traction Réucte ur La chaîne e traction choisie est u type monomoteur, car le coût et la masse un seul moteur sont toujours plus faibles que ceux e plusieurs moteurs. L utilisation un réucteur est ans le but e réuire le couple imensionnant u moteur et par la suite sa masse et son coût. En plus, la commane un seul moteur évite le problème e érapage lors e la commane e plusieurs moteurs à la même vitesse []. A. atterie La batterie est un réservoir 'énergie électrique qui se compose e plusieurs éléments formés chacun 'une anoe, 'une cathoe, 'un séparateur convenable pour isoler électriquement les électroes à l'érieur, 'un électrolyte et 'un récipient. On istingue plusieurs types e batteries, mais pour les véhicules électriques actuels on utilise fréquemment les batteries Plomb-Acie et Nickel Camium []. Une batterie e traction oit satisfaire les conitions sues :

2 International Conference on Green Energy an Environmental Engineering (GEEE-04) ISSN: Sousse, Tunisia - 04 puissance massique élevée, afin e garantir e bonnes accélérations et reprises au véhicule, gran nombre e cycles charge/écharge sans égraation importante es performances, faible coût e prouction, sécurité 'emploi, pas e risque 'explosion ou e égagement e gaz nocifs, possibilité 'estimation précise e l'état e charge, possibilité e recharge rapie, bonne recyclabilité.. Convertisseur statique L actionneur peut être alimenté au moyen un onuleur e courant ou un onuleur e tension, mais pour une alimentation par batterie ans cette gamme e puissance, un onuleur e tension triphasé est une bonne solution. L onuleur permet l alimentation en courant à fréquence riable e la machine, e façon à régler son couple et sa vitesse. La commane électronique génère les signaux e commane e l onuleur à partir e la position u rotor et e la mesure es courants ans la machine. Pour notre application, nous pouvons alimenter le moteur par un onuleur e tension biirectionnel contrôlé en courant par moulation e largeur impulsion LI (igure ). Le contrôle es courants s effectue au moyen e régulateurs qui assurent le suivi une référence à fréquence et amplitue riables. La génération es courants peut être rectangulaire ou sinusoïale [-4]. principalement par l'effort à fournir et non par la puissance. Le réucteur fixe la limite e vitesse u véhicule en respectant la fréquence limite e commane (écoupage) e l'onuleur fixée à 8000Hz []. D. otorisation e la chaîne e traction La motorisation es véhicules a connu l'rouction e l'actionneur électrique sous plusieurs configurations allant u moteur à courant continu jusqu'à l'utilisation es moteurs synchrones à aimants permanents. Actuellement, les machines à courant continu à collecteur et particulièrement celles à excitation séparée, sont les plus utilisées ans le marché vu la simplicité utilisation et e commane grâce à un convertisseur électrique simple e type hacheur. ais les moteurs à courant continu présentent es limites qui ont conuit les inustriels à se iriger vers les machines triphasées, les machines asynchrones et les machines synchrones. achines asynchrones : C est une solution envisagée par e nombreux constructeurs [5]. On peut istinguer eux types e machines asynchrones, les machines à bagues et à cage écureuil. achines synchrones : Le principe e fonctionnement u moteur synchrone est analogue à celui u moteur à courant continu. Le stator e la machine comporte les enroulements es trois phases ont la commutation par l électronique e puissance sur la source à courant continu est assurée par un pont e puissance. On trouve, le moteur synchrone à rotor bobiné, le moteur synchrone à réluctance riable et le moteur synchrone à aimants permanents Notre choix s'est porté sur la motorisation 'un véhicule tout électrique e puissance moyenne 5kW ont l'actionneur est un moteur synchrone à aimants permanents à flux axial à force électromotrice (f.e.m) e forme sinusoïale. La technologie e commane est vectorielle imposant un couple optimal, le convertisseur est un onuleur e moulation e la largeur 'impulsion (LI). III. PRÉSENTATION DE LA ACHINE SYNCHRONE À AIANTS PERANENTS ig.. Ensemble convertisseur machine triphasé C. Réucteur mécanique La transmission mécanique un VE est la liaison entre le moteur et les roues. Nous pouvons envisager plusieurs possibilités associations éléments nécessaires à la transmission e la puissance qui sont le réucteur mécanique (à rapport fixe), la boite e vitesse et éventuellement le ifférentiel []. Le réucteur constitue un organe important e la chaîne e transmission mécanique, ou électromécanique, il permet en effet le plus souvent une économie très conséquente sur la masse u moteur ont les imensions sont éterminées Le moteur synchrone à aimants permanents, figure, ont la puissance électrique peut épasser Kw, est e plus en plus utilisé ans le omaine e vitesse riable. Son choix ans les entraînements à vitesse riable evient attractif et concurrent e celui es moteurs asynchrones et à courant continu grâce à l évolution e la technologie es aimants permanents à base alliage ou à terre rares [5]. Cela leur a permis être utilisés comme inucteur ans les machines synchrones offrant ainsi, par rapport aux autres types e machines, beaucoup antages, entre autres, une faible inertie et un couple massique élevé [5,6].

3 International Conference on Green Energy an Environmental Engineering (GEEE-04) ISSN: Sousse, Tunisia - 04 e : épaisseur e l'entrefer r : inuction rémanente es aimants K fu : coefficient u flux e fuites er aimants *Hauteur es ents H [5] H..N.N t..i.k f.lenc N t : nombre e ents principales I : courant u moteur K f : coefficient e remplissage es encoches N : nombre e spires une phase L enc : largeur es encoches δ : ensité u courant amissible ans le cuivre () ig.. oteur synchrone à aimants permanents à flux axial A. Equations e imensionnement e la structure retenue Les équations imensionnant l'actionneur sont retrouvées par application es lois fonamentales relatives à l'électromagnétisme, par exemple la hauteur 'aimant est calculée pour une position e recouvrement maximale aimantent pour garantir le fonctionnement u moteur en régime linéaire et pour avoir une inuction magnétique ans l'entrefer e. Ces équations relient les onnées liées aux matériaux, les onnées électriques et magnétiques u moteur pour fournir es équations qui éluent les imensions u moteur tout en respectant les contraes e l'application (igure 4). *Epaisseurs e la culasse rotorique H cr [5] S,Sa D D Kfu e Hcr in cr D : iamètre érieur u moteur D : iamètre érieur u moteur S : section es ents S a : section es aimants cr : l'inuction magnétique ans la culasse rotorique *Epaisseurs e la culasse statorique H [5] H e in S,Sa D D IV. ODELISATION DE LA CHAINE DE TRACTION INTEGRANT LES DEERANTES PERTES () (4) ig. 4. Dimensions géométriques e l'actionneur à aimants permanents On peut citer notamment les graneurs essentielles : *Hauteur 'aimant H a [5] r. e.e sue : Ha (I.) e () EI r - Cem Kfu µ r : la perméabilité relative es aimants e : inuction ans l'entrefer Grâce à la grane isponibilité géographique e l'énergie électrique et aux nombreux éveloppements technologiques, on trouve et on trouvera e plus en plus e machines électriques (vibreurs e téléphones, voitures électriques, propulsion nale, éoliennes, etc...). Ces actionneurs font tous ervenir es principes électriques, électromagnétiques et mécaniques qui s'accompagnent inévitablement e pertes [5,6]. A. Expression u couple électromagnétique Pour une alimentation en courant à amplitue maximale I, et en phase avec la f.e.m l'expression u couple éveloppé par le moteur à forme 'one sinusoïale est onnée par l'expression (5)

4 International Conference on Green Energy an Environmental Engineering (GEEE-04) ISSN: Sousse, Tunisia Constante électrique u moteur La constante électrique Ke est calculée e telle sorte que le véhicule électrique puisse fonctionner à vitesse stabilisée avec une faible onulation u couple. Ke N ( D ² D 4 ² ) ei C. orce contre électromotrice La force contre électromotrice E est éuite u moèle analytique, elle est onnée par la relation sue : E N E (D Ke ² D 8 D. orces appliquées au VE ²) e.. Les forces appliquées au véhicule, sont iniquées ans la figure 5 et le tableau. V. ODELE DU OTEUR DE TRACTION (6) (7) r ax ay az v.g.fr Cx ( r) Cy ( r) Cz( r) n.c rr Les composantes e la force motrice m, sont calculées à partir u bilan es forces appliquées. Si l'on suppose que toutes les forces sont ramenées au centre e gravité u véhicule, l'application u principe fonamental e la ynamique permet 'écrire l'équation vectorielle sue : m a p r m a p r D'après équation, l'effort nécessaire à l'ancement u véhicule peut s'écrire : véhicule a p v Jr n R² (9) (0) () () () On éuit l expression u couple total : C véhicule C roult JrV Ca Cp n R (4) rix riz r p a ax az i cg ca p v.g ig. 5. orces appliquées au véhicule TALE I DIENSIONS GÉOÉTRIQUES DE L'ACTIONNEUR Réaction tangentielle Réaction normale orce e réaction orce e pesanteur orce aéroynamique Traînée Portance orce inertie e translation Centre e gravité Centre e poussée aéroynamique E. oèle e calcul es pertes -Pertes Joule Dans une machine synchrone à aimants permanents, les pertes Joule liées au courant alimentation sont génératrices échauffements centralisés au niveau u stator, particulièrement ans les bobinages [7]. Les pertes par effet Joule avec es courants sinusoïaux sont onnées par l'expression sue : Pj.R ph.i eff imax ².Rph. R ph : la résistance une phase -Pertes fer La étermination es pertes fer ans les machines tournantes est encore aujour hui l un es aspects les moins bien maîtrisés en termes e moélisation [7]. Dans notre cas, nous consiérons que les pertes fer sont composées es pertes par hystérésis et es pertes par courant e oucault. Pour éluer ces pertes fer, nous proposons eux moèles. (5)

5 International Conference on Green Energy an Environmental Engineering (GEEE-04) ISSN: Sousse, Tunisia - 04 Pertes fer ans les ents P f _ q f 50.5 s Pertes fer ans la culasse P f _ c q f 50.5 Les figures (6) et (7) écrivent respectivement le moèle es pertes Joule et es pertes fer e notre actionneur sous l'environnement ATLA SIULINK. ig. 6. oèle es pertes Joule (6) (7) VI. CONCLUSION Dans cet article, nous avons présenté un moèle global e la chaîne e traction un véhicule électrique. Cette chaîne est constituée un moteur synchrone à aimants permanents et un convertisseur statique à errupteurs électromagnétiques. Ce trail est suivi une étue e la fiabilité u système ensemble. REERENCES [] J.P. YONNET : «Chaîne e traction u véhicule électrique : quelques exemples e réalisation» ; Journées électrotechniques u club EEA, 4 et 5 mars 994, Cachan, 9 p. []. Alaim et T.Communal «Approche Globale e la Commane Dynamique e achines Electrique» Revue EI, n 7, juin 999 ; pp7-79. [] S. A. Rani, «Conception Systématique e Chaînes e Traction Synchrones pour Véhicule Electrique à Large Gamme e Vitesse». Thèse e Doctorat, Institut National Polytechnique e TOULOUSE, 00. [4] R. NEJI, S. TOUNSI et. SELLAI: «Contribution to the efinition of a permanent magnet motor with reuce prouction cost for the electrical vehicle ropulsion»; European Transactions on Electrical Power (ETEP), 006, 6: pp [5]. HADJ KACE,«Conception es Composants Electriques e la Chaîne e Puissance 'un Véhicule Electrique»; Thèse e Doctorat 0. ENIS Tunisie. [6]. HADJ KACE, S.TOUNSI et R. NEJI: «Electrothermal oeling of Axial lux Permanent agnet Synchronous otor» ; th International conference on Sciences an Techniques of Automatic control & computer engineering December 7-9, 0, onastir, Tunisia. [7] N. JANIAUD : «oelisation Du Systeme De Puissance Du Vehicule Electrique En Regime Transitoire En Vue De L optimisation De L autonomie, Des Performances Et Des Couts Associes»; Thèse e Doctorat 0, E.PARIS SUD. ig. 7. oèle es pertes er