FR2772684A1 - Procede de regulation de la puissance d'une chaine de traction de vehicule electrique - Google Patents

Abstract

Procédé de régulation de la puissance d'un véhicule comprenant une chaîne de traction incluant un moteur électrique de traction, un superviseur du moteur électrique, et une batterie d'alimentation du moteur.Le procédé comprend un asservissement de la puissance consommée par la chaîne de traction à une consigne de distance à franchir fixée par le conducteur.

Description

Procédé de régulation de la puissance d'une chaîne de traction de
véhicule électrique.

La présente invention relève du domaine de la régulation de puissance et est notamment adaptée aux véhicules électriques qui nécessitent de connaître la distance pouvant être encore parcourue et ce en raison de leur autonomie relativement faible.

Les véhicules électriques futurs vont voir leur autonomie maximale augmenter. Pour certains cycles d'utilisation, on pourra vraisemblablement dépasser les 200 kms d'autonomie. Néanmoins, l'autonomie d'un véhicule électrique restera toujours dépendante de la façon de conduire du conducteur et peut être réduite d'environ 50% dans le cas d'une conduite brusquée par rapport à une conduite douce.

Certains véhicules électriques actuels disposent d'une indication d'autonomie prévisionnelle, mais c'est au conducteur d'adapter sa conduite pour pouvoir parvenir à sa destination. Ceci engendre un sentiment d'inconfort lié à l'angoisse de la panne d'énergie.

Avec l'extension du rayon d'action des véhicules électriques, il est intéressant que le conducteur puisse être garanti de pouvoir parcourir la distance minimale de son choix, dans les limites des possibilités du véhicule bien entendu.

Le document US-A-5 367455 (HONDA) propose de déclencher des stratégies de limitation des performances dès qu'un niveau de décharge de la batterie est franchi. Le système va limiter un ou plusieurs paramètres, accélération, vitesse, etc., en fonction de la phase d'utilisation du véhicule : démarrage, dépassement, etc. Toutefois, ce système ne permet pas de garantir une autonomie fixée du véhicule.

L'invention a pour objet de réguler la puissance crête de la chaîne de traction du véhicule, donc sa consommation, en fonction d'une consigne de distance à parcourir fournie par le conducteur, et de l'état de charge de la batterie. Ce procédé permet d'améliorer de manière importante le confort de conduite d'un véhicule électrique sur trajet long et étend de ce fait l'utilisation des véhicules électriques.

L'invention a pour objet de proposer un procédé qui agit sur le paramètre essentiel de la consommation, à savoir la puissance de la chaîne de traction.

Le procédé de régulation, selon l'invention, est destiné à réguler la puissance d'un véhicule comprenant une chaîne de traction incluant un moteur électrique de traction, un superviseur du moteur électrique, et une batterie d'alimentation du moteur. Le procédé comprend un asservissement de la puissance consommée par la chaîne de traction à une consigne de distance à franchir fixée par le conducteur. Le procédé ne nécessite aucun capteur d'accélération.

Avantageusement, on effectue la mesure de l'énergie disponible de la batterie, et la mesure de la tension et du courant fournis par la batterie.

Dans un mode de réalisation de l'invention, on mesure la vitesse du moteur et la position de la pédale d'accélération.

On peut limiter la puissance maximale de la chaîne de traction en fonction de la consommation courante du véhicule, le couple maximal fourni par le moteur au démarrage restant inchangé et ne diminuant pas les capacités de démarrage en côte du véhicule.

Dans un mode de réalisation de l'invention, l'asservissement est mis en oeuvre après sélection par le conducteur et vérification du fait que l'énergie disponible de la batterie est supérieure au produit de la distance de consigne par une consommation minimale prédéterminée.

Avantageusement, on calcule la valeur de la consommation énergétique du véhicule et on compare cette valeur à une consigne de consommation maximale calculée en effectuant le rapport de l'énergie disponible de la batterie par la différence entre la distance de consigne et la distance parcourue depuis la mise en oeuvre de l'asservissement, la distance parcourue depuis la mise en oeuvre de l'asservissement étant calculée par intégration de la valeur de la vitesse du moteur.

On peut calculer une consigne de consommation maximale corrigée égale au produit de la consigne de consommation maximale par un coefficient de correction établi d'après la position de la pédale d'accélérateur, la vitesse moyenne du véhicule, l'état d'un détecteur de fin de course de la pédale d'accélération, et la consigne de consommation maximale.

Dans un mode de réalisation de l'invention, on effectue la fuzzification de la position de la pédale d'accélérateur et de la vitesse moyenne du véhicule, on applique des règles d'inférence pour déterminer la fonction d'appartenance du niveau de correction appliqué, on agrège des règles pour obtenir le sous-ensemble flou de sortie du coefficient de correction et on effectue la défuzzification du coefficient de correction.

Dans un mode de réalisation de l'invention, l'activation du détecteur de fin de course lors de l'enfoncement de la pédale d'accélération provoque la mise hors service de l'asservissement, ce qui permet de conserver des performances maximales en cas de besoin, par exemple pour un dépassement.

L'asservissement peut être actif sur requête dès le début du roulage de façon à accroître au maximum l'autonomie du véhicule.

L'asservissement est implanté dans le superviseur du moteur électrique.

Le procédé permet de garantir au conducteur que son véhicule électrique va parcourir la distance minimale qu'il souhaite en lui évitant d'avoir en permanence à surveiller sa jauge d'énergie.

La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention pris à titre nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, parmi lesquels
la figure 1 est une vue schématique montrant l'implantation de l'asservissement dans le véhicule électrique;
la figure 2 est un synoptique de l'asservissement;
la figure 3 est un tableau des règles floues;
les figures 4 et 5 illustrent un exemple de fonction d'appartenance;
les figures 6 et 7 illustrent la fuzzification des variables de position de pédale d'accélération et de vitesse moyenne du moteur;
la figure 8 est une courbe montrant un exemple de fonction d'appartenance pour le coefficient de correction; et
la figure 9 est une courbe montrant un exemple d'agrégation des règles et de défuzzification du coefficient de correction.

Comme on peut le voir sur la figure 1, le véhicule est équipé d'un interface 1 superviseur/conducteur permettant au conducteur de sélectionner ou non le procédé d'asservissement. La pédale d'accélération 2 du véhicule est pourvue d'un potentiomètre, non représenté, et d'un détecteur de fin de course, non représenté. L'interface 1, le potentiomètre et le détecteur de fin de course de la pédale 2 sont reliés par des lignes 3, 4, 5 et 6 à un superviseur 7, lequel a pour fonction de gérer la chaîne de traction du véhicule qui inclut un moteur électrique de traction. La ligne 3 sert à transférer une information de position de la pédale d'accélération du potentiomètre à l'interface 7. La ligne 4, de la même façon, sert à transférer l'information de détection de fin de course de la pédale 2 à l'interface 7. La ligne 5 sert au transfert de l'information de sélection de l'asservissement de distance. La ligne 6 sert au transfert de l'information de consigne de distance.

L'interface 7 est reliée par une ligne 8 à un calculateur 9 de gestion des batteries 13. Les batteries 13 sont reliées au calculateur 9 par des lignes 12. Les batteries 13 sont reliées par des lignes de puissance 14 au boîtier électronique 15 de contrôle et de puissance de la chaîne de traction. Sur les lignes de puissance 14, sont prévus un dispositif de mesure du courant 10 et un dispositif de mesure de la tension 11 reliés à l'interface 7. Le boîtier électronique 15 est relié par une ligne 16 au superviseur 7 pour la transmission au superviseur 7 des informations relatives à la vitesse du moteur et la programmation de la puissance maximale autorisée de la chaîne de traction. Un moteur électrique de traction 17 est alimenté par le boîtier électronique 15 et est pourvu d'un capteur 18 de vitesse ou de position relié par une ligne 19 au boîtier électronique 15. Des lignes de puissance 20 sont prévues entre le boîtier électronique 15 et le moteur 17.

Comme on peut le voir sur la figure 2, le superviseur 7 comprend un moyen de calcul 21 de la consommation maximale autorisée CONSO
MAX, un correcteur flou 22, un moyen de calcul de la puissance 23, un intégrateur 24, un correcteur PID 25, un moyen d'élaboration 26 de la consigne de puissance crête de la chaîne de traction, et un moyen de calcul 27 de la distance parcourue.

Le moyen de calcul 21 de la consommation maximale autorisée établit cette valeur à partir des variables d'énergie batterie disponibles
EN-DISP, de distance de consigne DIST-CONS, de distance parcourue
DIST-PAR, et reçoit également une information de sélection ou non de l'asservissement de distance REG-ACT. La valeur CONSO-MAX est fournie au correcteur flou 22 qui reçoit également l'information de position de la pédale d'accélération POS-PDL, et les variations filtrées de cette valeur DPOS-PDL, et une information de vitesse du moteur V-MOT.

En sortie, le correcteur flou 22 fournit la consommation maximale corrigée CONSO-MAX-COR. Le moyen de calcul de puissance 23 reçoit les informations de tension batterie U-BAT et de courant batterie I-BAT et fournit l'information de puissance des batteries P-BAT à l'intégrateur 24 qui reçoit également l'information REG-ACT de mise en service de l'asservissement. L'intégrateur 24 permet d'obtenir l'information de consommation instantanée CONSO-ACT et de la comparer à l'information de consommation maximale corrigée CONSO-MAX-COR, le résultat de cette comparaison étant fourni au correcteur proportionnel intégral dérivé 25, lequel est relié au moyen d'élaboration 26 de la consigne de puissance crête de la chaîne de traction qui fournit le signal de puissance maximale autorisée PMAX-CDT au boîtier électronique 15 de contrôle et de puissance de la chaîne de traction.

Ainsi, la puissance crête de la chaîne de traction est asservie en fonction de la consigne d'autonomie DIST-CONS qui va déterminer la consommation maximale du moteur CONSO-MAX-COR.

L'asservissement est implanté dans le superviseur 7 du véhicule électrique.

L'asservissement utilise les paramètres suivants
l'indicateur de sélection du mode d'asservissement de distance
REG-MAX,
l'énergie batterie disponible EN-DISP,
le courant batterie I-BAT,
la tension batterie U-BAT,
la vitesse du moteur V-MOT, et les informations relatives à la pédale d'accélération.

Le principe de fonctionnement est le suivant.

Les conditions nécessaires d'activation de la régulation sont
1/ le conducteur sélectionne le mode régulation au moyen de l'interface 1,
2/le conducteur saisit une consigne d'autonomie DIST-CONS qui est dans les possibilités du véhicule, c'est-à-dire que le rapport de l'énergie batterie EN-DISP sur la consigne de distance DIST-CONS doit être supérieur ou égal à une consommation minimale prédéterminée pour des prestations acceptables par un conducteur en utilisation moyenne.

Ces deux conditions réunies déclenchent le passage à l'état actif de la variable REG-ACT. La condition de désactivation est que le conducteur sélectionne le mode normal au moyen de l'interface 1, la variable REG-ACT passe alors à l'état inactif.

Lorsque la régulation est activée, elle va limiter la puissance crête de la chaîne de traction sans changer le courant maximal du moteur.

Cela permet d'énonomiser l'énergie de la batterie sans trop détériorer les performances au démarrage puisque le couple crête reste le même. Ainsi, seule la vitesse de base est altérée, les aptitudes au démarrage en côte restant inchangées.

Pour fonctionner, le système doit évaluer plusieurs paramètres nécessaires à l'élaboration de la consigne de consommation maximale
CONSO-MAX d'énergie que le véhicule ne doit pas dépasser. La distance parcourue par le véhicule est calculée par intégration de la variable V
MOT par le superviseur 7. Le superviseur 7 évalue alors la distance DIST
PAR parcourue depuis l'activation de l'asservissement. L'énergie disponible dans la batterie EN-DISP est transmise à intervalles réguliers au superviseur 7 par la liaison 8 (figure 1), par exemple une liaison intercalculateur de type CAN. Le moyen de calcul de puissance 23 calcule en permanence la consommation énergétique instantanée du véhicule
CONSO-ACT en fonction des variables I-BAT et U-BAT. Le calcul est filtré au moyen d'un moyennage glissant pour avoir une estimation plus fiable. L'asservissement va assurer que la variable CONSO-ACT ne dépasse pas une consigne de consommation maximale autorisée CONSO
MAX pour parcourir au moins la distance DIST-CONS.

Lorsque l'asservissement est activé, la variable CONSO-MAX est réactualisée à intervalle de temps donné T et est égale au rapport de l'énergie disponible EN-DISP sur la différence entre la consigne de distance DIST-CONS et la distance parcourue DIST-PAR. Cette valeur est la consommation à ne pas dépasser qui va déterminer la puissance maximale autorisée de la chaîne de traction.

On définit ensuite une consommation maximale corrigée
CONSO-MAX-COR en fonction du profil d'utilisation et de la consommation maximale CONSO-MAX au moyen d'un coefficient de correction C-CORR tel que
CONSO-MAX-COR = CONSO-MAX x C-CORR.

Cette pondération fait appel à un raisonnement de type "expert" et est réalisée à base de logique floue pour déterminer la valeur de C
CORR. Elle a pour objectif d'adapter au mieux la puissance maximale
PMAX-CDT autorisée en fonction du type d'usage du véhicule pour économiser le maximum d'énergie en pénalisant au minimum l'agrément de conduite.

Les variables physiques de départ nécessaires au fonctionnement du contrôleur flou 22 sont
- les variations filtrées DPOS-PDL de la position de la pédale
d'accélération 2,
- la position POS-PDL de la pédale d'accélération 2,
- la vitesse moyenne du véhicule V-VE-MOY,
- l'état du détecteur de fin de course de l'accélérateur, et
- la valeur de la variable CONSO-MAX issue du calcul
linéaire.

La variable DPOS-PDL permet d'évaluer, après fuzzification, le style de conduite du conducteur en fonction des variations de la position de la pédale d'accélération 2 au cours d'un temps d'observation Tobs. Ce paramètre n'est évalué que lorsque le véhicule roule, c'est-à-dire lorsque V-MOT > 0. Dans ce cas, le calcul se fait

Tobs est la durée de l'observation de l'activité de la pédale d'accélération.

A l'aide de la variable V-MOT, on calcule aussi la vitesse moyenne glissante du véhicule V-VE-MOY en permanence.

Selon les principes de la logique floue, les différentes fonctions réalisées dans le calculateur flou 22 sont les suivantes
- fuzzification des deux variables de départ, interface non-flouflou,
- application de règles d'inférence pour déterminer la fonction d'appartenance du niveau de correction à appliquer en fonction de DPOS
PDL et V-VE-MOY: implication floue,
- agrégation des règles pour obtenir le sous-ensemble flou de la sortie du correcteur,
- défuzzification de C-CORR : interface flou-non-flou.

L'intérêt de cette étape d'élaboration de la consigne est de corriger la consigne d'entrée du régulateur de puissance de manière à avoir une limitation effective dans tous les cas de roulage et particulièrement dans ceux où la limitation est la moins gênante et/ou une conduite mal adaptée est très pénalisante en terme de consommation. Le système détecte ces phases de roulage et les corrige. Il permet ainsi de préserver plus longtemps une réserve de puissance pour franchir une côte ou un dépassement. Sans cette adaptation au profil d'usage du véhicule, il n'y aurait quasiment aucune limitation de puissance en ville. Or, les arrêts fréquents peuvent être très pénalisants pour la consommation. Il est donc intéressant de limiter davantage la puissance du véhicule pour une meilleure utilisation des batteries dans ce cas de figure.

La pondération est inactive si le détecteur de fin de course de la pédale d'accélération est actif, c'est-à-dire si la pédale d'accélération est enfoncée au maximum. Le conducteur dispose alors de toute la puissance autorisée liée à la variable CONSO-MAX pour réaliser un dépassement pendant une durée limitée prédéterminée Tboost.

Les tables de fuzzification et de défuzzification font partie de la phase de la calibration des lois. Les valeurs dépendent en grande partie du véhicule cible, de la puissance installée, du poids, etc.

Un exemple d'ensemble de règles floues est donné sur la figure 3.

La variation de la valeur D-POS-PDL est divisée en quatre ensembles flous
- S variation faible de l'enfoncement de la pédale d'accélération, caractéristique d'une conduite souple ou de cycles roulants,
-MS : variation moyenne de l'enfoncement de la pédale d'accélération, caractéristique d'une conduite souple en ville,
- : variation relativement importante de l'enfoncement de la pédale d'accélération, caractéristique d'une conduite soutenue avec quelques enfoncements prononcés de la pédale sur la période d'observation,
- H : variation importante de l'enfoncement de la pédale d'accélération, caractéristique d'une conduite très agressive avec des recours répétés à l'enfoncement total de la pédale d'accélération.

La vitesse moyenne du véhicule V-VE-MOY est, elle aussi, divisée en quatre ensembles flous
- : vitesse moyenne très faible, par exemple inférieure à 10 km/h, caractéristique d'un profil d'utilisation urbain lent, embouteillé,
- : vitesse moyenne faible, par exemple d'environ 25 km/h, caractéristique d'un profil d'utilisation urbain fluide,
- PU : vitesse moyenne plus élevée, par exemple d'environ 50 km/h, caractéristique d'un profil de mission péri-urbain sur boulevard,
- R : vitesse moyenne importante, par exemple supérieure à 70 luT1/h, caractéristique d'un profil de mission routier ou autoroutier.

La base du raisonnement effectué par le correcteur flou 22 repose sur les principes énoncés ci-après. On suppose qu'en usage urbain la puissance disponible de la chaîne de traction est rarement utilisée sauf en conduite très nerveuse. Or, plus le véhicule roule lentement avec des démarrages et des arrêts successifs, plus le rendement est médiocre. On a donc intérêt à réduire au maximum les pertes dans ces phases de roulage, donc à utiliser la chaîne à puissance réduite sans dépassement de puissance inutile. On va donc autoriser à la chaîne de traction la puissance juste nécessaire en interdisant quasiment la conduite agressive dans ce type d'usage. Ce choix entraîne les règles de limitation sévères de la première ligne du tableau de la figure 3.

Pour schématiser, plus le cycle est embouteillé avec une vitesse moyenne faible et des démarrages fréquents, et d'autant plus que le conducteur adoptera un style de conduite énergique, plus le contrôleur flou 22 diminuera la puissance crête autorisée. En revanche, plus le cycle s'accélère, moins le correcteur flou diminue la puissance autorisée, car c'est dans ces phases de roulage que le conducteur apprécie le plus la puissance de son véhicule (besoin de reprise, vitesse, etc.).

En pratique, en usage routier, la correction est quasiment inactive et la variable C-CORR est voisine de 1.

Les figures 4 et 5 illustrent un exemple de fonctions d'appartenance associées aux variables D-POS-PDL et V-VE-MOY. Les abscisses des courbes sont données en unités normées, leurs valeurs vont dépendre du véhicule et du type de profil de mission, et du pays pour lequel on souhaite optimiser la fonction. Les fonctions d'appartenance sont de type triangulaire.

On réalise la fuzzification des variables physiques d'entrée du correcteur flou. On prend pour exemple les valeurs physiques suivantes:
D-POS-PDL =2,2 et V-VE-MOY =3,3.

La fuzzification de la variable D-POS-PDL est illustrée figure 6 avec pour résultat des degrés d'appartenance de ladite variable D-POS
PDL valant pla à l'ensemble MS et Club à l'ensemble MH.

De même, la figure 7 illustre la fuzzification de la variable V
VE-MOY avec pour résultat des degrés d'appartenance Ba à l'ensemble péri-urbain PU et Bb à l'ensemble urbain fluide UF.

La figure 8 montre un exemple de fonctions d'appartenance pour le coefficient de correction C-CORR à appliquer à la variable CONSO
MAX.

Pour l'exemple considéré, quatre règles sont actives et le contrôleur flou 22 doit déterminer 4 degrés d'appartenance aux ensembles de C-CORR.

Dans notre cas, le degré d'appartenance de la variable D-POS
PDL à l'ensemble MS est pLa et le degré d'appartenance de la variable V
VE-MOY à l'ensemble UF est Bb. On réalise alors l'implication floue de la règle "si D-POS-PDL appartient à MS et si V-VE-MOY appartient à UF, alors C-CORR est m". Il s'agit alors de déterminer le degré d'appartenance de C-CORR à l'ensemble flou m. On peut par exemple utiliser la règle de
Mandani : C-CORR = min ( a, ssb) m.

L'implification floue conduit alors dans l'exemple à la connaissance des 4 degrés d'appartenance de la variable C-CORR
C-CORR = min(, Bb) H, min (b, ssa) m, min(,B) m, min( a,ssb) Z.

L'agrégation des règles et la défuzzification du coefficient de correction C-CORR sont montrées sur la figure 9. Pour plus de clarté, cette figure montre l'agrégation de deux des quatre règles et la défuzzification de la sortie. La méthode choisie est celle du barycentre. La valeur réelle du coefficient à appliquer est l'abscisse de l'isobarycentre G de la surface délimitée par les degrés et les fonctions d'appartenance. Pour cette partie, le résultat est C-CORR = a. Il faudrait ensuite agréger les deux autres règles appliquées pour trouver le résultat définitif de la variable C-CORR.

Pour privilégier tel ou tel aspect du comportement du véhicule en fonction des objectifs de prestation, on peut utiliser d'autres procédés de défuzzification, ce qui concourt à la souplesse du procédé.

L'architecture de base reste inchangée, seule la calibration des ensembles flous, notamment des fonctions d'appartenance, et éventuellement quelques règles floues en fonction du type de prestation que l'on veut privilégier.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Procédé de régulation de la puissance d'un véhicule comprenant une chaîne de traction incluant un moteur électrique de traction, un superviseur du moteur électrique, et une batterie d'alimentation du moteur, caractérisé par un asservissement de la puissance consommée par la chaîne de traction à une consigne de distance à franchir fixée par le conducteur.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par la mesure de l'énergie disponible de la batterie.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par la mesure de la tension et du courant fournis par la batterie.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par la mesure de la vitesse du moteur et de la position de la pédale d'accélération.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par la limitation de la puissance maximale de la chaîne de traction en fonction de la consommation courante du véhicule, le couple maximal fourni au démarrage par le moteur restant inchangé.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'asservissement est mis en oeuvre après sélection par le conducteur et vérification du fait que l'énergie disponible de la batterie est supérieure au produit de la distance de consigne par une consommation minimale prédéterminée.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'on calcule la valeur de la consommation énergétique du véhicule et qu'on compare cette valeur à une consigne de consommation maximale calculée en effectuant le rapport de l'énergie disponible de la batterie par ladifférence entre la distance de consigne et la distance parcourue depuis la mise en oeuvre de l'asservissement, la distance parcourue depuis la mise en oeuvre de l'asservissement étant calculée par intégration de la valeur de la vitesse du moteur.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'on calcule une consigne de consommation maximale corrigée égale au produit de la consigne de consommation maximale par un coefficient de correction établi d'après la position de la pédale d'accélérateur, la vitesse moyenne du véhicule, l'état d'un détecteur de fin de course de la pédale d'accélérateur, et la consigne de consommation maximale.

9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'on effectue la fuzzification de la position de la pédale d'accélérateur et de la vitesse moyenne du véhicule, qu'on applique des règles d'inférences pour déterminer la fonction d'appartenance du niveau de correction à appliquer, qu'on agrège des règles pour obtenir le sous-ensemble flou de sortie du coefficient de correction et qu'on effectue la défuzzification du coefficient de correction.

10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé par le fait que l'activation du détecteur de fin de course lors de l'enfoncement de la pédale d'accélération provoque la mise hors service de l'asservissement.