EP4569607A1 - Minimisation du couple moteur d'une machine synchrone à rotor bobiné lors du pré-conditionnement thermique de la batterie - Google Patents

Minimisation du couple moteur d'une machine synchrone à rotor bobiné lors du pré-conditionnement thermique de la batterie

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Publication number
EP4569607A1
EP4569607A1 EP23736766.9A EP23736766A EP4569607A1 EP 4569607 A1 EP4569607 A1 EP 4569607A1 EP 23736766 A EP23736766 A EP 23736766A EP 4569607 A1 EP4569607 A1 EP 4569607A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
stator
current
temperature
battery
Prior art date
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Pending
Application number
EP23736766.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Abdelkader BOUARFA
Noelle Janiaud
Tomy ROBIN
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Ampere SAS
Original Assignee
Ampere SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Ampere SAS filed Critical Ampere SAS
Publication of EP4569607A1 publication Critical patent/EP4569607A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/60—Controlling or determining the temperature of the motor or of the drive
    • 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
    • H02P1/00—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters
    • H02P1/02—Details of starting control
    • 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
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/60—Controlling or determining the temperature of the motor or of the drive
    • H02P29/68—Controlling or determining the temperature of the motor or of the drive based on the temperature of a drive component or a semiconductor component

Definitions

  • the present invention generally relates to electrical machines, in particular electrical machines powered by a battery.
  • the invention finds a particularly advantageous application in the automotive field.
  • the performance of the battery is, to a certain extent, inversely proportional to the temperature.
  • the performance of the battery may leave something to be desired.
  • Another solution involves controlling the electric machine so as to increase the thermal losses produced by the traction chain, and to use this surplus heat to heat the battery.
  • the present invention proposes to increase the thermal losses of the traction chain without producing a torque which would set the vehicle in motion, nor controlling the stator control on the value of the rotor position measurement error.
  • a synchronous electric machine comprising a stator and a wound rotor, the method comprising:
  • the estimation of the relative angle between the rotor and the stator may include an estimation of the relative angle between the rotor and the stator currents. Otherwise formulated, we use the rotor angle (estimated or measured) and we apply a Park transformation to the three stator control currents in order to obtain the two stator currents in the Park frame. The relative angle between the stator currents in the Park frame and the rotor is then directly contained in the first and second stator currents, since the control of the stator can be expressed, in the Park frame, in polar coordinates at the using the amplitude of the stator current vector and the angle of the stator current vector with respect to the q axis of the Park frame.
  • the second stator current and the rotor current are such that the rotor remains stationary even if the estimated relative angle has an error of plus or minus 15 degrees, and preferably of plus or minus 45°.
  • the temperature is measured at the traction battery.
  • the rotor control and the stator control include the use of a correspondence table which makes it possible to associate each temperature value with a value of the second of the stator currents and with a rotor current value.
  • the second of the stator currents and the rotor current are equal to first predetermined values
  • the second of the stator currents and the rotor current are equal to second predetermined values, for example a second value of second stator current and a second rotor current values greater in absolute value respectively than the first predetermined value of second rotor current and the second predetermined value of rotor current
  • the second of the stator currents and the rotor current are equal to third values, for example a third predetermined value of second stator current and a third predetermined value of greater rotor current in absolute value respectively to the second predetermined value of second stator current and the second predetermined value of rotor current.
  • the rotor is controlled with a rotor current capable of generating a torque less than or equal to 2 N.m.
  • a traction chain comprising a synchronous electric machine comprising a rotor and a wound stator and equipped with a rotor and stator control module configured to implement the process according to the invention.
  • the traction chain comprises a traction battery and a heat transfer circuit common to the electric machine and the traction battery, the heat transfer circuit being adapted to cool the electric machine and the battery traction.
  • the heat transfer circuit comprises a first section associated with the traction battery and a second section associated with the stator, the first section and the second section being thermally coupled in a first configuration of the heat transfer circuit and thermally isolated in a second configuration of the heat transfer circuit
  • the heat transfer circuit comprises at least one valve configured to, in the first configuration of the heat transfer circuit, thermally couple the first section and the second section and, in the second configuration, thermally isolate the first section from the second section.
  • FIG.l illustrates a motor vehicle equipped with a traction chain according to the invention and adapted to the implementation of the method according to the invention
  • FIG.2 illustrates a mode of implementation of the method according to the invention
  • FIG.3 illustrates another mode of implementation of the method according to the invention
  • FIG.4 illustrates the evolution of the torque applied to the rotor of an electric machine as a function of the uncertainty in the position of the rotor, for different values of rotor current
  • FIG.5 illustrates the evolution of the motor torque as a function of the rotor current, for different stator current values
  • FIG.6 illustrates the evolution of the losses generated by the vehicle's electrical machine as a function of the rotor current, for different values of stator current
  • FIG.7 illustrates the evolution of the losses generated by the power electronics of the vehicle's traction chain as a function of the rotor current, for different values of stator current
  • FIG.8 illustrates the evolution of the total losses generated by the vehicle's traction chain as a function of the rotor current, for different stator current values
  • FIG.l illustrates a motor vehicle 1 equipped with a traction chain 2 comprising an electric machine 3, here a synchronous three-phase electric machine with a wound rotor, powered by a traction battery 4 providing a direct electric current .
  • the traction chain 2 further comprises various components (not shown), in particular power electronics components, making it possible, for example, to adapt the current supplied by the traction battery 4 to the control of the electric machine.
  • An inverter is an example of such a component.
  • a control module 5 is here configured to control the electrical machine 3, in particular to control the control signals circulating in the rotor and in the stator of the motor vehicle 1.
  • the motor vehicle 1 is here equipped with a thermal transfer system 6 thermally coupled to the electric machine 3 and to the traction battery 4.
  • the heat transfer circuit 6 here comprises a first section 7 coupled to the electric machine 3, and a second section 8 coupled to the traction battery 4.
  • Each of these sections comprises one or more coolant circulation pipes, and a heat exchanger associated with the electric machine 3 or with the traction battery 4.
  • the heat transfer circuit 6 comprises a system 9 of valves making it possible to connect the first section 7 and the second section 8 so that they form a single circuit, or to isolate the first section 7 of the second section 8 so that they form two distinct circuits, that is to say thermally isolated.
  • the valve system is controlled by the control module 5.
  • the control means can control the valve system so that the sections 7, 8 are dissociated during the driving of the vehicle 1, and so that they are coupled during the implementation of the method according to the invention.
  • the motor vehicle 1 is suitable for implementing the method according to the invention.
  • the control module 5 is here programmed to control the electrical machine 3 in such a way that it generates thermal losses independent of the engine torque, for example when the vehicle is stationary, as detailed below.
  • FIG.2 illustrates a mode of implementation of the method by the control module of the motor vehicle 1.
  • the control of the stator is here considered in a Park reference frame with axes d, q.
  • the Park transform makes it possible to model the three-phase system of the electric machine 3, conventionally presented in a fixed frame linked to the stator, by a two-phase system in a rotating frame linked to the rotor.
  • the stator control will not be presented here as a triplet of alternating currents phase shifted by 120°, but as a pair of direct currents Id and Iq (hereinafter first stator current Iq and second stator current Id).
  • the first stator current Id corresponds to the stator current projected onto the direct axis of the rotor (conventionally called “axis d”), which is parallel to the rotor coil.
  • the second stator current Iq corresponds to the stator current projected onto the quadrature axis of the rotor (conventionally called “q axis”) which is perpendicular to the rotor coil.
  • the stator control can also be expressed, in the Park frame, in polar coordinates using the amplitude Is of the stator current vector and the angle of the current vector relative to the q axis of the stator frame. Park.
  • the control module 5 is here configured to control the electrical machine 3 so that the traction chain generates thermal losses which are independent of the torque applied to the rotor.
  • the control module is configured to generate thermal losses without causing movement of the vehicle 1, that is to say by maintaining the torque applied to the rotor below a predetermined threshold, for example less than 5 N.m, or even less than 2 N.m, and preferably equal to zero.
  • the thermal losses generated by the traction chain are directed towards one or more other elements of the traction chain, in particular thanks to the thermal transfer circuit 6.
  • the thermal losses are directed towards the battery of traction 4 via the thermal transfer circuit 6 in order to heat this battery when its temperature is low.
  • the method comprises a step El of acquiring a temperature in or around the traction chain, by example at the level of battery 4, in particular via a yes several dedicated temperature sensors.
  • the control module 5 then implements a step E2 of estimating the position of the rotor, for example using a module for measuring the relative angle between the rotor and the stator, which will allow it to generate the appropriate command of the stator in the Park frame corresponding to the estimated position.
  • the control module 5 controls the electrical machine 3 so that it generates thermal losses and so that the rotor and the stator remain substantially stationary relative to each other. (step E3).
  • Thermal losses can for example be generated as a function of temperature measured from the traction battery 4 and a target temperature to be achieved.
  • control module 5 controls the electrical machine 3 so that, in the Park reference frame determined from the relative position of the rotor and the stator, the first stator current Iq is zero and the second current stator Id has a non-zero value which depends on the acquired temperature or, in polar coordinates, so that the amplitude Is of the current vector depends on the acquired temperature and so that the angle Psi is zero.
  • control module 5 controls the rotor with a non-zero rotor current.
  • the method according to the invention can advantageously be used in the context of the preconditioning, or preheating, of the traction battery 4, prior to the use of the vehicle 1, so that even in cold weather, the traction battery 4 presents optimal performance from the first moments of using the vehicle.
  • the method according to this embodiment can be programmed so as to be triggered at a specific time of the day, for example one hour before the use of the vehicle 1, or be triggered directly remotely, for example at the using a mobile communication system, in particular from a computer connected to the Internet.
  • control module is configured to operate in three different active modes, depending on the temperature of the battery 4. The idea is that the losses emitted are all the greater as the temperature is low.
  • the second stator current is equal to a first stator current value, here, -176 A, and the rotor current is equal to a first rotor current value, here 2.9A.
  • the second stator current Id is equal to a second stator current value, here -115 A
  • the rotor current is equal to a second rotor current value, here 1.9 A.
  • the second stator current is equal to a third stator current value, here - 55 A
  • the rotor current is equal to a third value of rotor current, here 0.8 A.
  • the vehicle in an initial situation, the vehicle is parked outside by cold weather and battery 4, inactive for a sufficiently long time, has a temperature substantially equal to the outside temperature, here -5 degrees.
  • the control module 5 when the process is triggered, the control module 5 triggers an MO measurement of the battery temperature.
  • the measured temperature is lower than the first threshold and the process is therefore triggered according to the first mode Ml, which here results in the generation of a thermal power of 1500 W by the traction chain.
  • the control module 5 maintains the corresponding current values so as to increase the temperature of the battery. If the measured temperature had been different, the process would have continued in another operating mode, for example an operating mode resulting in the generation of a lower thermal power, here the second mode M2 or the third mode M3.
  • the method is implemented according to the second mode M2, which here results in the generation of a thermal power of 900 W by the traction chain, and the temperature of battery 4 continues to increase.
  • the process is implemented according to the third mode M3, which here results in the generation of a thermal power of 450 W, and the temperature of the battery continues to increase.
  • the process ceases (step F, corresponding to inactive mode) and the motor vehicle is suitable for use with optimal battery performance.
  • the values of the control currents of the electrical machine 3 are here chosen from a pre-established correspondence table.
  • the correspondence table may have been established from a computer program implementing a quasi-static energy model, here a model of an assembly comprising the inverter and the electrical machine.
  • stator current Iq In order to cancel the value of the torque Ce, the cancellation of the first value of stator current Iq seems obvious. The production of thermal losses would then be ensured by the second stator current Id.
  • first stator current Iq and second stator current Id only makes sense relative to the position of the rotor, since the Park reference is a reference linked to the rotor.
  • the determined stator current values Id and Iq correspond to an erroneous Park reference which is slightly offset from its actual position (the position of the rotor).
  • the inventors were able to determine, using simulations and tests on test benches, the evolution of the electromagnetic torque produced by the electric machine as a function of the error in the position of the rotor, translated here by a variation of the angle Psi of plus or minus 15° around -90° (i.e. over a range from -105° to -75°), for a fixed value of the second stator current Id equal to -250 A.
  • FIG.4 illustrates the results from the simulation, for stator current values If ranging from 0 to 6 A.
  • the quasi-static energy model was therefore developed in order to produce a correspondence table, or map of values, which can be used in the method according to the invention.
  • This model takes into account the electromagnetic operating equations of the electric machine and uses parameters of the electric machine from simulations.
  • Such a model receives, as input value, the polar coordinates of the stator current in the unshifted Park frame, the rotor current, the speed of the electric machine and the temperatures of the rotor and stator.
  • the quasi-static energy model provides as output the corresponding torque applied to the rotor shaft as well as the total losses, that is to say here the losses generated by the inverter and the losses generated by the electric machine 3.
  • FIG.5 illustrates the evolution of the torque applied to the rotor (the “machine torque”)
  • FIG.6 illustrates the evolution of the thermal losses generated by the electric machine 3 (the “ME losses”)
  • FIG.7 illustrates the evolution of the thermal losses generated by the power electronics of the traction chain 2 (the “EDP losses”)
  • FIG.8] illustrates the evolution of the total losses of the traction chain 2, that is to say the thermal losses generated by the power electronics and by the electrical machine 3.
  • Each of the figures represents five curves which correspond to five values distinct from the amplitude of the current vector Is in the Park reference frame, here 55 A, 85 A, 115 A, 145 A and 176 A.
  • the crosses correspond to thousand torque values, and therefore to the optimal values of the rotor currents and stator.
  • the quasi-static energy model makes it possible to obtain a correspondence between the stator current, the rotor current and the losses generated by the traction chain so that the motor torque is substantially zero. These values can be recorded in the correspondence table used in the method according to the invention.
  • the invention is not limited to the embodiments and implementations described above.
  • a method has previously been described implementing three operating modes Ml, M2 and M3 associated with three temperature threshold values, the method is compatible with any other number of operating modes each associated with a range of distinct temperatures.
  • the temperature ranges can also be of different amplitudes. For example, we could provide a single operating mode when the temperature is below 8°C. Again as an example, we could provide more than four operating modes.
  • thermal exchanges between the electric machine 3 and the traction battery 4 have been described here in order to heat the latter.
  • the invention is of course not limited to this exchange and preferably, the thermal exchanges are carried out between several elements of the traction chain, for example the inverter and the electric machine, and the battery.
  • the invention is not limited to preheating the battery, but is also applicable to the preheating of other elements of the vehicle 1, for example to heat or preheat elements external to the traction chain 2, typically the passenger compartment of vehicle 1.
  • the temperature measurement can be carried out at another level of the traction chain or at another level of the vehicle, and/or be carried out at different locations of the vehicle.
  • the method can be implemented to heat another element of the traction chain.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

L'invention concerne un procédé de génération de pertes thermiques dans une chaîne de traction (2) qui comprend une machine électrique (3) synchrone comportant un stator et un rotor bobiné, le procédé comprenant: - une étape d'acquisition d'une température dans ou autour de la chaîne de traction, - une étape d'estimation d'un angle relatif entre le rotor et le stator, - en fonction de la température acquise, une étape de commande du rotor et du stator de manière qu'ils génèrent des pertes thermiques et qu'ils restent sensiblement immobiles l'un par rapport à l'autre, le rotor étant commandé avec un courant rotorique non nul. Il est également proposé une chaîne de traction adaptée à la mise en œuvre du procédé selon l'invention, et un véhicule automobile équipé d'une telle chaîne de traction.

Description

Description
Titre de l'invention : minimisation du couple moteur d’une machine synchrone à rotor bobiné lors du pré-conditionnement thermique de la batterie
[0001] La présente invention concerne de manière générale les machines électriques, notamment les machines électriques alimentées par une batterie.
[0002] Elle concerne plus particulièrement le conditionnement, ou préchauffage, de la batterie associée à une machine électrique.
[0003] L’invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de l’automobile.
Etat de la technique
[0004] Certaines machines électriques alimentées par une batterie, notamment les machines électriques des véhicules automobiles, sont parfois soumises à des températures très basses, voire négatives, par exemple en hiver.
[0005] Or, les performances de la batterie sont, dans une certaine mesure, inversement proportionnelles à la température. Ainsi, lors du démarrage de la machine électrique, par exemple à l’allumage d’un véhicule automobile après un stationnement prolongé en extérieur par temps froid, les performances de la batterie peuvent laisser à désirer.
[0006] Des solutions existent pour réaliser un préchauffage de la batterie préalable à l’utilisation du véhicule automobile, qui visent à obtenir des performances optimales du véhicule dès les premiers instants de son utilisation.
[0007] Parmi ces solutions, il existe l’ajout d’un dispositif de chauffage additionnel, appelé chauffage CTP (Coefficient de Température Positif), dédié au préchauffage de la batterie. Toutefois, cette solution est onéreuse.
[0008] Une autre solution comporte la commande de la machine électrique de façon à augmenter les pertes thermiques produites par la chaîne de traction, et d’utiliser ce surplus de chaleur pour réchauffer la batterie.
[0009] Afin de procéder au préchauffage de la batterie alors que le véhicule est en stationnement, il est nécessaire que la commande de la machine électrique n’entraîne pas l’apparition d’un couple moteur afin de maintenir le véhicule immobile. Cette solution implique de connaître avec précision la position du rotor de façon que la force électromagnétique générée par le stator n’engendre pas de couple. Cependant, il arrive que la position du rotor mesurée par le véhicule soit erronée de quelques degrés. Il en résulte alors la génération d’un couple moteur qui peut entraîner la mise en mouvement du véhicule.
[0010] Le demande de brevet français publiée sous le numéro FR 3 080 239 propose un tel procédé dans lequel la commande du stator est asservie sur la valeur de l’erreur de mesure de la position du rotor.
Présentation de l'invention
[0011] Afin de fournir une alternative à l’état de la technique, la présente invention propose d’augmenter les pertes thermiques de la chaîne de traction sans produire un couple qui mettrait le véhicule en mouvement, ni asservir la commande du stator sur la valeur de l’erreur de mesure de la position du rotor.
[0012] Plus particulièrement, on propose selon l’invention un procédé de génération de pertes thermiques dans une chaîne de traction qui comprend une machine électrique synchrone comportant un stator et un rotor bobiné, le procédé comprenant :
- une étape d’acquisition d’une température dans ou autour de la chaîne de traction,
- une étape d’estimation d’un angle relatif entre le rotor et le stator,
- en fonction de la température acquise, une étape de commande du rotor et du stator de manière qu’ils génèrent des pertes thermiques et qu’ils restent sensiblement immobiles l’un par rapport à l’autre, dans lequel le stator est commandé, dans un repère de Park issu de l’estimation de l’angle relatif, de manière qu‘un premier des courants statoriques soit nul et qu‘un second des courants statoriques soit non nul, et en ce que le rotor est commandé avec un courant rotorique non nul.
[0013] L’estimation de l’angle relatif entre le rotor et le stator peut comprendre une estimation de l’angle relatif entre le rotor et les courants statoriques. Autrement formulé, on se sert de l’angle du rotor (estimé ou mesuré) et on applique une transformation de Park aux trois courants de commande du stator afin d’obtenir les deux courants statoriques dans le repère de Park. L’angle relatif entre les courants statoriques dans le repère de Park et le rotor est alors directement contenu dans les premiers et deuxième courants statoriques, puisque la commande du stator peut s’exprimer, dans le repère de Park, en coordonnées polaires à l’aide de l’amplitude du vecteur courant statorique et l’angle du vecteur courant statorique par rapport à l’axe q du repère de Park.
[0014] Grâce à l’invention, il est possible de générer des pertes thermiques en maintenant un couple nul ou négligeable. En particulier, la commande du rotor permet de façon simple de compenser un couple qui serait dû à une erreur de mesure de la position du rotor. On s’affranchit donc d’une détermination d’une erreur éventuelle sur la position mesurée du rotor, et d’un asservissement de la commande du stator sur l’erreur de mesure de la position du rotor.
[0015] D’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de la machine électrique conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes : - le second courant statorique et le courant rotorique sont déterminés en fonction de la température acquise.
- le second courant statorique et le courant rotorique sont tels que le rotor reste immobile même si l’angle relatif estimé présente une erreur de plus ou moins 15 degrés, et préférentiellement de plus ou moins 45°.
- la machine électrique étant alimentée par une batterie de traction, la température est mesurée au niveau de la batterie de traction.
- au moins une partie des pertes thermiques est transmise à la batterie de traction par un circuit de transfert thermique.
- la commande du rotor et la commande du stator comportent l’emploi d’une table de correspondance qui permet d’associer chaque valeur de température à une valeur du second des courants statoriques et à une valeur de courant rotorique.
- si la température acquise est inférieure à un premier seuil prédéterminé, alors le second des courants statoriques et le courant rotorique sont égaux à des premières valeurs prédéterminées, si la température acquise est comprise entre le premier seuil et un deuxième seuil, alors le second des courants statoriques et le courant rotorique sont égaux à des deuxièmes valeurs prédéterminées, par exemple une deuxième valeur de second courant statorique et une deuxième valeurs de courant rotorique supérieures en valeur absolue respectivement à la première valeur prédéterminée de second courant rotorique et à la deuxième valeur prédéterminée de courant rotorique, si la température acquise est supérieure au deuxième seuil, alors le second des courants statorique et le courant rotorique sont égaux à des troisièmes valeurs, par exemple une troisième valeur prédéterminée de second courant statorique et une troisième valeur prédéterminée de courant rotorique supérieures en valeur absolue respectivement à la deuxième valeur prédéterminée de second courant statorique et la deuxième valeur prédéterminée de courant rotorique.
- le rotor est commandé avec un courant rotorique apte à générer un couple inférieur ou égal à 2 N.m.
[0016] Selon un autre aspect de l’invention, il est proposé une chaîne de traction comprenant une machine électrique synchrone comportant un rotor et un stator bobiné et équipée d’un module de commande du rotor et du stator configuré pour mettre en œuvre le procédé selon l’invention.
[0017] D’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de la chaîne de traction conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes :
- la chaîne de traction comporte une batterie de traction et un circuit de transfert thermique commun à la machine électrique et à la batterie de traction, le circuit de transfert thermique étant adapté à refroidir la machine électrique et la batterie de traction.
- le circuit de transfert thermique comporte une première section associée à la batterie de traction et une deuxième section associée au stator, la première section et la deuxième section étant thermiquement couplées dans une première configuration du circuit de transfert thermique et thermiquement isolées dans une deuxième configuration du circuit de transfert thermique
- le circuit de transfert thermique comporte au moins une vanne configurée pour, dans la première configuration du circuit de transfert thermique, coupler thermiquement la première section et la deuxième section et, dans la deuxième configuration, isoler thermiquement la première section de la deuxième section.
[0018] Selon un autre aspect de l’invention, il est proposé un véhicule automobile équipé d’une chaîne de traction selon l’invention.
[0019] Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.
Description détaillée de l'invention
[0020] La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée.
[0021] Sur les dessins annexés :
[0022] [Fig.l] illustre un véhicule automobile équipé d’une chaîne de traction selon l’invention et adapté à la mise en œuvre du procédé selon l’invention ;
[0023] [Fig.2] illustre un mode de mise en œuvre du procédé selon l’invention ;
[0024] [Fig.3] illustre un autre mode de mise en œuvre du procédé selon l’invention ;
[0025] [Fig.4] illustre l’évolution du couple appliqué au rotor d’une machine électrique en fonction de l’incertitude sur la position du rotor, pour différentes valeurs de courant rotorique ;
[0026] [Fig.5] illustre l’évolution du couple moteur en fonction du courant rotorique, pour différentes valeurs de courant statorique ;
[0027] [Fig.6] illustre l’évolution des pertes générées par la machine électrique du véhicule en fonction du courant rotorique, pour différentes valeurs de courant statorique,
[0028] [Fig.7] illustre l’évolution des pertes générées par l’électronique de puissance de la chaîne de traction du véhicule en fonction du courant rotorique, pour différentes valeurs de courant statorique,
[0029] [Fig.8] illustre l’évolution des pertes totales générées par la chaîne de traction du véhicule en fonction du courant rotorique, pour différentes valeurs de courant statorique, [0030] A titre préliminaire, on notera que les éléments identiques de l’invention représentés sur les différentes figures seront, dans la mesure du possible, référencés par les mêmes signes de référence.
[0031] On notera également que dans cette description, on commencera par décrire un exemple de véhicule automobile conforme à l’invention, puis un exemple de procédé mis en œuvre par ce véhicule, avant de décrire comment a été paramétré ce procédé.
[0032] La [Fig.l] illustre un véhicule automobile 1 équipé d’une chaîne de traction 2 comportant une machine électrique 3, ici une machine électrique triphasée synchrone à rotor bobiné, alimentée par une batterie de traction 4 fournissant un courant électrique continu. La chaîne de traction 2 comporte en outre divers composants (non représentés), notamment des composants d’électronique de puissance, permettant par exemple d’adapter le courant fourni par la batterie de traction 4 à la commande de la machine électrique. Un onduleur est un exemple d’un tel composant.
[0033] Un module de commande 5 est ici configuré pour commander la machine électrique 3, notamment pour commander les signaux de commande circulant dans le rotor et dans le stator du véhicule automobile 1.
[0034] Le véhicule automobile 1 est ici équipé d’un système de transfert thermique 6 thermiquement couplé à la machine électrique 3 et à la batterie de traction 4.
[0035] Le circuit de transfert thermique 6 comporte ici une première section 7 couplée à machine électrique 3, et une deuxième section 8 couplée à la batterie de traction 4. Chacune de ces sections comporte une ou plusieurs conduites de circulation de liquide de refroidissement, et un échangeur de chaleur associé à la machine électrique 3 ou à la batterie de traction 4.
[0036] Dans ce mode de réalisation, le circuit de transfert thermique 6 comporte un système 9 de vannes permettant de connecter la première section 7 et la deuxième section 8 de façon qu’elles forment un seul et même circuit, ou bien d’isoler la première section 7 de la deuxième section 8 de façon qu’elles forment deux circuits distincts, c’est-à-dire thermiquement isolés. Par exemple, le système de vannes est commandé par le module de commande 5. Par exemple, les moyens de commande peuvent commander le système de vannes de façon que les sections 7, 8 soient dissociées pendant le roulage du véhicule 1, et de façon qu’elles soient couplées pendant la mise en œuvre du procédé selon l’invention.
[0037] Le véhicule automobile 1 est adapté à la mise en œuvre du procédé selon l’invention. Le module de commande 5 est ici programmé pour commander la machine électrique 3 de tel façon qu’elle génère des pertes thermiques indépendantes du couple moteur, par exemple lorsque le véhicule est à l’arrêt, comme détaillé ci-après.
[0038] La [Fig.2] illustre un mode de mise en œuvre du procédé par le module de commande du véhicule automobile 1. [0039] A des fins de simplification de l’exposé, la commande du stator est ici considérée dans un repère de Park d’axes d, q. La transformée de Park permet de modéliser le système triphasé de la machine électrique 3, classiquement présenté dans un repère fixe lié au stator, par un système diphasé dans un repère tournant lié au rotor. Ainsi, la commande du stator ne sera pas présentée ici comme un triplet de courant alternatifs déphasés de 120°, mais comme un couple de courants continus Id et Iq (ci-après premier courant statorique Iq et second courant statorique Id). Le premier courant statorique Id correspond au courant statorique projeté sur l’axe direct du rotor (classiquement appelé « axe d »), qui est parallèle à la bobine du rotor. Le deuxième courant statorique Iq correspond au courant statorique projeté sur l’axe en quadrature du rotor (classiquement appelé « axe q ») qui est perpendiculaire à la bobine du rotor. La commande du stator peut en outre s’exprimer, dans le repère de Park, en coordonnées polaires à l’aide de l’amplitude Is du vecteur courant statorique et l’angle du vecteur courant par rapport à l’axe q du repère de Park.
[0040] Le module de commande 5 est ici configuré pour commander la machine électrique 3 de façon que la chaîne de traction génère des pertes thermiques qui sont indépendantes du couple appliqué au rotor. En particulier ici, le module de commande est configuré pour générer des pertes thermiques sans entraîner un déplacement du véhicule 1, c’est-à-dire en maintenant le couple appliqué au rotor inférieur à un seuil prédéterminé, par exemple inférieur à 5 N.m, voire inférieur à 2 N.m, et de préférence égal à zéro.
[0041] De préférence, les pertes thermiques générées par la chaîne de traction sont dirigées vers un ou plusieurs autres éléments de la chaîne de traction, notamment grâce au circuit de transfert thermique 6. Préférentiellement ici, les pertes thermiques sont dirigées vers la batterie de traction 4 par l’intermédiaire du circuit de transfert thermique 6 afin de réchauffer cette batterie lorsque sa température est faible.
[0042] Afin de connaître la température de la batterie de traction 4 et d’en déduire la quantité de pertes thermiques à générer, le procédé comporte une étape El d’acquisition d’une température dans ou autour de la chaîne de traction, par exemple au niveau de la batterie 4, notamment par l’intermédiaire d’un oui plusieurs capteurs de température dédiés.
[0043] Le module de commande 5 met ensuite en œuvre une étape E2 d’estimation de la position du rotor, par exemple à l’aide d’un module de mesure de l’angle relatif entre le rotor et le stator, ce qui lui permettra de générer la commande adéquate du stator dans le repère de Park correspondant à la position estimée.
[0044] En fonction de la température acquise, le module de commande 5 commande la machine électrique 3 de façon qu’elle génère des pertes thermiques et de façon que le rotor et le stator restent sensiblement immobiles l’un par rapport à l’autre (étape E3). Les pertes thermiques peuvent être par exemple générées en fonction de la température mesurée de la batterie de traction 4 et d’une température cible à atteindre.
[0045] En particulier, le module de commande 5 commande la machine électrique 3 de façon que, dans le repère de Park déterminé à partir de la position relative du rotor et du stator, le premier courant statorique Iq soit nul et que le second courant statorique Id présente une valeur non nulle qui dépend de la température acquise ou, en coordonnées polaires, de façon que l’amplitude Is du vecteur courant dépende de la température acquise et de façon que l’angle Psi soit nul.
[0046] Afin notamment de compenser une éventuelle erreur dans l’estimation de la position du rotor, le module de commande 5 commande le rotor avec un courant rotorique non nul.
[0047] Le procédé selon l’invention peut avantageusement être employé dans le cadre du préconditionnement, ou préchauffage, de la batterie de traction 4, préalablement à l’utilisation du véhicule 1, afin que même par temps froid, la batterie de traction 4 présente des performances optimales dès les premiers instants de l’utilisation du véhicule.
[0048] Le procédé selon ce mode de réalisation peut être programmé de façon à se déclencher à une heure précise de la journée, par exemple une heure avant l’utilisation du véhicule 1, ou être déclenché directement à distance, par exemple à l’aide d’un système de communication mobile, notamment depuis un ordinateur connecté à Internet.
[0049] Dans ce procédé, le module de commande est configuré pour fonctionner selon trois modes actifs différents, selon la température de la batterie 4. L’idée est que les pertes émises soient d’autant plus importantes que la température est basse.
[0050] Dans un premier mode de fonctionnement associé à une température de la batterie 4 inférieure à un premier seuil prédéterminé, ici 0 °C, le second courant statorique est égal à une première valeur de courant statorique, ici, -176 A, et le courant rotorique est égal à une première valeur de courant rotorique, ici 2,9A.
[0051] Dans un deuxième mode de fonctionnement associé à une température de la batterie 4 comprise entre le premier seuil et un deuxième seuil, ici 4 °C, le second courant statorique Id est égal à une deuxième valeur de courant statorique, ici -115 A, et le courant rotorique est égale à une deuxième valeur de courant rotorique, ici 1,9 A.
[0052] Dans un troisième mode de fonctionnement associé à une température de la batterie 4 supérieure au deuxième seuil et inférieur à un troisième seuil, ici 8 °C, alors le second courant statorique est égal à une troisième valeur de courant statorique, ici -55 A, et le courant rotorique est égal à une troisième valeur de courant rotorique, ici 0,8 A.
[0053] Lorsque la température de la batterie atteint le troisième seuil, alors le procédé prend fin (mode inactif).
[0054] Par exemple, dans une situation initiale, le véhicule est stationné en extérieur par temps froid et la batterie 4, inactive depuis un temps suffisamment long, présente une température sensiblement égale à la température extérieure, ici -5 degrés.
[0055] Comme l’illustre la [Fig.3], lors du déclenchement du procédé, le module de commande 5 déclenche une mesure MO de la température de la batterie. Ici, la température mesurée est inférieure au premier seuil et le procédé se déclenche donc selon le premier mode Ml, qui entraîne ici la génération d’une puissance thermique de 1500 W par la chaîne de traction. Le module de commande 5 maintient les valeurs de courants correspondantes de façon à augmenter la température de la batterie. Si la température mesurée avait été différente, le procédé se serait poursuivi selon un autre mode de fonctionnement, par exemple un mode de fonctionnement entraînant la génération d’une puissance thermique plus faible, ici le deuxième mode M2 ou le troisième mode M3.
[0056] Lorsque la température de la batterie 4 atteint le premier seuil, alors le procédé est mis en œuvre selon le deuxième mode M2, qui entraîne ici la génération d’une puissance thermique de 900 W par la chaîne de traction, et la température de la batterie 4 continue d’augmenter. Lorsqu’elle atteint le deuxième seuil, alors le procédé est mis en œuvre selon le troisième mode M3, qui entraîne ici la génération d’une puissance thermique de 450 W, et la température de la batterie continue d’augmenter. Lorsqu’elle atteint le troisième seuil, le procédé cesse (étape F, correspondant au mode inactif) et le véhicule automobile est apte à être utilisé avec des performances optimales de la batterie.
[0057] Les valeurs des courants de commande de la machine électrique 3 sont ici choisies dans une table de correspondance préétablie. Par exemple, la table de correspondance peut avoir été établie à partir d’un programme informatique implémentant un modèle énergétique en quasi-statique, ici un modèle d’un ensemble comprenant l’onduleur et la machine électrique.
[0058] Afin de bien saisir le principe sur lequel repose ce modèle et comment ces valeurs ont été choisies, il convient de considérer l’équation suivante donnant la valeur du couple Ce appliqué au rotor :
[0059] [Math.l]
Ce = ^{ dldlq - LqldJq + Mf J fdqj
[0060] Avec Ld et Lq les inductances statoriques sur les axes d et q du repère de Park (non égales dans une machine à pôles saillants), Mf l’inductance mutuelle entre le rotor et le stator, If le courant rotorique et p le nombre de paires de pôles du stator.
[0061] Afin d’annuler la valeur du couple Ce, l’annulation de la première valeur de courant statorique Iq semble évidente. La production de pertes thermiques serait alors assurée par le deuxième courant de stator Id. [0062] Toutefois, la notion de premier courant statorique Iq et de deuxième courant statorique Id n’a de sens que relativement à la position du rotor, puisque le repère de Park est un repère lié au rotor. Ainsi, en cas d’erreur dans la mesure de la position du rotor, par exemple une erreur de quelques degrés, les valeurs de courants statorique Id et Iq déterminées correspondent à un repère de Park erroné qui est légèrement décalé par rapport à sa position réelle (la position du rotor). Il en résulte des valeurs effectives (dans le repère de Park non décalé) des courants Id et Iq légèrement différentes, et donc un courant Iq non nul (ou un angle Psi non nul). Ceci risque alors de produire un couple moteur dangereux lorsque le véhicule automobile doit rester immobile.
[0063] Les inventeurs ont pu déterminer, à l’aide de simulations et d’essais sur des bancs de test, l’évolution du couple électromagnétique produit par la machine électrique en fonction de l’erreur sur la position du rotor, traduite ici par une variation de l’angle Psi de plus ou moins 15° autour de -90° (c’est-à-dire sur une plage allant de -105° à -75°), pour une valeur fixée du deuxième courant statorique Id égale à -250 A. La [Fig.4] illustre les résultats issus de la simulation, pour des valeurs de courants statoriques If allant de 0 à 6 A.
[0064] Sur la [Fig.4], on observe qu’une valeur optimale du courant rotorique est égale à 4 A, puisqu’elle permet de garantir un couple au rotor (le « couple machine ») quasi- nul sur toute la plage de variation étudiée.
[0065] Le modèle énergétique en quasi-statique a donc été développé afin de produire une table de correspondance, ou cartographie de valeurs, qui puisse être employée dans le procédé selon l’invention. Ce modèle prend en compte les équations électromagnétiques de fonctionnement de la machine électrique et utilise des paramètres de la machine électrique issus de simulations. Un tel modèle reçoit, en tant que valeur d’entrée, les coordonnées polaires du courant statorique dans le repère de Park non décalé, le courant rotorique, la vitesse de la machine électrique et les températures du rotor et du stator. Le modèle énergétique en quasi-statique fournit en sortie le couple correspondant appliqué à l’arbre rotor ainsi que les pertes totales, c’est-à-dire ici les pertes générées par l’onduleur et les pertes générées par la machine électrique 3.
[0066] Les [Fig.5] à 8 illustrent une partie des résultats obtenus pour une erreur de 15° dans la position du rotor (soit Psi = -105°) en fonction du courant rotorique. La [Fig.5] illustre l’évolution du couple appliqué au rotor (le « couple machine »), la [Fig.6] illustre l’évolution des pertes thermiques générées par la machine électrique 3 (les « pertes ME »), la [Fig.7] illustre l’évolution des pertes thermiques générées par l’électronique de puissance de la chaîne de traction 2 (les « pertes EDP »), et la [Fig.8] illustre l’évolution des pertes totales de la chaîne de traction 2, c’est-à-dire les pertes thermiques générées par l’électronique de puissance et par la machine électrique 3. Chacune des figures représente cinq courbes qui correspondent à cinq valeurs distinctes de l’amplitude du vecteur courant Is dans le repère de Park, ici 55 A, 85 A, 115 A, 145 A et 176 A. Les croix correspondent à des valeurs de couple milles, et donc aux valeurs optimales des courants rotoriques et statoriques.
[0067] On observe ici que la valeur de courant rotorique est fortement dépendante de la valeur du courant statorique.
[0068] Ainsi le modèle énergétique en quasi-statique permet d’obtenir une correspondance entre le courant statorique, le courant rotorique et les pertes générées par la chaîne de traction pour que le couple moteur soit sensiblement nul. Ces valeurs peuvent être enregistrées dans la table de correspondance employée dans le procédé selon l’invention.
[0069] Il est en outre possible d’associer chaque triplet de valeurs à une plage de température correspondante, afin d’implémenter le procédé selon le mode de réalisation décrit précédemment en lien avec les figures 2 et 3.
[0070] L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation et de mise en œuvre décrits précédemment. Ainsi, bien qu’il ait été décrit précédemment un procédé mettant en œuvre trois modes de fonctionnement Ml, M2 et M3 associés à trois valeurs seuil de températures, le procédé est compatible avec tout autre nombre de modes de fonctionnement associés chacun à une plage de températures distincte. Les plages de températures peuvent en outre être d’amplitudes différentes. A titre d’exemple, on pourrait prévoir un seul mode de fonctionnement lorsque la température est inférieure à 8°C. Encore à titre d’exemple, on pourrait prévoir plus de quatre modes de fonctionnement.
[0071] Par ailleurs il a été décrit ici des échanges thermiques entre la machine électrique 3 et la batterie de traction 4 afin de réchauffer cette dernière. L’invention n’est bien sûr pas limitée à cet échange et préférentiellement, les échanges thermiques sont effectués entre plusieurs éléments de la chaîne de traction, par exemple l’onduleur et la machine électrique, et la batterie.
[0072] Enfin, l’invention n’est pas limitée à un préchauffage de la batterie, mais est aussi applicable au préchauffage d’autres éléments du véhicule 1, par exemple pour chauffer ou préchauffer des éléments extérieurs à la chaîne de traction 2, typiquement l’habitacle du véhicule 1.
[0073] Par ailleurs, la mesure de la température peut être réalisée à un autre niveau de la chaîne de traction ou à un autre niveau du véhicule, et/ou être réalisée à différents emplacements du véhicule.
[0074] Enfin, le procédé peut être mis en œuvre pour réchauffer un autre élément de la chaîne de traction.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Procédé de génération de pertes thermiques dans une chaîne de traction (2) qui comprend une machine électrique (3) synchrone comportant un stator et un rotor bobiné, le procédé comprenant :
- une étape d’acquisition d’une température dans ou autour de la chaîne de traction (2),
- une étape d’estimation d’un angle relatif entre le rotor et le stator,
- en fonction de la température acquise, une étape de commande du rotor et du stator de manière qu’ils génèrent des pertes thermiques et qu’ils restent sensiblement immobiles l’un par rapport à l’autre, caractérisé en ce que le stator est commandé, dans un repère de Park issu de l’estimation de l’angle relatif, de manière qu‘un premier des courants statoriques (Iq) soit nul et qu‘un second des courants sta- toriques (Id) soit non nul, et en ce que le rotor est commandé avec un courant rotorique (If) non nul.
[Revendication 2] Procédé selon la revendication 1, dans lequel le second courant statorique (Id) et le courant rotorique (If) sont déterminés en fonction de la température acquise.
[Revendication 3] Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le second courant statorique (Id) et le courant rotorique (If) sont tels que le rotor reste immobile même si l’angle relatif estimé présente une erreur de plus ou moins 15 degrés, et préférentiellement de plus ou moins 45°.
[Revendication 4] Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la machine électrique (3) étant alimentée par une batterie de traction (4), la température est mesurée au niveau de la batterie de traction (4).
[Revendication 5] Procédé selon la revendication 4, dans lequel au moins une partie des pertes thermiques est transmise à la batterie de traction (4) par un circuit de transfert thermique.
[Revendication 6] Procédé selon l’une quelconque des revendication 1 à 5, dans lequel la commande du rotor et la commande du stator comportent l’emploi d’une table de correspondance qui permet d’associer chaque valeur de température à une valeur du second des courants statorique (Id) et à une valeur de courant rotorique (If).
[Revendication 7] Procédé selon la revendication 6, dans lequel
- si la température acquise est inférieure à un premier seuil prédéterminé, alors le second des courants statoriques (Id) et le courant rotorique (If sont égaux à des premières valeurs prédéterminées, - si la température acquise est comprise entre le premier seuil et un deuxième seuil, alors le second (Id) des courants statoriques et le courant rotorique (If) sont égaux à des deuxièmes valeurs,
- si la température acquise est supérieure au deuxième seuil, alors le second des courants statoriques et le courant rotorique sont égaux à des troisièmes valeurs.
[Revendication 8] Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le rotor est commandé avec un courant rotorique (If apte à générer un couple inférieur ou égal à 2 N.m.
[Revendication 9] Chaîne de traction comprenant une machine électrique (3) synchrone comportant un rotor et un stator bobiné et équipée d’un module de commande (5) du rotor et du stator configuré pour mettre en œuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
[Revendication 10] Chaîne de traction selon la revendication 9, comportant une batterie de traction (4) et un circuit de transfert thermique (6) commun à la machine électrique (3) et à la batterie de traction (4), le circuit de transfert thermique (6) étant adapté à refroidir la machine électrique (3) et la batterie de traction (4)
[Revendication 11] Chaîne de traction selon la revendication 10, dans lequel le circuit de transfert thermique (6) comporte une première section (7) associée à la batterie de traction (4) et une deuxième section (8) associée au stator, la première section (7) et la deuxième section (8) étant thermiquement couplées dans une première configuration du circuit de transfert thermique (6) et thermiquement isolées dans une deuxième configuration du circuit de transfert thermique (6) par un système de vannes.
[Revendication 12] Véhicule automobile équipé d’une chaîne de traction (2) selon l’une quelconque des revendications 9 à 11.
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