Simulation CEM pour automobile, limitations de l approche déterministe. Approches statistiques et orientation pluridisciplinaire

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1 2012 Simulation électromagnétique et complexité : avancées et défis Simulation CEM pour automobile, limitations de l approche déterministe. Approches statistiques et orientation pluridisciplinaire, Technocentre Renault DREAM / DELTA

2 Plan de la présentation 1) Rapide introduction sur les enjeux de la CEM automobile 2) Simulation CEM : éléments de retour d expérience, ou jusqu où peut-on aller avec des simulations déterministes? 3) Exemple d application d approches statistiques 4) Véhicules électriques : nouvelles problématiques multi-physiques 2

3 Avancement 1) Rapide introduction sur les enjeux de la CEM automobile 2) Simulation CEM : éléments de retour d expérience, ou jusqu où peut-on aller avec des simulations déterministes? 3) Exemple d application d approches statistiques 4) Véhicules électriques : nouvelles problématiques multi-physiques 3

4 Complexité de l électronique embarquée d une voiture Quelques chiffres 20 calculateurs embarqués, avec leurs capteurs et actionneurs Quelques 10 aines de petits moteurs DC Jusqu à plus d une 10 aine d antennes embarquées Jusqu à plus de 1000 fils au total, 1 à 2 km mis bout à bout Plus de 200 connecteurs, avec 6 à 10 connecteurs pour les plus gros ECU et plusieurs 10 aines de voies par connecteur Plusieurs bus de communication (CAN, LIN, bientôt bus à très haut débit ) 4

5 Exemple du contrôle moteur essence Système embarqué : Ensemble capteur calculateur actionneur bus de communication D après :Systèmes Electroniques Embarqués et Transport, P. Louvel, Dunod (2006) 5

6 Facteurs d accroissement de la complexité Contraintes environnementales de plus en plus fortes Optimisation du contrôle moteur (CO 2 /km et émissions de particules) Electrification des systèmes de propulsion Micro-hybrid / mild-hybrid / full-hybrid Tout électrique Évolutions technologiques Systèmes embarqués de plus en plus perfectionnés (enrichir l offre au client) Sécurité (airbags, ABS-ESP, 4RD ) Aide à la conduite (ACC, LSF, LDW, BSD ) Confort (multimédia, navigation, connectivité, FPA, RKE, TPMS, sièges électriques ) Avènement de la mécatronique Amélioration du niveau d intégration Amélioration en précision et rapidité Avènement du X-by-wire Allègement Nouvelles architectures 6

7 CEM automobile : enjeux Processus CEM classique Phase préventive Spécifications Essais unitaires & rapports Investigation / validation sur proto Homologation sur véhicule CdC constructeur Support normatif Expérience du métier Analyse des technos Évolution du contexte industriel : temps de développement des nouveaux projets nombre de prototypes physiques complexité des systèmes électroniques embarqués Introduction permanente d innovations technologiques Diversité des véhicules (caisse, moteur, équipements, câblage, config. de test) Gestion des obsolescences, modularité, organes multi-plateformes La simulation numérique est un élément majeur de la solution 7

8 Avancement 1) Rapide introduction sur les enjeux de la CEM automobile 2) Simulation CEM : éléments de retour d expérience, ou jusqu où peut-on aller avec des simulations déterministes? 3) Exemple d application d approches statistiques 4) Véhicules électriques : nouvelles problématiques multi-physiques 8

9 Simulation CEM : assemblage complexe de données 9

10 Méthodes numériques et workflow de simulation Calcul électromagnétique 3D (méthode des moments) Champs électriques tangents au parcours des câbles Situation présentée : Immunité rayonnée 1 MHz 300 (500 MHz) Modèle de couplage d'agrawal Calcul électrostatique 2D Modèles de lignes de transmission multifilaires 10

11 Illustration de l état de l art interne Renault Balayage par essai virtuel d un maximum de configurations de tests pour limiter le nombre d essais physiques Modèles d équipements simplistes Imc (db) Modèles de faisceaux uniformes 11

12 Outil d exploration systématique des configurations déterministes simulées 12

13 Quel bilan aujourd hui? Importance du niveau d automatisation du pré-traitement Méthodes de simulation robustes dans la plage fréquentielle visée Nécessité de modèles équivalents CEM d équipements Développement et partage de méthodologies robustes Mise à disposition efficace de bases de données de modèles Obligatoire pour traiter le multi-échelle (PCB dans le véhicule avec le câblage) Le processus présenté mobilise énormément de moyens => il faut mieux rentabiliser les heures HPC et les h.j En particulier pour les cas de remplacement ou évolution d organe Nécessité de prendre en compte l aspect statistique Des méthodes efficaces sont nécessaires ( Monte-Carlo) La prise en compte de l aléatoire doit devenir un acquis en simulation CEM Besoin de méthodes adaptées aux couplages à plus haute fréquence (typiquement > 1 GHz) 13

14 Le HPC n est qu une (petite) partie de la solution La montée en puissance HPC servira essentiellement à traiter de plus en plus vite les cas présentés précédemment Le HPC ne résoudra que partiellement les problèmes de montée en fréquence Computation effort for available techniques Currently unreachable on actual full car scale Accurate simulation results are possible Model complexity increases Uncertainty must be introduced Deterministic approach is useless Brute-force methods become ineffective Frequency 100 khz 10 MHz 100 MHz 1 GHz 10 GHz 14

15 Avancement 1) Rapide introduction sur les enjeux de la CEM automobile 2) Simulation CEM : éléments de retour d expérience, ou jusqu où peut-on aller avec des simulations déterministes? 3) Exemple d application d approches statistiques 4) Véhicules électriques : nouvelles problématiques multi-physiques 15

16 Effet de la dispersion des paramètres d un perturbateur sur la corrélation entre essais d émission table/véhicule ρ = V V T V T ( ) LV L min ρ. Multipolar modelization of EMC emission tests setup for automotive vehicle, Aguerre, Bunlon, Hélier, Drouin, EMC Europe

17 Validation de modèles d entrelacement aléatoire de câbles dans les faisceaux pour les essais en émission sur table A study of stochasticity effects of cable bundles in automotive EMC problems, Yavolovskaya, Iosava, Sukhiashvili, Injgia, Jobava, Bunlon, Klingler, EMC Europe 2010 Dispersion moyenne Simu 12 db Mesure 14 db Dispersion moyenne Simu 16 db Mesure 17 db Measurements Simulation 0 Measurements Simulations Transmission coefficient [db] Frequency [MHz] Transmission coefficient [db] Frequency [MHz] 17

18 Etude en IR d une liaison PWM de commande de climatisation ; PCB réel intégré dans une caisse en blanc X Actuellement non diffusable 18

19 Résultat : prédiction des occurrences de défaut avec prise en compte de l enroulement aléatoire du faisceau X Actuellement non diffusable 19

20 Avancement 1) Rapide introduction sur les enjeux de la CEM automobile 2) Simulation CEM : éléments de retour d expérience, ou jusqu où peut-on aller avec des simulations déterministes? 3) Exemple d application d approches statistiques 4) Véhicules électriques : nouvelles problématiques multi-physiques 20

21 Vue système d une chaîne de traction électrique CdC GMPE Conso, autonomie Perfo (vit, accel, couple ) Coût, PRF Volume, masse Contraintes Profil route, T, NVH, tenue méca, CEM ECU supervision du GMPE Frein Accélération Accessoires Gestion batterie Roues Batterie (source d'énergie) "Aiguillage" Convertisseur pour commande machine Moteur électrique Réducteur - transmission Chargeur sur source d'énergie extérieure Consommateurs auxiliaires : 14V, clim, GMV (incorporent des convertisseurs) 21

22 Mise en évidence de différents niveaux d analyse 1) Chargeur 2) Junction box 3) Bloc convertisseurs 4) Réducteur 5) Machine électrique 22

23 Exemple d analyse de sensibilité au niveau du système de la chaîne de traction Funato, Shao, Overview of component level EMC characteristics for HEV application, IEEE Int. Symp. On EMC,

24 Intégration électronique au niveau des convertisseurs Forte proximité entre module de puissance d IGBT, cartes électroniques de commande, composants de puissance, système de refroidissement, bus bars Exemple d état de l art : module Infineon Hybrid pack 2 (images issues des datasheet) 24

25 Illustration des problèmes pluri-disciplinaires Situation : boîtier contenant plusieurs organes de conversion Pour des raisons d encombrement, le routage du bus bar est modifié, l orientation d un module est modifé Quelle incidence sur la CEM intra-boîter, hors boîtier? La CEM n est pas la seule contrainte. Ex : thermique aussi Ambiance EM avec le design initial Modification du bus bar. < 2 semaines pour donner un avis CEM. Le spécialiste thermique doit aussi se prononcer. Plusieurs occurences durant le déroulement du projet. 25

26 Merci de votre attention *** Questions & discussion 26

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