EP4315590A1 - Procédé de sélection d'une fréquence de découpage d'un onduleur contrôlant une machine électrique et dispositif correspondant - Google Patents

Procédé de sélection d'une fréquence de découpage d'un onduleur contrôlant une machine électrique et dispositif correspondant

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EP4315590A1
EP4315590A1 EP22717238.4A EP22717238A EP4315590A1 EP 4315590 A1 EP4315590 A1 EP 4315590A1 EP 22717238 A EP22717238 A EP 22717238A EP 4315590 A1 EP4315590 A1 EP 4315590A1
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EP
European Patent Office
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inverter
frequency
electric machine
switching frequency
current
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP22717238.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Gang Yang
Radu Fratila
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Nidec PSA Emotors SAS
Original Assignee
Nidec PSA Emotors SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Nidec PSA Emotors SAS filed Critical Nidec PSA Emotors SAS
Publication of EP4315590A1 publication Critical patent/EP4315590A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/22—Current control, e.g. using a current control loop
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/28—Controlling the motor by varying the switching frequency of switches connected to a DC supply and the motor phases
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility

Definitions

  • the present invention relates to the control of an inverter used to control an electric machine, in particular a rotary electric machine.
  • the invention finds a preferential application in the control of an inverter controlling an electric traction machine of an electric motor vehicle.
  • the inverter is a device that generates alternating current from direct current from an electrical source such as a battery.
  • Inverters comprise a power stage comprising, for example, power modules, and more generally the power electronics of the inverter.
  • the power stage includes a set of electronic switches.
  • IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors
  • MOSFET insulated gate field effect transistors
  • SiC Silicon Carbide
  • the inverter thus operates at a given switching frequency (also called switching frequency).
  • switching frequency also called switching frequency
  • the switches of the inverter cause switching power losses when they pass from the open state to the closed state and vice versa, and conduction losses.
  • the conduction and switching losses in the inverter are proportional to the chopping frequency.
  • a suitable choice of the modulation frequency makes it possible to improve the power efficiency of the assembly comprising the inverter and the electrical machine that it controls.
  • the document US20130169206 proposes to apply different switching frequencies to an inverter controlling a rotating electric machine according to the current operating point (that is to say at the moment considered) in a map having as parameters the rotational speed of the electric machine (also called engine speed) and the torque setpoint that said electric machine must provide.
  • the map comprises four parts in the nominal operating zone of the electrical machine, that is to say in the speed and torque zone for which the machine has been dimensioned so as to operate there in a current and reliable manner.
  • document CN110138284 discloses the application of a strategy for varying the switching frequency, between different predefined switching frequencies, according to the speed of the electrical machine and the torque or current intensity setpoint.
  • the switching frequency increases as a function of the speed of the electric machine, and can adopt six increasing values each adapted to a range of speed values.
  • variable switching frequency is advantageous not only to improve power efficiency, but also to avoid a overheating of the inverter, in particular of its power stage and in particular of the switches of the inverter, in particular at low speed and/or high torque of the electric machine. Indeed, in a situation of low speed under high torque setpoint resulting in a high intensity electric current, the switching losses are significant, while a low chopping frequency would be sufficient to obtain sufficient responsiveness in the control of the machine. electric. As a corollary, limiting the risk of the inverter overheating also allows the inverter to be sized as accurately as possible, which limits its cost and weight.
  • the present invention therefore aims to propose a solution making it possible to apply a variable chopping frequency strategy to an inverter, while limiting the disadvantages and risks in terms of NVH of such a strategy.
  • the present invention thus relates to a method for selecting a switching frequency for its application to an inverter controlling a rotating electrical machine.
  • the switching frequency is chosen from among several predetermined frequencies according to the position, in a map, of a current operating point of the assembly consisting of the electrical machine and the inverter.
  • This mapping has at least as a parameter the speed of rotation of the electric machine or the frequency of the electric current which is applied to it.
  • the chopping frequency is also chosen according to a parameter representative of a thermal condition of the electronic switches contained in the inverter.
  • the mapping may further comprise as a parameter the torque setpoint to be applied to the electric machine or the current intensity setpoint to be applied to the electric machine by the inverter.
  • the invention is applicable with a very simple map, namely a map having as sole parameter the speed of rotation of the electric machine or the frequency of the alternating current at the output of the inverter, taking into account a second parameter in the construction of the map makes it possible to further limit the occurrences of a change in switching frequency, while maintaining a variable switching frequency strategy allowing in particular effective protection of the inverter against overheating and a certain optimization of the power output.
  • the parameter representative of the thermal condition of the switches of the inverter can be a measured temperature of said switches or an estimated temperature of the switches on the basis of the operating parameters of the inverter during the time.
  • the parameter representative of the thermal condition of the switches can be a function of the current voltage of a supply battery of the inverter and of the electric machine and of a temperature of a coolant present in an inverter cooling circuit.
  • thermal condition we mean in particular a temperature, a temperature range, and/or a temporal thermal gradient of the switches of the inverter.
  • the parameter representative of the thermal condition of the switches of the inverter can be any parameter, or the result of any function, which makes it possible to approach the current and or future temperature of the switches of the inverter, with an accuracy sufficient to characterize a risk of overheating, and in this case apply a suitable switching frequency.
  • the chopping frequency can be chosen from among three different chopping frequencies, namely a first chopping frequency, a second chopping frequency, and a third switching frequency.
  • the map can define three parts in the nominal operating zone, namely a first part, a second part and a third part, and
  • the first switching frequency is chosen
  • the second chopping frequency is chosen or the third chopping frequency is chosen, depending on the parameter representative of the thermal condition of the electronic switches that the inverter contains, and - when the current operating point of the assembly formed by the electrical machine and the inverter is located in a third part, the third chopping frequency is chosen.
  • the first part of the map may correspond to the part of the nominal operating zone situated up to a first threshold of rotational speed of the electric machine or of frequency of the electric current which is applied to it.
  • the second part of the map may correspond to the part of the nominal operating zone located above the first threshold of rotational speed of the electric machine or frequency of the electric current applied to it and above a threshold current intensity setpoint to be applied to the electrical machine or torque setpoint.
  • the third part of the map may correspond to the part of the nominal operating zone located above the first threshold of rotational speed of the electric machine or frequency of the electric current applied to it and which extends to the current intensity setpoint threshold to be applied to the electrical machine or torque setpoint.
  • the first part of the map may correspond to the part, on the map, of the nominal operating zone situated up to a first threshold of rotational speed of the electric machine or of frequency of the electric current which is applied to it.
  • the second part of the map may correspond to the part of the nominal operating zone located above the first threshold of rotational speed of the electric machine or frequency of the electric current applied to it and which extends up to a second threshold speed of rotation of the electric machine or frequency of the electric current applied thereto.
  • the third part of the map may correspond to the part of the nominal operating zone situated above the second threshold of rotational speed of the electric machine or of frequency of the electric current which is applied to it.
  • the first chopping frequency is lower than the second chopping frequency
  • the second chopping frequency is lower than the third chopping frequency
  • the first switching frequency can be between 4 kHz and 6 kHz, for example equal to 5 kHz
  • the second switching frequency can be between 6 kHz and 9 kHz, for example equal to 8 kHz
  • the third chopping frequency can be between 9 kHz and 12 kHz, for example equal to 10 kHz.
  • the second chopping frequency is chosen if the temperature of the coolant in inverter input is above a value predefined voltage between 50°C and 90°C, for example 70°C, and if the battery voltage is higher than a predefined voltage between 300V and 380V, for example 340V, and the third switching frequency is chosen if these conditions are not met.
  • the application of the second chopping frequency can thus be conditioned by a simple rule based on the voltage of the battery and on the temperature of the liquid in the cooling circuit of the inverter, typically measured at the input of the inverter. A more elaborate function of these two parameters can advantageously be employed.
  • a certain coolant temperature threshold for example 50° C.
  • the higher the temperature of said coolant the higher the voltage threshold taken into consideration for the application of the second frequency of cutting decreases.
  • a fourth switching frequency is chosen, the fourth switching frequency being greater than the third switching frequency.
  • the fourth frequency can for example be between 10 kHz and 15 kHz, for example 13 kHz.
  • the fourth switching frequency intended in particular for situations of overspeed of the electric machine, is only used in exceptional situations.
  • the invention also relates to a method for controlling an inverter controlling a rotary electrical machine, said control method comprising the steps of: - implementing a method for selecting a chopping frequency as described below above,
  • the invention also relates to a device comprising an inverter and a rotary electrical machine controlled by the inverter, the inverter comprising an electronic control device configured to select a chopping frequency by implementing a method as described above. , and to apply the selected switching frequency to the inverter.
  • the invention finally relates to an electric motor vehicle comprising such a device.
  • the automotive field thus constitutes the preferred field of application of the invention.
  • NVH performance is important for the user of a vehicle.
  • the invention allowing the inverter to be sized as accurately as possible (in that it is not necessary to oversize the power stage of the inverter to allow its use under exceptionally unfavorable conditions in the operating zone where the use of a lower switching frequency makes it possible to guarantee its integrity), the economic and mass gains, even if they may appear moderate on the scale of a single chain of electric traction, are very important on the scale of several thousands (even millions) of vehicles.
  • FIG. 1 shows a map of the operation of an assembly comprising an inverter and an electrical machine controlled by the inverter, which can be used in a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a map of the operation of an assembly comprising an inverter and an electrical machine controlled by the inverter, which can be used in a second embodiment of the invention
  • FIG. 1 represents a map of the operation of an assembly comprising an inverter and an electrical machine controlled by the inverter, which can be used in a first embodiment of the invention.
  • This mapping comprises two parameters, each parameter defining a dimension of the mapping.
  • the first parameter taken into account is the speed of rotation or speed N of the electric machine controlled by the inverter, or the frequency Fe of the electric current applied to the electric machine.
  • the second parameter of the map is the intensity setpoint I of the current to be applied to the electric machine, or the torque setpoint C supplied to the inverter with a view to its application to the electric machine.
  • the nominal operating zone of the assembly comprising the inverter and the electrical machine is delimited on the map represented by a boundary B.
  • a first switching frequency Fs1 a second switching frequency Fs2, a third switching frequency Fs3 and a fourth switching frequency Fs4, such that: Fs1 ⁇ Fs2 ⁇ Fs3 ⁇ Fs4.
  • Fs1 5kHz.
  • the first switching frequency Fs1 is a low switching frequency used for the low rotational speeds of the electric machine (or the low frequency currents applied by the inverter to the electric machine).
  • the first chopping speed is chosen and applied, in the example represented, in a first part of the map P1 , for any speed of rotation of the electric machine or any frequency of the current applied to the electric machine less than or equal to a first threshold Th1 (for example 300 revolutions per minute if the engine speed is considered as the first parameter).
  • the first switching frequency offers sufficient responsiveness and sampling possibility to the system in this low speed range of the electric machine, while limiting the switching losses of the inverter, which could cause significant heating of the inverter in the event of a high torque setpoint, which is frequent when starting an electric vehicle.
  • the third switching frequency Fs3 is the default switching frequency of the inverter considered.
  • the second switching frequency Fs2 is a reduced frequency compared to the default switching frequency Fs3.
  • the purpose of the second chopping frequency Fs2 is to allow the use of a high current when using extreme conditions, without causing the electronic switches of the inverter to overheat.
  • the third chopping frequency Fs3 is chosen and applied in a third part P3 of the mapping.
  • the third part P3 extends over a wide range of rotational speeds located above the first threshold Th1 and up to the maximum rotation speed Thm (in the nominal operating zone).
  • the third part P3 is also limited according to a limit of the second parameter of the map, namely by a setpoint intensity threshold Is of the electric current to be applied to the electric machine (or by the threshold of corresponding torque setpoint).
  • the third part P3 is located below and up to this intensity setpoint threshold Is.
  • the map presented in FIG. 1 finally comprises, in the nominal operating zone, a second part P2 located above the first threshold Th1 of the first parameter of the map, and above the intensity setpoint threshold Is (or of the corresponding torque setpoint threshold). Due to the boundary B of the nominal operating zone, the second part P2 extends incidentally up to a second threshold Th2 of the first parameter of the mapping (speed N or frequency Fe of the current applied to the electrical machine). Similarly, it is possible to first determine the second threshold Th2, which incidentally defines the current setpoint threshold Is (or the corresponding torque setpoint threshold).
  • thresholds rpm or intensity
  • the third switching frequency Fs3 that is to say the default switching frequency of the inverter, is chosen.
  • the second switching frequency Fs2 is chosen and applied.
  • This parameter can be a direct measurement of the temperature of these switches.
  • This parameter can be an evaluation of this temperature using a suitable estimator, that is to say a function of parameters whose measurement is available in the inverter or the electrical machine (in particular the intensity , the voltage and frequency of the electric currents applied to the electric machine controlled by the inverter during the time). If the measured or estimated temperature of the electronic switches of the inverter is used, it is however preferable or even necessary to impose a hysteresis on this parameter to avoid the risk of repeated changes in the switching frequency when the measured or estimated temperature is close to of a boundary condition.
  • the cooling circuit can also be common with a cooling circuit of the electrical machine.
  • the coolant temperature is preferably (but not necessarily) measured at the inverter inlet.
  • the choice and application of the second switching frequency Fs2 in the second part P2 of the map therefore depends on these two parameters, considered together.
  • the second switching frequency Fs2 is applied when the temperature of the inverter coolant is high (typically above 50°C at 70 ⁇ at the input of the inverter) and the battery voltage power supply is also high (depending on the application considered, which is for example an electric motor vehicle, and solely by way of non-limiting example, a voltage of more than 340V can be considered high).
  • the function of the electric voltage of the battery which supplies the inverter and the electric machine and of the temperature of a coolant present in a cooling circuit of the inverter used can be based on fixed thresholds of these parameters or variable thresholds.
  • the conditions for choosing and applying the second switching frequency can be considered fulfilled when one of these two parameters exceeds the fixed threshold, or, preferably, when the two parameters exceed the set threshold.
  • the fourth switching frequency Fs4 is chosen and used for the exceptional cases of overspeed of the electric machine, when its speed of rotation comes to exceed the maximum speed Thm and leaves the nominal operating zone.
  • the choice and application of the second switching frequency Fs2 can be, in the example detailed above, conditioned on three cumulative conditions:
  • the present invention thus makes it possible to obtain the main advantages of a variable frequency strategy applied to an inverter, while very strongly limiting the occurrences of a change in frequency of slicing to another, avoiding the NVH drawbacks of these changes.
  • FIG. 2 represents a map of the operation of an assembly comprising an inverter and an electrical machine controlled by the inverter, which can be used in a second embodiment of the invention.
  • the map of Figure 2 is similar to that of Figure 1, except for the definition of the second part P2 and the third part P3 of the nominal operating zone of the map. Except for this aspect, reference can therefore be made to the description of figure 1 which is applicable to figure 2.
  • the definition of the first part P1 in which the first chopping frequency Fs1 is applied is unchanged compared to the map of figure 1.
  • the second part P2 is defined as being the part of the nominal operating zone located above the first threshold Th1 of the rotational speed of the electric machine or of the frequency of the electric current applied to it and which extends up to a second threshold Th2 of the speed of rotation of the electric machine or of the frequency of the electric current which is applied thereto.
  • the third part P3 of the map of FIG. 2 corresponds for its part to the part of the nominal operating zone located above the second threshold Th2.
  • FIG. 2 represents a two-dimensional (or two-parameter) map in order to allow its comparison with the map of FIG. 1, the strategy for choosing the chopping speed presented in FIG. 2 is based solely on the speed of the electrical machine or the frequency of the current applied to it, and does not use the current intensity setpoint or the torque setpoint to determine the chopping frequency to be applied.
  • the mapping employed in the embodiment of Figure 2 can be one-dimensional (one-parameter).
  • Figure 2 thus constitutes a simplified embodiment of the invention, compared to that of Figure 1, which may lead to a slightly more frequent application of the second chopping frequency Fs2, but which is very simple. to implement.
  • Fs2 the second chopping frequency
  • the first part P1 of the map could be located above a minimum torque or current intensity setpoint.
  • FIG. 3 graphically represents an example of a function of the temperature of a cooling liquid present in an inverter cooling circuit and of the supply voltage of the inverter, which can be used to determine, for example in the part P2 of the map of figure 1 or of figure 2, if the second switching frequency Fs2 must be applied or on the contrary if the default switching frequency, that is to say the third switching frequency Fs3 can be maintained.
  • the graph of FIG. 3 represents on the abscissa the temperature of the coolant of a cooling circuit of an inverter controlling an electric traction machine of a motor vehicle.
  • the ordinate shows the voltage of the battery supplying the inverter and the electric machine. This battery has a voltage at full charge of the order of 460 V. This voltage will drop gradually as the battery discharges.
  • the conditions requiring the application of the second chopping frequency Fs2 are met only when the current (current) voltage of the battery and the temperature of the coolant are in the hatched zone of figure 3.
  • FIG. 3 corresponds to a particular application, and the values given by way of example could be adapted according to the application considered.
  • An example of application is thus developed below.
  • an inverter having a maximum power of 150 kW with a maximum phase current of 500 A is supplied by a battery with a battery voltage between 300 V and 460 V.
  • the inverter can operate at full power with coolant between -40°C and 70°C and is configured to apply power limitation when this temperature exceeds 70qC .
  • Fs2 and Fs3 can be made as follows, in accordance with an embodiment of the present invention.
  • the third switching frequency Fs3 is chosen and applied.
  • the temperature of the inverter coolant is monitored.
  • the supply battery voltage is also tracked. The higher the voltage, the greater the switching losses in the inverter, and the less the inverter (and in particular its power stage) will be able to accept a high current intensity without risk of overheating.
  • the second switching frequency Fs2 8kHz is chosen for a battery voltage between 340V and 460V.
  • the third switching frequency is chosen and applied.
  • the invention thus developed thus makes it possible to obtain the main advantages of a variable frequency strategy applied to an inverter, while very greatly limiting the occurrences of a change of switching frequency to another, which avoids the disadvantages in NVH matter of these changes.
  • the conditional choice of the second chopping frequency proposed in the invention allows its application only under severe conditions of use of the inverter, which entail a risk of overheating. This nevertheless makes it possible to guarantee that the assembly comprising the inverter and the electrical machine can supply, at least temporarily, a high torque without exceeding the maximum admissible temperature for the semiconductors of the inverter, in particular for the electronic switches of the inverter (typically IGBT type or MOSFET type).
  • the second chopping frequency Fs2 the use of which is limited to a reduced operating zone and particular operating conditions of the assembly comprising the inverter and the electric machine, will be chosen and applied very infrequently. Passages to and from this second switching frequency Fs2 will thus be rare and have little influence on the approval of the vehicle equipped with this assembly, in terms of noise, vibrations and jolts.
  • the inverter power module can be sized taking into account that in the event of exceptional situations, a switching frequency lower than the default switching frequency will be applied, in order to avoid any overheating while guaranteeing a operation at full power of the electric machine (without however triggering a safety mode).
  • a switching frequency lower than the default switching frequency will be applied, in order to avoid any overheating while guaranteeing a operation at full power of the electric machine (without however triggering a safety mode).
  • the power electronic components can be better exploited. Cost and mass savings can be achieved.

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Abstract

L'invention porte sur un procédé de sélection d'une fréquence de découpage pour son application à un onduleur contrôlant une machine électrique rotative, dans lequel la fréquence de découpage est choisie parmi plusieurs fréquences prédéterminées selon la position, dans une cartographie, d'un point de fonctionnement courant de l'ensemble constitué par la machine électrique et l'onduleur, ladite cartographie ayant au moins pour paramètre la vitesse de rotation (N) de la machine électrique ou la fréquence (Fe) du courant électrique qui lui est appliqué. Dans au moins une partie de la cartographie, la fréquence de découpage est choisie en outre en fonction d'un paramètre représentatif d'une condition thermique des interrupteurs électroniques que contient l'onduleur. L'invention porte en outre sur un procédé de commande d'un onduleur correspondant, et sur un dispositif mettant en œuvre ce procédé. L'invention est préférentiellement appliquée sur un véhicule automobile électrique.

Description

Procédé de sélection d’une fréquence de découpage d’un onduleur contrôlant une machine électrique et dispositif correspondant
La présente invention revendique la priorité de la demande française 2103440 déposée le 2 avril 2021 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.
La présente invention porte sur le pilotage d’un onduleur employé pour contrôler une machine électrique, en particulier une machine électrique rotative. L’invention trouve une application préférentielle dans le pilotage d’un onduleur contrôlant une machine électrique de traction d’un véhicule automobile électrique.
L’onduleur est un appareil permettant de générer un courant alternatif à partir d'un courant continu issu d’une source électrique telle qu’une batterie.
Les onduleurs comportent un étage de puissance comportant par exemple des modules de puissance, et plus généralement l’électronique de puissance de l’onduleur. L’étage de puissance comporte un ensemble d'interrupteurs électroniques.
Plusieurs technologies d’interrupteurs électroniques peuvent être utilisées dans un onduleur employé dans un système de traction électrique d’un véhicule, parmi lesquelles : les transistors bipolaires à grille isolée, également appelés « IGBT », de l'anglais « Insulated Gâte Bipolar Transistor », et les transistors à effet de champ à grille isolée également appelés « MOSFET », acronyme anglais de « Métal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor », qui peut se traduire par « transistor à effet de champ à structure métal-oxyde-semiconducteur », et en particulier les transistors de puissance au Carbure de Silicium (SiC). Par un jeu de commutations commandées de manière appropriée (généralement une modulation de largeur d'impulsion), l’onduleur module la source afin d'obtenir un courant alternatif de fréquence désirée.
L’onduleur fonctionne ainsi à une fréquence de découpage (également appelée fréquence de commutation) donnée. De manière générale, les interrupteurs de l’onduleur provoquent des pertes de puissance en commutation lors de leur passage de l’état ouvert à l’état fermé et inversement, et des pertes en conduction. Pour un régime et un couple donné de la machine électrique, les pertes en conduction et commutation dans l’onduleur sont proportionnelles à la fréquence de découpage. Un choix adapté de la fréquence de modulation permet d’améliorer le rendement en puissance de l’ensemble comportant l’onduleur et la machine électrique qu’il contrôle. Dans ce contexte, le document US20130169206 propose d’appliquer différentes fréquences de découpage à un onduleur contrôlant une machine électrique rotative selon le point de fonctionnement courant (c’est-à-dire à l’instant considéré) dans une cartographie ayant pour paramètres la vitesse de rotation de la machine électrique (également appelée régime) et la consigne de couple que doit fournir ladite machine électrique. La cartographie comporte quatre parties dans la zone de fonctionnement nominal de la machine électrique, c’est-à-dire dans la zone de vitesse et de couple pour laquelle la machine a été dimensionnée de sorte à y fonctionner de manière courante et fiable.
De même, le document CN110138284 divulgue l’application d’une stratégie de variation de la fréquence de découpage, entre différentes fréquences de découpage prédéfinies, selon la vitesse de la machine électrique et la consigne de couple ou d’intensité du courant. Il y a en effet une relation bijective entre la consigne de couple et le courant électrique (c’est-à-dire l’intensité efficace du courant) à appliquer. Selon ce document, la fréquence de découpage augmente en fonction de la vitesse de la machine électrique, et peut adopter six valeurs croissantes adaptées chacune à une plage de valeur de régime. De telles stratégies permettent d’améliorer le rendement en puissance de l’ensemble formé par l’onduleur et la machine électrique (c’est-à-dire le rapport entre la puissance délivrée et les pertes), mais les performances et l’agrément en termes de bruit, vibrations et secousses (couramment désignés par l’acronyme anglophone « NVH » pour « Noise, Vibration and Harshness ») sont dégradées. Dans le cadre d’un véhicule électrique, chaque basculement d’une fréquence de découpage à une autre est perceptible par l’utilisateur, typiquement par le conducteur et/ou les occupants du véhicule. D’un point de vue sonore et vibratoire, les harmoniques générées aux différentes fréquences de découpage rendent les ondulations et résonances avec les autres équipements présentes sur le réseau électrique à haute tension difficiles à gérer. En outre, les changements fréquents d’une fréquence de découpage à une autre entraînent une complexité dans le pilotage de l’onduleur, dans la mesure où de nombreux paramètres du pilotage doivent être modifiés ou initialisés à chaque changement de fréquence de découpage.
Néanmoins, l’emploi d’une fréquence de découpage variable est avantageux non seulement pour améliorer le rendement en puissance, mais aussi pour éviter une surchauffe de l’onduleur, en particulier de son étage de puissance et en particulier des interrupteurs de l’onduleur, notamment à faible régime et/ou fort couple de la machine électrique. En effet, dans une situation de faible régime sous forte consigne de couple entraînant un courant électrique de forte intensité, les pertes par commutation sont importantes, tandis qu’une fréquence de découpage faible serait suffisante pour obtenir une réactivité suffisante dans le contrôle de la machine électrique. Corolairement, limiter le risque de surchauffe de l’onduleur permet également un dimensionnement au plus juste de l’onduleur, ce qui en limite le coût et la masse.
La présente invention vise donc à proposer une solution permettant d’appliquer une stratégie de fréquence de découpage variable à un onduleur, tout en limitant les inconvénients et risques en matière de NVH d’une telle stratégie.
La présente invention porte ainsi sur un procédé de sélection d’une fréquence de découpage pour son application à un onduleur contrôlant une machine électrique rotative. Selon ce procédé, la fréquence de découpage est choisie parmi plusieurs fréquences prédéterminées selon la position, dans une cartographie, d’un point de fonctionnement courant de l’ensemble constitué par la machine électrique et l’onduleur. Cette cartographie a au moins pour paramètre la vitesse de rotation de la machine électrique ou la fréquence du courant électrique qui lui est appliqué.
Dans au moins une partie de la cartographie, la fréquence de découpage est choisie en outre en fonction d’un paramètre représentatif d’une condition thermique des interrupteurs électroniques que contient l’onduleur.
En conditionnant le choix de la fréquence de découpe à un paramètre représentatif de la condition thermique de l’onduleur (en particulier des interrupteurs électroniques de l’onduleur), il est notamment possible de limiter le nombre de changements de fréquence de découpage lors de l’utilisation de la machine électrique. Cela limite de fait les inconvénients en matière de NVH de l’application d’une stratégie de fréquence de découpage variable, en particulier dans une application à un véhicule automobile électrique. En outre, une limitation du nombre de changements de fréquence de découpage lors de l’utilisation de la machine électrique simplifie largement le pilotage de l’onduleur et de la machine électrique, en ce que de nombreux paramètres de pilotage sont moins souvent modifiés.
La cartographie peut comporter en outre pour paramètre la consigne de couple devant être appliquée à la machine électrique ou la consigne d’intensité du courant devant être appliqué à la machine électrique par l’onduleur. Bien que l’invention soit applicable avec une cartographie très simple, à savoir une cartographie ayant pour seul paramètre la vitesse de rotation de la machine électrique ou la fréquence du courant alternatif en sortie de l’onduleur, la prise en compte d’un second paramètre dans la construction de la cartographie permet de limiter plus encore les occurrences d’un changement de fréquence de découpage, tout en conservant une stratégie de fréquence de découpage variable permettant notamment une protection efficace de l’onduleur contre une surchauffe et une certaine optimisation du rendement en puissance.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le paramètre représentatif de la condition thermique des interrupteurs de l’onduleur peut être une température mesurée desdits interrupteurs ou une température estimée des interrupteurs sur la base des paramètres de fonctionnement de l’onduleur au cours du temps.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, le paramètre représentatif de la condition thermique des interrupteurs peut être une fonction de la tension courante d’une batterie d’alimentation de l’onduleur et de la machine électrique et d’une température d’un liquide de refroidissement présent dans un circuit de refroidissement de l’onduleur.
Il existe ainsi différents moyens d’évaluer la température des interrupteurs de l’onduleur. Une mesure directe peut ainsi être utilisée. Mais cette mesure n’est pas toujours possible, ou pas toujours nécessaire. Il est ainsi possible d’estimer la température des interrupteurs, ou plus généralement leur condition thermique (avoir une valeur précise de température n’est pas nécessaire pour mettre en oeuvre l’invention) à l’aide de mesures déjà disponibles ou faciles à réaliser sur l’onduleur, la machine électrique, et/ou leurs composants périphériques. Par condition thermique, on entend notamment une température, une plage de température, et/ou un gradient thermique temporel des interrupteurs de l’onduleur. De manière générale, le paramètre représentatif de la condition thermique des interrupteurs de l’onduleur peut être tout paramètre, ou le résultat de toute fonction, qui permet d’approcher la température actuelle et ou future des interrupteurs de l’onduleur, avec une précision suffisante pour caractériser un risque de surchauffe, et appliquer dans ce cas une fréquence de découpage adaptée.
L’utilisation de la tension de la batterie qui alimente l’onduleur et la machine électrique d’une part, et de la température du liquide de refroidissement du circuit de refroidissement de l’onduleur (et le cas échéant de la machine électrique) se révèle particulièrement avantageuse car ce sont des paramètres variant relativement lentement dans le temps. Leur prise en compte par une fonction appropriée permet d’obtenir la protection et l’optimisation dans l’utilisation de l’onduleur qui sont recherchées dans le cadre de l’invention, tout en limitant encore plus les changements intempestifs de fréquence de découpage. Dans une zone de fonctionnement nominal de l’ensemble constitué par la machine électrique et l’onduleur, la fréquence de découpage peut être choisie parmi trois fréquences de découpages différentes, à savoir une première fréquence de découpage, une deuxième fréquence de découpage, et une troisième fréquence de découpage. Dans ce cas, la cartographie peut définir trois parties dans la zone de fonctionnement nominal, à savoir une première partie, une deuxième partie et une troisième partie, et
- lorsque le point de fonctionnement courant de l’ensemble constitué par la machine électrique et l’onduleur est situé dans ladite première partie, la première fréquence de découpage est choisie, - lorsque le point de fonctionnement courant de l’ensemble constitué par la machine électrique et l’onduleur est situé dans ladite deuxième partie, la deuxième fréquence de découpage est choisie ou la troisième fréquence de découpage est choisie, en fonction du paramètre représentatif de la condition thermique des interrupteurs électroniques que contient l’onduleur, et - lorsque le point de fonctionnement courant de l’ensemble constitué par la machine électrique et l’onduleur est situé dans une troisième partie, la troisième fréquence de découpage est choisie.
Selon un mode de réalisation, la première partie de la cartographie peut correspondre à la partie de la zone de fonctionnement nominal située jusqu’à un premier seuil de vitesse de rotation de la machine électrique ou de fréquence du courant électrique qui lui est appliqué. La deuxième partie de la cartographie peut correspondre à la partie de la zone de fonctionnement nominal située au-dessus du premier seuil de vitesse de rotation de la machine électrique ou de fréquence du courant électrique qui lui est appliqué et au-dessus d’un seuil de consigne d’intensité du courant à appliquer à la machine électrique ou de consigne de couple. La troisième partie de la cartographie peut correspondre à la partie de la zone de fonctionnement nominal située au-dessus du premier seuil de vitesse de rotation de la machine électrique ou de fréquence du courant électrique qui lui est appliqué et qui s’étend jusqu’au seuil de consigne d’intensité du courant à appliquer à la machine électrique ou de consigne de couple. Selon un autre mode de réalisation, la première partie de la cartographie peut correspondre à la partie, sur la cartographie, de la zone de fonctionnement nominal située jusqu’à un premier seuil de vitesse de rotation de la machine électrique ou de fréquence du courant électrique qui lui est appliqué. La deuxième partie de la cartographie peut correspondre à la partie de la zone de fonctionnement nominal située au-dessus du premier seuil de vitesse de rotation de la machine électrique ou de fréquence du courant électrique qui lui est appliqué et qui s’étend jusqu’à un deuxième seuil de vitesse de rotation de la machine électrique ou de fréquence du courant électrique qui lui est appliqué. La troisième partie de la cartographie peut correspondre à la partie de la zone de fonctionnement nominal située au-dessus du deuxième seuil de vitesse de rotation de la machine électrique ou de fréquence du courant électrique qui lui est appliqué.
Avantageusement, la première fréquence de découpage est inférieure à la deuxième fréquence de découpage, et la deuxième fréquence de découpage est inférieure à la troisième fréquence de découpage.
Par exemple, la première fréquence de découpage peut être comprise entre 4kHz et 6kHz, par exemple égale à 5kHz, la deuxième fréquence de découpage peut être comprise entre 6 kHz et 9 kHz, par exemple égale à 8kHz ; et la troisième fréquence de découpage peut être comprise entre 9 kHz et 12 kHz, par exemple égale à 10kHz. Les cartographies ainsi proposées répondent aux objectifs visés par l’emploi d’une stratégie de fréquence de découpage variable et à ceux de l’invention. Ainsi, l’emploi d’une première fréquence relativement faible dans une plage de faible régime (pouvant être traduite par une faible fréquence des courants électriques appliqués à la machine électrique) permet un meilleur rendement en puissance et garantit une protection thermique de l’onduleur dans les situations de faibles régimes, par exemple pour les véhicules automobiles électriques dans les situations de démarrage notamment sous fort couple (situation de roue bloquée au démarrage, montée d’un trottoir, etc.). Néanmoins, en dehors de cette situation de faible régime, il est possible d’adopter une fréquence de découpage relativement élevée, mieux adaptée à l’échantillonnage et à la réactivité souhaitée pour la machine électrique, tout en garantissant l’intégrité de l’onduleur.
Dans un mode de réalisation, lorsque le point de fonctionnement courant de l’ensemble constitué par la machine électrique et l’onduleur est situé dans la deuxième partie de la cartographie, la deuxième fréquence de découpage est choisie si la température du liquide de refroidissement en entrée de l’onduleur est au-dessus d’une valeur prédéfinie située entre 50 °C et 90 °C, par exemple 70 °C, et si la tension de la batterie est supérieure à une tension prédéfinie comprise entre 300V et 380V, par exemple 340V, et la troisième fréquence de découpage est choisie si ces conditions ne sont pas remplies. L’application de la deuxième fréquence de découpage peut ainsi être conditionnée à une règle simple fondée sur la tension de la batterie et sur la température du liquide du circuit de refroidissement de l’onduleur, typiquement mesurée en entrée de l’onduleur. Une fonction plus élaborée de ces deux paramètres peut avantageusement être employée. Notamment, à partir d’un certain seuil de température du liquide de refroidissement (par exemple 50°C), plus la température dudit liquide de refroidissement s’élève, plus le seuil de tension pris en considération pour l’application de la deuxième fréquence de découpage diminue.
Lorsque la vitesse de rotation de la machine électrique dépasse une vitesse de rotation maximale de sorte que le point de fonctionnement de l’ensemble sort de la zone de fonctionnement nominal, une quatrième fréquence de découpage est choisie, la quatrième fréquence de découpage étant supérieure à la troisième fréquence de découpage. La quatrième fréquence peut par exemple être comprise entre 10kHz et 15kHz, par exemple 13kHz.
La quatrième fréquence de découpage, prévue en particulier pour les situations de survitesse de la machine électrique n’est employée que dans des situations exceptionnelles.
L’invention porte également sur un procédé de commande d’un onduleur contrôlant une machine électrique rotative, ledit procédé de commande comportant les étapes de : - mise en oeuvre d’un procédé de sélection d’une fréquence de découpage tel que décrit ci-dessus,
- application de la fréquence de découpage choisie à l’onduleur.
L’invention porte aussi sur un dispositif comportant un onduleur et une machine électrique rotative contrôlée par l’onduleur, l’onduleur comportant un dispositif électronique de commande configuré pour sélectionner une fréquence de découpage en mettant en oeuvre un procédé tel que décrit ci-avant, et pour appliquer la fréquence de découpage sélectionnée à l’onduleur.
L’invention porte enfin sur un véhicule automobile électrique comportant un tel dispositif. Le domaine automobile constitue ainsi le domaine d’application préférentiel de l’invention. En effet, dans ce domaine les performances en matière de NVH sont importantes pour l’utilisateur d’un véhicule. En outre, l’invention permettant un dimensionnement au plus juste de l’onduleur (en ce qu’il n’est pas nécessaire de sur- dimensionner l’étage de puissance de l’onduleur pour permettre son utilisation dans des conditions exceptionnellement défavorables dans la zone de fonctionnement où l’emploi d’une plus faible fréquence de découpage permet d’en garantir l’intégrité), les gains économiques et de masses, même s’ils peuvent apparaître modérés à l’échelle d’une seule chaîne de traction électrique, sont très importants à l’échelle de plusieurs milliers (voire millions) de véhicules.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après.
Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs : - la figure 1 représente une cartographie du fonctionnement d’un ensemble comportant un onduleur et une machine électrique contrôlée par l’onduleur, pouvant être utilisée dans un premier mode de réalisaiton de l’invention ;
- la figure 2 représente une cartographie du fonctionnement d’un ensemble comportant un onduleur et une machine électrique contrôlée par l’onduleur, pouvant être utilisée dans un deuxième mode de réalisation de l’invention ;
- la figure 3 est une représentation graphique d’une fonction liant la température d’un liquide de refroidissement présent dans un circuit de refroidissement d’un onduleur et la tension d’alimentation de l’onduleur, qui peut être employée dans un mode de réalisation de l’invention. La figure 1 représente une cartographie du fonctionnement d’un ensemble comportant un onduleur et une machine électrique contrôlée par l’onduleur, pouvant être utilisée dans un premier mode de réalisation de l’invention.
Cette cartographie, bi-dimensionnelle, comporte deux paramètres, chaque paramètre définissant une dimension de la cartographie. Le premier paramètre pris en compte est la vitesse de rotation ou régime N de la machine électrique contrôlée par l’onduleur, ou la fréquence Fe du courant électrique appliqué à la machine électrique. Il existe en effet une relation directe entre ces deux paramètres équivalents, à savoir une relation bijective pour une machine électrique synchrone. Le deuxième paramètre de la cartographie est la consigne d’intensité I du courant à appliquer à la machine électrique, ou la consigne de couple C fournie à l’onduleur en vue de son application à la machine électrique. Il existe également une relation directe entre ces deux paramètres équivalents. La zone de fonctionnement nominal de l’ensemble comportant l’onduleur et la machine électrique est délimitée sur la cartographie représentée par une frontière B.
Quatre fréquences de découpage sont prédéfinies, à savoir une première fréquence de découpage Fs1 , une deuxième fréquence de découpage Fs2, une troisième fréquence de découpage Fs3 et une quatrième fréquence de découpage Fs4, telles que : Fs1 <Fs2<Fs3<Fs4.
A titre d’exemples typiques, les valeurs suivantes peuvent être utilisées, notamment dans le cadre d’une application automobile : Fs1=5kHz. Fs2=8kHz, Fs3=10kHz et Fs4 = 13kHz.
Selon la cartographie proposée, la première fréquence de découpage Fs1 est une fréquence de découpage basse utilisée pour les faibles vitesses de rotation de la machine électrique (ou les courants de faible fréquence appliqués par l’onduleur à la machine électrique). La première vitesse de découpage est choisie et appliquée, dans l’exemple représenté, dans une première partie de la cartographie P1 , pour toute vitesse de rotation de la machine électrique ou toute fréquence du courant appliquée à la machine électrique inférieure ou égale à un premier seuil Th1 (par exemple 300 tours par minute si le régime est considéré en tant que premier paramètre).
La première fréquence de découpage offre une réactivité et une possibilité d’échantillonnage suffisantes au système dans cette plage de faible régime de la machine électrique, tout en limitant les pertes par commutation de l’onduleur, qui pourraient provoquer un échauffement important de l’onduleur en cas de forte consigne de couple, ce qui est fréquent lors du démarrage d’un véhicule électrique.
La troisième fréquence de découpage Fs3 est la fréquence de découpage par défaut de l’onduleur considéré.
La deuxième fréquence de découpage Fs2 est une fréquence réduite par rapport à la fréquence de découpage par défaut Fs3. La deuxième fréquence de découpage Fs2 a pour objectif de permettre l’emploi d’un fort courant en cas d’utilisation des conditions extrêmes, sans entraîner de surchauffe des interrupteurs électroniques de l’onduleur. Ainsi, dans l’exemple de cartographie de la figure 1 , la troisième fréquence de découpage Fs3 est choisie et appliquée dans une troisième partie P3 de la cartographie. La troisième partie P3 s’étend sur une large plage de vitesse de rotation située au-dessus du premier seuil Th1 et jusqu’à la vitesse de rotation maximum Thm (dans la zone de fonctionnement nominal). Dans l’exemple représenté, la troisième partie P3 est par ailleurs bornée selon une limite du deuxième paramètre de la cartographie, à savoir par un seuil de consigne d’intensité Is du courant électrique à appliquer à la machine électrique (ou par le seuil de consigne de couple correspondant). La troisième partie P3 se situe en dessous et jusqu’à ce seuil de consigne d’intensité Is.
La cartographie présentée à la figure 1 comporte enfin, dans la zone de fonctionnement nominal, une deuxième partie P2 située au-dessus du premier seuil Th1 du premier paramètre de la cartographie, et au-dessus du seuil de consigne d’intensité Is (ou du seuil de consigne de couple correspondant). Du fait de la frontière B de la zone de fonctionnement nominal, la deuxième partie P2 s’étend incidemment jusqu’à un deuxième seuil Th2 du premier paramètre de la cartographie (régime N ou fréquence Fe du courant appliqué à la machine électrique). De manière analogue, il est possible de déterminer en premier lieu le deuxième seuil Th2, qui définit incidemment le seuil de consigne d’intensité Is (ou le seuil de consigne de couple correspondant).
En particulier le choix des seuils (de régime ou d’intensité) qui définissent la limite de la deuxième partie de la cartographie tient compte de :
- une limite minimum de ratio entre la fréquence de découpage et la fréquence électrique, permettant d’assurer un échantillonnage satisfaisant,
- une valeur de courant maximum en dessous de laquelle aucun risque de surchauffe de l’onduleur n’est possible même dans les conditions de fonctionnement les plus défavorables de l’ensemble comportant l’onduleur et la machine électrique.
Dans cette deuxième partie P2, la troisième fréquence de découpage Fs3, c’est-à-dire la fréquence de découpage par défaut de l’onduleur, est choisie. Néanmoins, certaines conditions peuvent entraîner un échauffement excessif de l’onduleur. C’est pourquoi, si certaines conditions sont remplies, la deuxième fréquence de découpage Fs2 est choisie et appliquée.
Ces conditions sont évaluées à l’aide d’un paramètre représentatif de la condition thermique des interrupteurs électroniques que contient l’onduleur. Ce paramètre peut être une mesure directe de la température de ces interrupteurs. Ce paramètre peut être une évaluation de cette température à l’aide d’un estimateur adapté, c’est-à-dire d’une fonction de paramètres dont la mesure est disponible dans l’onduleur ou la machine électrique (notamment l’intensité, la tension et la fréquence des courants électriques appliqués à la machine électrique contrôlée par l’onduleur au cours du temps). Si la température mesurée ou estimée des interrupteurs électroniques de l’onduleur est employée, il est cependant préférable voire nécessaire d’imposer une hystérésis à ce paramètre pour éviter le risque de changements répétés de la fréquence de découpage lorsque la température mesurée ou évaluée est proche d’une condition limite.
De manière préférentielle, il est proposé d’utiliser en tant que paramètre représentatif de la condition thermique des interrupteurs électroniques une fonction de la tension électrique de la batterie qui alimente l’onduleur et la machine électrique et de la température d’un liquide de refroidissement présent dans un circuit de refroidissement de l’onduleur. Le circuit de refroidissement peut d’ailleurs être commun avec un circuit de refroidissement de la machine électrique. La température du liquide de refroidissement est mesurée préférentiellement (mais pas nécessairement) en entrée de l’onduleur.
Il est alors préférable voire nécessaire d’imposer une hystérésis à la tension électrique de la batterie et à la température du liquide de refroidissement pour éviter le risque de changements répétés de la fréquence lorsque la tension de la batterie est proche de conditions limites.
Le choix et l’application de la deuxième fréquence de découpage Fs2 dans la deuxième partie P2 de la cartographie dépend donc de ces deux paramètres, considérés ensemble. En particulier, la deuxième fréquence de découpage Fs2 est appliquée lorsque la température du liquide de refroidissement de l’onduleur est élevée (typiquement au-dessus de 50 °C à 70^ en entrée de l’onduleur) et que la tension de la batterie d’alimentation est également élevée (selon l’application considérée, qui est par exemple un véhicule automobile électrique, et uniquement à titre d’exemple non limitatif, une tension de plus de 340V peut être considérée élevée).
La fonction de la tension électrique de la batterie qui alimente l’onduleur et la machine électrique et de la température d’un liquide de refroidissement présent dans un circuit de refroidissement de l’onduleur utilisé peut être fondée sur des seuils fixes de ces paramètres ou des seuils variables. En particulier, avec des seuils fixes, les conditions de choix et d’application de la deuxième fréquence de découpage peuvent être considérées remplies dès lors que l’un de ces deux paramètres dépasse le seuil fixé, ou, préférentiellement, dès lors que les deux paramètres dépassent le seuil fixé.
Une fonction utilisant des seuils variables est détaillée ci-après en référence à la figure 3. Enfin, la quatrième fréquence de découpage Fs4 est choisie et employée pour les cas exceptionnels de survitesse de la machine électrique, lorsque sa vitesse de rotation vient à dépasser la vitesse maximale Thm et sortir de la zone de fonctionnement nominal. Ainsi, le choix et l’application de la deuxième fréquence de découpage Fs2 peut être, dans l’exemple détaillé ci-dessus, conditionnée à trois conditions cumulatives :
- une consigne de courant d’une intensité minimum, de sorte qu’il représente un risque de surchauffe dans des conditions environnementales défavorables ;
- une tension de la batterie minimum (une forte tension augmente les pertes dans l’onduleur), et
- une température de liquide de refroidissement minimum.
En permettant le choix et l’application essentiellement de seulement deux fréquences de découpage, à savoir la première fréquence de découpage Fs1 et la troisième fréquence de découpage Fs3, et en réservant l’emploi de la deuxième fréquence de découpage Fs2 aux conditions peu fréquentes d’utilisation de l’onduleur susceptibles de provoquer son échauffement excessif, la présente invention permet ainsi d’obtenir les avantages principaux d’une stratégie de fréquence variable appliquée à un onduleur, tout en limitant très fortement les occurrences d’un changement de fréquence de découpage à une autre, ce qui évite les inconvénients en matière de NVH de ces changements.
La figure 2 représente une cartographie du fonctionnement d’un ensemble comportant un onduleur et une machine électrique contrôlée par l’onduleur, pouvant être utilisée dans un deuxième mode de réalisation de l’invention. La cartographie de la figure 2 est similaire à celle de la figure 1 , à l’exception de la définition de la deuxième partie P2 et de la troisième partie P3 de la zone de fonctionnement nominal de la cartographie. Sauf pour cet aspect, on peut donc se référer à la description de la figure 1 qui est applicable à la figure 2.
Comme indiqué ci-dessus, la définition de la première partie P1 dans laquelle la première fréquence de découpage Fs1 est appliquée est inchangée comparativement à la cartographie de la figure 1.
La deuxième partie P2 est quant à elle définie comme étant la partie de la zone de fonctionnement nominal située au-dessus du premier seuil Th1 de vitesse de rotation de la machine électrique ou de fréquence du courant électrique qui lui est appliqué et qui s’étend jusqu’à un deuxième seuil Th2 de vitesse de rotation de la machine électrique ou de fréquence du courant électrique qui lui est appliqué.
La troisième partie P3 de la cartographie de la figure 2 correspond quant à elle à la partie de la zone de fonctionnement nominal située au-dessus du deuxième seuil Th2. Ainsi, bien que la figure 2 représente une cartographie à deux dimensions (ou deux paramètres) afin de permettre sa comparaison avec la cartographie de la figure 1 , la stratégie de choix de la vitesse de découpage présentée à la figure 2 se fonde uniquement sur le régime de la machine électrique ou la fréquence du courant qui lui est appliqué, et n’emploie pas la consigne d’intensité du courant ou la consigne de couple pour déterminer la fréquence de découpage à appliquer. En d’autres termes, la cartographie employée dans le mode de réalisation de la figure 2 peut être unidimensionnelle (à un seul paramètre).
Les conditions qui déterminent l’application de la troisième fréquence de découpage ou de la deuxième fréquence de découpage dans la deuxième partie de la cartographie peuvent être similaires à celles énoncées pour la figure 1.
Le mode de réalisation de la figure 2 constitue ainsi un mode de réalisation simplifié de l’invention, comparativement à celui de la figure 1 , qui peut conduire à une application légèrement plus fréquente de la deuxième fréquence de découpage Fs2, mais qui est très simple à mettre en oeuvre. Bien évidemment certaines adaptations des exemples de mode de réalisation présentés ci-avant sont possibles sans sortir du cadre de l’invention. Par exemple, la première partie P1 de la cartographie pourrait être située au-dessus d’une consigne de couple ou d’intensité du courant minimale. La figure 3 représente graphiquement un exemple de fonction de la température d’un liquide de refroidissement présent dans un circuit de refroidissement d’un onduleur et de la tension d’alimentation de l’onduleur, qui peut être employée pour déterminer, par exemple dans la partie P2 de la cartographie de la figure 1 ou de la figure 2, si la deuxième fréquence de découpage Fs2 doit être appliquée ou au contraire si la fréquence de découpage par défaut, c’est-à-dire la troisième fréquence de découpage Fs3 peut être maintenue.
Le graphique de la figure 3 représente en abscisse la température du liquide de refroidissement d’un circuit de refroidissement d’un onduleur contrôlant une machine électrique de traction d’un véhicule automobile. En ordonnée est portée la tension de la batterie d’alimentation de l’onduleur et de la machine électrique. Cette batterie a une tension à pleine charge de l’ordre de 460 V. Cette tension va chuter progressivement au fur et à mesure de la décharge de la batterie.
Selon la fonction représentée, les conditions nécessitant l’application de la seconde fréquence de découpage Fs2 ne sont remplies que lorsque la tension courante (actuelle) de la batterie et la température du liquide de refroidissement sont dans la zone hachurée de la figure 3.
Ainsi, jusqu’à ce que la température de liquide de refroidissement de l’onduleur inférieure à 50 ‘O, il n’y a pas de risque de surchauffe de l’onduleur et il n’est pas nécessaire de choisir et d’appliquer à l’onduleur la deuxième fréquence de découpage. Au-delà de 50 °C, les risques de surchauffe de l’onduleur sont d’autant plus importants que la tension de la batterie d’alimentation est élevée. Ainsi, dans l’exemple représenté, lorsque la température du liquide de refroidissement est de QO'Ό, il n’est considéré nécessaire d’appliquer la deuxième fréquence de découpage Fs2 que si la tension de la batterie est supérieure à 380 V environ. Lorsque la température du liquide de refroidissement est de 80 'Ό, il n’est considéré nécessaire d’appliquer la deuxième fréquence de découpage Fs2 que si la tension de la batterie est supérieure à 300 V. L’application d’une telle fonction fondée sur des seuils de température du liquide de refroidissement de l’onduleur et de la tension de la batterie variables et interdépendants permet de limiter encore plus les occurrences des changements de fréquence de découpage de l’onduleur.
Bien évidemment, la figure 3 correspond à une application particulière, et les valeurs données à titre d’exemple pourront être adaptées en fonction de l’application considérée. Un exemple d’application est ainsi développé ci-après. Dans un véhicule automobile électrique, un onduleur ayant une puissance maximale de 150kW avec un courant de phase maximum de 500 A est alimenté par une batterie de tension batterie entre 300V et 460V. L’onduleur peut fonctionner à pleine puissance avec un liquide de refroidissement entre -40 °C et 70 °C et est configuré pour appliquer une limitation de puissance lorsque cette température dépasse 70 qC.
Pour un régime compris entre 0 tr/min et 300 tr/min la première fréquence de découpage Fs1=5kHz est choisie et appliquée.
Ainsi, à chaque démarrage Fs1=5kHz est appliquée, sans considération d’autres paramètres. Pour un régime compris entre 300 tr/min et 9000 tr/min, la troisième fréquence de découpage Fs3=10kHz, ou, si nécessaire, la deuxième fréquence de découpage Fs2=8kHz, est appliquée selon le choix décrit ci-après.
Pour un régime compris entre 9000 tr/min et 14000 tr/min, la troisième fréquence de découpage Fs3=10kHz est appliquée.
Pour ce qui concerne les régimes compris entre 300 tr/min et 9000 tr/min, le choix entre Fs2 et Fs3 peut être réalisé de la manière suivante, conformément à un mode de réalisation de la présente invention.
Par défaut, la troisième fréquence de découpage Fs3 est choisie et appliquée. La consigne d’intensité du courant à appliquer à la machine est suivie. Il est en particulier observé si la consigne d’intensité du courant dépasse ou non Is = 340 Arms (courant efficace).
Par ailleurs la température du liquide de refroidissement de l’onduleur est suivie. La tension de la batterie d’alimentation est également suivie. Plus la tension est élevée, plus les pertes par commutation dans l’onduleur sont importantes, et moins l’onduleur (et en particulier son étage de puissance) pourra accepter une intensité de courant élevée sans risque de surchauffe.
Dans le présent exemple pour une température d’entrée eau de 70 °C la deuxième fréquence de découpage Fs2 = 8kHz est choisie pour une tension de la batterie entre 340V et 460V.
Pour toute tension de batterie inférieure à 340V, la troisième fréquence de découpage est choisie et appliquée.
L’invention ainsi développée permet ainsi d’obtenir les avantages principaux d’une stratégie de fréquence variable appliquée à un onduleur, tout en limitant très fortement les occurrences d’un changement de fréquence de découpage à une autre, ce qui évite les inconvénients en matière de NVH de ces changements.
En effet, le choix conditionnel de la deuxième fréquence de découpage proposée dans l’invention permet son application uniquement dans des conditions sévères d’utilisation de l’onduleur, qui entraînent un risque de surchauffe. Cela permet néanmoins de garantir que l’ensemble comportant l’onduleur et la machine électrique puisse fournir, au moins temporairement, un fort couple sans dépasser la température maximum admissible pour les semi-conducteurs de l’onduleur, en particulier pour les interrupteurs électroniques de l’onduleur (typiquement de type IGBT ou de type MOSFET). La deuxième fréquence de découpage Fs2, dont l’emploi est limité à une zone de fonctionnement réduite et des conditions de fonctionnement particulières de l’ensemble comportant l’onduleur et la machine électrique sera très peu fréquemment choisie et appliquée. Les passages vers et depuis cette deuxième fréquence de découpage Fs2 seront ainsi rares et peu influents sur l’agrément du véhicule équipé de cet ensemble, en matière de bruit, vibrations et secousses.
Enfin, le module de puissance de l’onduleur peut être dimensionné en prenant en compte qu’en cas de situations exceptionnelles, une fréquence de découpage inférieure à la fréquence de découpage par défaut sera appliquée, afin d’éviter toute surchauffe tout en garantissant un fonctionnement à pleine puissance de la machine électrique (sans pour autant déclencher de mode de sécurité). Ainsi, les composants électroniques de puissance peuvent être mieux exploités. Des gains de coûts et de masse peuvent être réalisés.

Claims

Revendications
1 . Procédé de sélection d’une fréquence de découpage pour son application à un onduleur contrôlant une machine électrique rotative, dans lequel la fréquence de découpage est choisie parmi plusieurs fréquences prédéterminées selon la position, dans une cartographie, d’un point de fonctionnement courant de l’ensemble constitué par la machine électrique et l’onduleur, ladite cartographie ayant au moins pour paramètre la vitesse de rotation (N) de la machine électrique ou la fréquence (Fe) du courant électrique qui lui est appliqué, dans lequel dans au moins une partie de la cartographie, la fréquence de découpage est choisie en outre en fonction d’un paramètre représentatif d’une condition thermique des interrupteurs électroniques que contient l’onduleur caractérisé en ce que : dans une zone de fonctionnement nominal de l’ensemble constitué par la machine électrique et l’onduleur, la fréquence de découpage est choisie parmi trois fréquences de découpages différentes, à savoir une première fréquence de découpage (Fs1), une deuxième fréquence de découpage (Fs2), et une troisième fréquence de découpage (FS3), et dans lequel la cartographie définit trois parties dans la zone de fonctionnement nominal, à savoir une première partie (P1), une deuxième partie (P2) et une troisième partie (P3), et dans lequel
- lorsque le point de fonctionnement courant de l’ensemble constitué par la machine électrique et l’onduleur est situé dans ladite première partie (P1), la première fréquence (Fs1) de découpage est choisie,
- lorsque le point de fonctionnement courant de l’ensemble constitué par la machine électrique et l’onduleur est situé dans ladite deuxième partie (P2), la deuxième fréquence de découpage (Fs2) est choisie ou la troisième fréquence de découpage (Fs3) est choisie, en fonction du paramètre représentatif de la condition thermique des interrupteurs électroniques que contient l’onduleur, et
- lorsque le point de fonctionnement courant de l’ensemble constitué par la machine électrique et l’onduleur est situé dans une troisième partie, la troisième fréquence de découpage (Fs3) est choisie.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel
- la première partie (P1) de la cartographie correspond à la partie de la zone de fonctionnement nominal située jusqu’à un premier seuil (Th1) de vitesse de rotation (N) de la machine électrique ou de fréquence (Fe) du courant électrique qui lui est appliqué,
- la deuxième partie (P2) de la cartographie correspond à la partie de la zone de fonctionnement nominal située au-dessus du premier seuil (Th 1 ) de vitesse de rotation de la machine électrique ou de fréquence (Fe) du courant électrique qui lui est appliqué et qui s’étend jusqu’à un deuxième seuil (Th2) de vitesse de rotation (N) de la machine électrique ou de fréquence (Fe) du courant électrique qui lui est appliqué,
- la troisième partie (P3) de la cartographie correspond à la partie de la zone de fonctionnement nominal située au-dessus du deuxième seuil (Th2) de vitesse de rotation de la machine électrique ou de fréquence (Fe) du courant électrique qui lui est appliqué.
3. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel - la première partie (P1 ) de la cartographie correspond à la partie de la zone de fonctionnement nominal située jusqu’à un premier seuil (Th1) de vitesse de rotation (N) de la machine électrique ou de fréquence (Fe) du courant électrique qui lui est appliqué,
- la deuxième partie (P2) de la cartographie correspond à la partie de la zone de fonctionnement nominal située au-dessus du premier seuil (Th1) de vitesse de rotation (N) de la machine électrique ou de fréquence (Fe) du courant électrique qui lui est appliqué et au-dessus d’un seuil de consigne d’intensité (Is) du courant à appliquer à la machine électrique ou de consigne de couple,
- la troisième partie (P3) de la cartographie correspond à la partie de la zone de fonctionnement nominal située au-dessus du premier seuil (Th1) de vitesse de rotation (N) de la machine électrique ou de fréquence (Fe) du courant électrique qui lui est appliqué et qui s’étend jusqu’au seuil de consigne d’intensité (Is) du courant à appliquer à la machine électrique ou de consigne de couple.
4. Procédé de sélection d’une fréquence de découpage pour son application à un onduleur contrôlant une machine électrique rotative, dans lequel la fréquence de découpage est choisie parmi plusieurs fréquences prédéterminées selon la position, dans une cartographie, d’un point de fonctionnement courant de l’ensemble constitué par la machine électrique et l’onduleur, ladite cartographie ayant au moins pour paramètre la vitesse de rotation (N) de la machine électrique ou la fréquence (Fe) du courant électrique qui lui est appliqué, dans lequel dans au moins une partie de la cartographie, la fréquence de découpage est choisie en outre en fonction d’un paramètre représentatif d’une condition thermique des interrupteurs électroniques que contient l’onduleur caractérisé en ce que la cartographie comporte en outre pour paramètre la consigne de couple (C) devant être appliquée à la machine électrique ou la consigne d’intensité (I) du courant devant être appliqué à la machine électrique par l’onduleur.
5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le paramètre représentatif de la condition thermique des interrupteurs de l’onduleur est une température mesurée desdits interrupteurs ou une température estimée des interrupteurs sur la base des paramètres de fonctionnement de l’onduleur au cours du temps.
6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le paramètre représentatif de la condition thermique des interrupteurs est une fonction de la tension courante d’une batterie d’alimentation de l’onduleur et de la machine électrique et d’une température d’un liquide de refroidissement présent dans un circuit de refroidissement de l’onduleur.
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel lorsque le point de fonctionnement courant de l’ensemble constitué par la machine électrique et l’onduleur est situé dans ladite deuxième partie (P2) de la cartographie, la deuxième fréquence de découpage (Fs2) est choisie si la température du liquide de refroidissement en entrée de l’onduleur est au-dessus d’une valeur prédéfinie située entre 50 °C et 90 ‘O, par exemple 70 ‘O, et si la tension de la batterie est supérieure à une tension prédéfinie comprise entre 300V et 380V, par exemple 340V, et la troisième fréquence de découpage (Fs3) est choisie si ces conditions ne sont pas remplies.
8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la première fréquence (Fs1) de découpage est inférieure à la deuxième fréquence de découpage (Fs2), et la deuxième fréquence de découpage (Fs2) est inférieure à la troisième fréquence de découpage (Fs3).
9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel :
- la première fréquence de découpage (Fs1) est comprise entre 4kHz et 6kHz, par exemple égale à 5kHz ;
- la deuxième fréquence de découpage (Fs2) est comprise entre 6 kHz et 9 kHz, par exemple égale à 8kHz ;
- la troisième fréquence de découpage (Fs3) est comprise entre 9 kHz et 12 kHz, par exemple égale à 10kHz.
10. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel lorsque la vitesse de rotation (N) de la machine électrique dépasse une vitesse de rotation maximale (Thm) de sorte que le point de fonctionnement de l’ensemble sort de la zone de fonctionnement nominal, une quatrième fréquence de découpage (Fs4) est choisie, la quatrième fréquence de découpage (Fs4) étant supérieure à la troisième fréquence de découpage.
11 . Procédé de commande d’un onduleur contrôlant une machine électrique rotative, ledit procédé de commande comportant les étapes de :
- mise en oeuvre d’un procédé de sélection d’une fréquence de découpage selon l’une des revendications précédentes, - application de la fréquence de découpage choisie à l’onduleur.
12. Dispositif comportant un onduleur et une machine électrique rotative contrôlée par l’onduleur, l’onduleur comportant un dispositif électronique de commande configuré pour sélectionner une fréquence de découpage en mettant en oeuvre un procédé selon l’une des revendications 1 à 11 , et pour appliquer la fréquence de découpage sélectionnée à l’onduleur.
13. Véhicule automobile électrique comportant un dispositif selon la revendication 12.
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