Analysis and diagnosis of faults in the PMSM drivetrains for series hybrid electrical vehicles (SHEVs)

par Seyed Saeid Moosavi Anchehpoli

Thèse de doctorat en Energie Electrique

Sous la direction de Abdesslem Djerdir.

Soutenue le 11-12-2013

à Belfort-Montbéliard , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; Dijon ; Belfort) , en partenariat avec IRTES. SET (laboratoire) et de Laboratoire Systèmes et Transports / IRTES - SET (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Analyse et diagnostic des défauts dans les chaînes de traction à MSAP pour les véhicules hybrides série


  • Résumé

    L'intérêt pour les véhicules électriques ne cesse de croitre au sein de la société contemporaine compte tenu de ses nombreuses interrogations sur l’environnement et la dépendance énergétique. Dans ce travail de thèse, nous essayons d’améliorer l’acceptabtabilité sociétale du véhicule électrique en essayant de faire avancer la recherche sur le diagnostique des défauts d’une chaine de traction électrique. Les résultats escomptés devraient permettre à terme d’améliorer la fiabilité et la durabilité de ces systèmes.Nous commençons par une revue des problèmes des défauts déjà apparus dans les véhicules hybrides séries qui disposent de l’architecture la plus proche du véhicule électrique. Une étude approfondie sur le diagnostic des défauts d’un convertisseur de puissance statique (AC-DC) ainsi que celle du moteur synchrone à aimants permanents est menée. Quatre types de défauts majeurs ont été répertoriés concernant le moteur (court-circuit au stator, démagnétisation, excentricité du rotor et défaut des roulements). Au niveau du convertisseur, nous avons considéré le défaut d’ouverture des interrupteurs. Afin d’être dans les mêmes conditions d’utilisation réelle, nous avons effectué des tests expérimentaux à vitesse et charge variables. Ce travail est basé aussi bien sur l’expérimentation que sur la modélisation. Comme par exemple, la méthode des éléments finis pour l’étude de la démagnétisation de la machine. De même, l’essai en court-circuit du stator du moteur en présence d’un contrôle vectoriel.Afin de réaliser un diagnostic en ligne des défauts, nous avons développé un modèle basé sur les réseaux de neurones. L’apprentissage de ce réseau de neurone a été effectué sur la base des résultats expérimentaux et de simulations, que nous avons réalisées. Le réseau de neurones est capable d'assimiler beaucoup de données. Ceci nous permet de classifier les défauts en termes de sévérité et de les localiser. Il permet ainsi d'évaluer le degré de performance de la chaine de traction électrique en ligne en présence des défauts et nous renseigner ainsi sur l'état de santé du système. Ces résultats devraient aboutir à l’élaboration d’une stratégie de contrôle tolérant aux défauts auto-reconfigurable pour prendre en compte les modes dégradés permettant une continuité de service du véhicule ce qui améliorera sa disponibilité.


  • Résumé

    The interest in the electric vehicles rose recently due both to environmental questions and to energetic dependence of the contemporary society. Accordingly, it is necessary to study and implement in these vehicle fault diagnosis systems which enable them to be more reliable and safe enhancing its sustainability. In this work after a review on problem of faults in the drivetrain of series hybrid electric vehicles (SHEV), a deep investigation on fault diagnosis of AC-DC power converter and permanent magnet synchronous motor (PMSM) have been done as two important parts of traction chains in SHEVs. In other major part of this work, four types of faults (stator winding inter turn short circuit, demagnetization, eccentricity ant bearing faults) of a PMSM have been studied. Inter turn short circuit of stator winding of PMSM in different speeds and loads has been considered to identify fault feature in all operation aspects, as it is expected by electric vehicle application. Experimental results aiming short circuits, bearing and eccentricity fault detection has been presented. Analytical and finite element method (FEM) aiming demagnetization fault investigation has been developed. The AC-DC converter switches are generally exposed to the possibility of outbreak open phase faults because of troubles of the switching devices. This work proposes a robust and efficient identification method for data acquisition selection aiming fault analysis and detection. Two new patterns under AC-DC converter failure are identified and presented. To achieve this goal, four different level of switches fault are considered on the basis of both simulation and experimental results. For accuracy needs of the identified pattern for SHEV application, several parameters have been considered namely: capacitor size changes, load and speed variations. On the basis of the developed fault sensitive models above, an ANN based fault detection, diagnosis strategy and the related algorithm have been developed to show the way of using the identified patterns in the supervision and the diagnosis of the PMSM drivetrain of SHEVs. ANN method have been used to develop three diagnosis based models for : the vector controlled PMSM under inter turn short circuit, the AC/DC power converter under an open phase fault and also the PMSM under unbalanced voltage caused by open phase DC/AC inverter. These models allow supervising the main components of the PMSM drivetrains used to propel the SHEV. The ANN advantages of ability to include a lot of data mad possible to classify the faults in terms of their type and severity. This allows estimating the performance degree of that drivetrains during faulty conditions through the parameter state of health (SOH). The latter can be used in a global control strategy of PMSM control in degraded mode in which the control is auto-adjusted when a defect occurs on the system. The goal is to ensure a continuity of service of the SHEV in faulty conditions to improve its reliability.


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