FR2943285A3

FR2943285A3 - Procede de commande d'une machine electrique comprenant un moteur electrique d'entrainement d'un vehicule automobile

Info

Publication number: FR2943285A3
Application number: FR0901281A
Authority: FR
Inventors: Marco Marsilia; Claire Oberti; Samuel Cregut
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2010-09-24

Abstract

Procédé de commande d'une machine électrique comprenant un moteur électrique d'entraînement d'un véhicule automobile alimenté par une batterie, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de régulation de la consigne de couple moteur transmise à la machine électrique de sorte à faire évoluer progressivement la valeur de consigne de couple qu'il est possible de demander à la machine électrique au fil de l'évolution de la charge de la batterie.

Description

La présente invention concerne le contrôle d'une machine électrique comprenant un moteur électrique de propulsion d'un véhicule automobile, notamment un véhicule électrique ou un véhicule hybride, ce moteur électrique étant alimenté grâce à une batterie. Elle concerne en particulier un procédé de commande d'alimentation d'une telle machine et un dispositif d'alimentation d'une telle machine. Elle concerne aussi un programme informatique de mise en oeuvre du procédé de commande. Elle concerne également un ensemble d'entraînement d'un véhicule comprenant un tel dispositif de commande et un véhicule automobile comprenant un tel ensemble d'entraînement.

Dans les véhicules automobiles électriques ou hybrides, on utilise un moteur électrique pour fournir la puissance mécanique nécessaire au mouvement du véhicule. Pour ce faire, une puissance électrique est fournie au moteur par une batterie. L'utilisation de ces moyens de mise en mouvement du véhicule présente un problème. En effet, lorsque la batterie est déchargée, elle ne peut plus fournir la pleine puissance et, par conséquent, la machine électrique ne peut plus fournir le maximum de couple moteur. Lorsque cela se produit il est important d'assurer que la diminution du couple moteur soit progressive afin de ne pas surprendre le conducteur.

On connaît de la demande WO 2008/093687 un procédé de limitation des pertes énergétiques dans la machine électrique afin de maximiser l'autonomie de roulage. Ce procédé est basé sur des cartographies qui donnent des valeurs de pertes en fonction du couple et de la vitesse de rotation de la machine électrique. Ainsi, les points de fonctionnement de la machine électrique sont cantonnés dans un domaine de bon rendement de celle-ci.

Le but de l'invention est de fournir un procédé de commande d'alimentation ou de commande de fonctionnement d'une machine électrique permettant MS\REN 143FR.dpt de remédier aux problèmes évoqués précédemment et améliorant les procédés de commande d'alimentation ou de commande de fonctionnement d'une machine électrique connus de l'art antérieur. En particulier, l'invention propose un procédé de commande d'une machine électrique permettant de déterminer en temps réel une valeur de couple moteur maximum qui limite la requête de couple à la machine électrique.

Selon l'invention, le procédé permet de commander une machine électrique comprenant un moteur électrique d'entraînement d'un véhicule automobile alimenté par une batterie. Il est caractérisé en ce qu'il comprend une étape de régulation de la consigne de couple moteur transmise à la machine électrique de sorte à faire évoluer progressivement la valeur de consigne de couple qu'il est possible de demander à la machine électrique au fil de l'évolution de la charge de la batterie.

L'étape de régulation peut déterminer une valeur maximale de consigne de couple moteur à transmettre à la machine électrique.

L'étape de régulation peut être déclenchée par un franchissement à la hausse d'une valeur anticipée de puissance qui pourra être fournie par la batterie à la machine électrique à une échéance déterminée par la valeur de puissance instantanée fournie par la batterie à la machine électrique.

L'étape de régulation peut être arrêtée par un franchissement à la hausse d'un seuil par une valeur définie comme la différence entre la valeur de puissance qui pourra être fournie par la batterie à la machine électrique à l'échéance déterminée et la valeur de puissance instantanée fournie par la batterie à la machine électrique.

L'étape de régulation peut être réalisée en boucle fermée. MS\REN 143 FR.dpt L'effet de la régulation peut être proportionnel à la différence entre la valeur de puissance qui pourra être fournie par la batterie à la machine électrique à l'échéance déterminée et la valeur de puissance instantanée fournie par la batterie à la machine électrique. L'effet de la régulation peut être majoré.

L'invention porte aussi sur un support d'enregistrement de données lisible par un calculateur sur lequel est enregistré un programme informatique 10 comprenant des moyens de codes de programme informatique de mise en oeuvre des étapes du procédé de commande défini précédemment.

Selon l'invention, le dispositif de commande d'une machine électrique comprenant un moteur électrique d'entraînement d'un véhicule automobile 15 alimenté par une batterie est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens matériels et/ou logiciels de mise en oeuvre du procédé de commande défini précédemment.

Selon l'invention, l'ensemble d'entraînement d'un véhicule automobile 20 comprend un dispositif de commande défini précédemment, une machine électrique comprenant un moteur électrique d'entraînement du véhicule automobile et une batterie.

Selon l'invention, le programme informatique comprend un moyen de code 25 de programme informatique adapté à la réalisation des étapes du procédé défini précédemment, lorsque le programme tourne sur un ordinateur.

Les dessins annexés représentent, à titre d'exemple, un mode de réalisation d'un procédé de commande selon l'invention. MS\REN 143 FR.dpt 30 La figure 1 est un schéma d'une machine électrique alimentée par une batterie et commandée conformément au procédé selon l'invention.

La figure 2 est un schéma d'un circuit intégrant un module de commande de la machine électrique.

La figure 3 est un schéma détaillé d'un mode de réalisation du module de commande de la machine électrique.

La figure 4 est un schéma d'une caractéristique couple-vitesse d'un moteur électrique contenu dans la machine électrique.

La figure 5 est un schéma d'un bloc de détermination du rendement de la machine électrique. La figure 6 est un schéma d'un bloc de détermination de la puissance que la batterie pourra fournir au terme d'une échéance fixée.

La figure 7 est un schéma d'un bloc de régulation de la puissance fournie 20 par la batterie.

La figure 8 est un schéma d'un sous-bloc de commande de l'activation du bloc précédent.

25 La figure 9 est un graphique représentant les effets de l'invention sur l'alimentation d'une machine électrique.

Le principe de l'invention est de réaliser une stratégie de limitation progressive du couple moteur fourni par une machine électrique lorsque la 30 batterie est déchargée. Plus précisément, l'objectif de cette invention est de MS\REN 143 FR.dpt15 déterminer en temps réel une valeur de couple moteur maximum qui limite la requête de couple à la machine électrique compte tenu : des limitations de couple intrinsèques à la machine électrique, des limitations de puissance de la batterie qui l'alimente (notamment si la batterie est déchargée elle ne peut pas fournir la pleine puissance), de la progressivité de diminution de couple nécessaire à ne pas surprendre le conducteur.

Elle réalise ainsi un asservissement ou régulation en boucle fermée du couple moteur. En particulier, cette régulation ne nécessite aucune donnée de cartographie. Un système 1 de propulsion d'un véhicule automobile par exemple électrique ou hybride est représenté à la figure 1. Il comprend une batterie 3 de stockage d'énergie électrique et une machine électrique 2 comprenant un moteur électrique d'entraînement de roues motrices du véhicule.

La batterie est modélisée par un montage série d'un générateur 4 de tension continue parfait et d'une résistance interne 5. Selon les conditions de fonctionnement du système, la valeur de tension du générateur parfait et la valeur de la résistance interne varient.

Un mode de réalisation d'un dispositif 10 de commande du moteur permettant de mettre en oeuvre le procédé de commande selon l'invention est décrit ci-après en référence à la figure 2.

Il comprend trois modules. Un premier module 11 de détermination d'un couple moteur maximal Torque Mot Max, un deuxième module 12 de détermination de la consigne de couple moteur Torque_Setpoint demandée par le conducteur et un troisième module d'élaboration de la consigne de MS\REN143FR.dpt couple finale transmise au moteur Torque Final Request de sorte à commander celui-ci en couple.

Le premier module 11 comprend les entrées suivantes : EM Speed : un signal de vitesse de rotation de la machine électrique ; Torque Max EM MotorMode : un signal de couple moteur maximum que la machine électrique peut produire dans le cas où la batterie est capable de fournir sa pleine puissance (batterie chargée). Cette valeur de couple est notamment fonction de la vitesse de rotation de la machine électrique selon une courbe du type de celle 30 représentée sur la figure 4 ; P Elec Max : un signal de puissance électrique maximum que la batterie peut fournir et pourra surement fournir pendant les X prochaines secondes ; la valeur de X est de préférence comprise entre 1 s et 15 s et vaut de préférence 10 s. P Elec : un signal de puissance électrique instantanée délivrée par la batterie ; Torque Final Request : un signal de consigne de couple fournie au moteur électrique.

Le premier module 11 présente en sortie le signal de couple moteur maximal Torque Mot Max évoqué plus haut. II est déterminé par calcul à partir des entrées évoquées précédemment.

Le deuxième module 12 présente en entrée un signal issu de l'interface homme-machine du véhicule, par exemple un signal d'état d'un organe de commande d'accélération du véhicule comme un signal de position d'une pédale d'accélération. Ce signal est analysé pour fournir en sortie un signal de consigne de couple Torque Setpoint.

Le troisième module 13 est un opérateur logique fournissant en sortie la MS\REN 143 FR.dpt valeur instantanée minimale de deux signaux d'entrées issus des premier et deuxième modules. Le signal de sortie est la consigne de couple finale transmise au moteur Torque Final Request de sorte à commander celui-ci en couple. Comme représenté à la figure 2, le signal de sortie Torque Final Request est rebouclé en entrée du premier module 11.

Le premier module 11 comprend cinq blocs décrits ci-après en référence à 10 la figure 3.

Un premier bloc 110 permet de déterminer ou d'estimer le rendement de la machine électrique, la machine électrique incluant un onduleur et un moteur dans le cas où ce moteur est un moteur à courant alternatif. 15 Un mode de réalisation de ce premier bloc est décrit ci-après en référence à la figure 5. II présente en entrée les signaux suivants : le signal Torque Final Request évoqué précédemment ; le signal EM Speed évoqué précédemment ; et 20 - le signal P Elec évoqué précédemment.

Il produit en sortie un signal Efficiency_Mot qui fournit en temps réel l'estimation du rendement de la machine électrique. Cette estimation peut être faite de façon simple en utilisant la formule ci-dessous : EM Speed x Torque Final Request) Efciency_Avant Filtrage = P Elec En effet, en mode moteur, le rendement de la machine électrique est le ratio entre la valeur absolue de la puissance mécanique sortante 30 (EM Speed XTorque_Final Request) obtenue par des opérateurs 101 et 102 MS\REN 143 FR.dpt 25 représentés à la figure 5 et la puissance électrique entrante (P Elec). Le rapport est calculé grâce à un opérateur 103 représenté à la figure 5. Le signal Efficiency_Avant Filtrage est ensuite filtré par un filtre passe-bas 104 représenté à la figure 5, par exemple du premier ordre. Le filtre passe-bas du premier ordre a une fonction de transfert (en continu) du type 1 avec s la variable de Laplace et r la constante de temps du filtre. Cette dernière est un paramètre de réglage qui permet de régler la dynamique du filtrage. Le signal filtré est ensuite saturé à 1 par le haut et à 0 par le bas grâce à un opérateur de saturation 105 pour obtenir le signal de sortie Efficiency_Mot.

Pour cette estimation, on a fait l'hypothèse simplificatrice que la consigne finale de couple est exactement suivie par la machine électrique. En réalité ceci n'est pas vrai, car la consigne de couple est suivie par la machine avec un retard et une certaine dynamique. Cependant, si le retard est petit et la dynamique de l'actionneur est rapide par rapport à la dynamique de filtrage du filtre passe-bas alors l'erreur d'estimation peut être négligée. C'est pourquoi la valeur de la constante de temps r du filtre doit être choisie suffisamment petite.

D'autres modes de réalisation du premier bloc 110 sont possibles. Ainsi d'autres estimations du rendement sont possibles sans que cela n'impacte l'architecture du dispositif de commande selon l'invention et la structure interne des autres blocs.

Un deuxième bloc 111 permet d'estimer la puissance que la batterie peut réellement fournir P Elec Max alter Xs à partir de l'information fournie par le signal P Elec Max. Comme vu précédemment, ce dernier signal P Elec Max donne la puissance électrique maximum que la batterie peut fournir et pourra sûrement fournir pendant les X prochaines secondes. MS\REN 143 FR.dpt 1+rs Un mode de réalisation de ce deuxième bloc est décrit ci-après en référence à la figure 6.

Il comprend b moyens 121, 122, 123, 124 (par exemple b=4) réalisant chacun un retard de (a .Sample Time) secondes, où l'on a appelé Sample Time la période d'échantillonnage. Le signal de sortie P Elec Max alter Xs est obtenu en sortie d'un opérateur 125 prenant la valeur maximale des valeurs instantanées des différents signaux l'attaquant. Ainsi, la valeur instantanée du signal

P Elec Max alter Xs est égale au maximum des valeurs instantanées des b signaux issus des différents moyens de retard et du signal d'entrée P Elec Max.

Les valeurs de a et b doivent être choisies pour qu'elles vérifient l'équation suivante .

b x a x Sample_Time = X avec a, b entiers et a>_1 et b>_1.

De cette façon, le signal en sortie du dernier bloc de retard correspond au signal d'entrée P Elec Max retardé de X secondes. Le signal de sortie

P Elec Max alter Xs est donc donné par le maximum des différents signaux intermédiaires en sortie de chaque bloc de retard.

Le signal P Elec Max alter Xs est d'autant plus précis et représentatif de la puissance que la batterie peut réellement fournir que b est grand par rapport à a. Le signal le plus précis est donc obtenu quand a=1 et b = X . Par contre, une valeur élevée de b implique un nombre Sample Time

élevé de signaux intermédiaires en entrée de l'opérateur 125 qui réalise la 30 fonction maximum et donc une complexité de calcul importante. MS\REN 143 FR.dpt Le choix des valeurs de a et b est donc un compromis entre complexité de calcul et précision du signal de sortie.

Un troisième bloc 115 réalise une régulation en boucle fermée du couple moteur dont le but est de limiter la puissance électrique fournie par la batterie lorsque celle-ci dépasse la valeur du signal P Elec Max. La régulation est par exemple du type intégral. La puissance électrique effectivement délivrée par la batterie P Elec est donc asservie en boucle fermée à la consigne P Elec Max. La consigne de couple moteur est la variable de commande de cette régulation. Un mode de réalisation de ce bloc est décrit ci-après en référence à la figure 7. Il présente en entrée les signaux suivants : le signal EM Speed évoqué précédemment ;

le signal P Elec Max évoqué précédemment ; le signal P Elec évoqué précédemment ;

le signal Tq_Max EM MotorMode ou Torque Max EM MotorMode évoqué précédemment et ù le signal Tq_Max Bat MotorMode obtenu selon la formule ci-dessous : Tq_Max_Bat_MotorMode = P Elec Max_after Xs x Efficiency_Mot grâce à des EM Speed opérateurs 112, 113 et 114 représentés à la figure 3. Compte tenu de la signification des trois signaux P Elec Max_after Xs , Efficiency_Mot et EM_Speed , le signal Tq_Max Bat MotorMode représente le couple moteur maximum que la machine électrique peut délivrer si on ne considère que les limitations de puissance liées à la batterie. Le troisième bloc produit en sortie le signal Tq_Max Anticipation selon la 30 logique suivante : MS\REN 143FR.dpt Tq_Max si Flag Regul OFF = 7 Tq_Max Anticipation = (1) Tq_Regul si Flag Regul OFF = 0 mise en oeuvre par une porte logique 162. Où Tq_Max est un paramètre constant qui représente une valeur supérieure ou égale au couple maximum que la machine électrique peut fournir. La valeur de ce paramètre doit être toujours supérieure ou égale à la valeur des signaux Tq_Max EM MotorMode et Tq_Max Bat MotorMode. Le signal de sortie Tq_Max Anticipation est donc donné par le signal issu de la régulation en boucle fermée Tq_Regul quand un signal logique Flag Regul OFF est à l'état bas et par la valeur constante Tq_Max quand le signal logique Flag Regul OFF est à l'état haut. Le signal Flag Regul OFF est à l'état bas quand la régulation en boucle fermée est active et est à l'état haut quand elle n'est pas active. Ce signal Flag Regul OFF est produit par un sous-bloc 151 dont un mode de réalisation est décrit en référence à la figure 8.

Selon ce mode de réalisation, l'activation de la régulation en boucle fermée dépend uniquement de la valeur de l'erreur entre la consigne P Elec Max et la mesure de la puissance électrique P Elec. En effet, le signal de sortie Flag Regul OFF est obtenu (en utilisant par exemple une bascule Set/Reset 173) suivant la logique suivante : Flag Regul OFF(t)=0 si Flag Regul OFF(t-1)=1 ET Erreur<0 ; Flag Regul OFF(t)=1 si Fia g Regul OFF(t-1)=0 ET Erreur>Seuil_ON?0. où: Erreur(t) = [P Elec Max(t)-P Elec(t)], MS\REN 143 FR.dpt Seuil ON est un paramètre de réglage positif ou nul (Si l'on choisit une

valeur strictement positive pour le paramètre Seuil ON alors le sous-

bloc réalise ce qu'on appelle communément une hystérésis).

Donc la régulation en boucle fermée s'active (le Flag_Regul_OFF passe de 1 à 0) quand la valeur du signal P Elec dépasse la valeur de consigne P Elec Max (cela implique que le signal Erreur devient négatif). La régulation se désactive quand le signal Erreur redevient positif (P Elec<P Sec Max) et supérieur à la valeur Seuil ON. Les conditions d'activation et désactivation présentées ici ne sont pas les seules possibles. On peut en effet imaginer que la valeur du Flag Regul OFF soit fonction aussi d'autres signaux comme par exemple le signal EM Speed. Une éventuelle réalisation du sous-bloc différente de celle décrite ici n'impacterait pas l'architecture de l'invention ni la structure interne des autres blocs. Le signal Tq_Regul issu de la régulation en boucle fermée peut être 20 construit comme le montre la figure 7, selon la formule : T q _Regul = P Meca_Regul par l'action d'opérateur 161. (EM Speed Le signal P Meca Regul représente donc une puissance mécanique. Il est obtenu selon la formule : 25 P Meca_R egul = { Max [ (Controler Gain x Erreur(t) ) ; (- MaxDecr ease) ] } dt (2 ) par l'action des opérateurs 152, 153, 154, 155 et 156. où

- Erreur(t) = [P Elec Max (t) - P Elec(t)] Controler Gain est un paramètre de réglage strictement positif. Il 30 représente le gain du régulateur intégral et permet donc de régler

MS\REN 143 FR.dpt la dynamique de la régulation en boucle fermée. MaxDecrease est un paramètre de réglage strictement positif. Il représente la valeur maximum admissible de la dérivée de la puissance mécanique. Ce paramètre permet donc d'assurer que la diminution de puissance ne soit pas trop brusque et donc que le couple moteur diminue de façon suffisamment progressive pour ne pas surprendre le conducteur. Ainsi, l'effet de la régulation est majoré.

L'intégration exprimée par l'équation ( 2 ) est faite uniquement quand le signal logique Flag Regul OFF est à l'état bas. Quand le signal logique Flag Regul OFF est à l'état haut, le signal de sortie de l'intégrateur 156 prend la valeur Pmeca Max Avant Regul donnée par l'expression : Pmeca_Max Avant Regul = EM_Speed x min {Tq_Max EM MotorMode , Tq_Max_Bat MotorMode} par l'action des opérateurs 157, 158 et 159.

La valeur initiale de régulation Pmeca Max Avant Regul représente donc la puissance mécanique maximum que le moteur peut fournir avant le début de la régulation en boucle fermée.

En sortie du module 11, on obtient le signal Torque Mot Max limitant la requête de couple à la machine électrique compte tenu : des limitations de couple intrinsèques à la machine électrique, des limitations de puissance de la batterie qui l'alimente (notamment si la batterie est déchargée, elle ne peut pas fournir la pleine puissance), de la progressivité de diminution de couple nécessaire à ne pas surprendre le conducteur.

Comme le montre la figure 3, ce signal est obtenu en sélectionnant la valeur minimale des valeurs instantanées des trois signaux : - Torque Max EM MotorMode, MS\REN 143 FR.dpt Tq_Max Bat MotorMode, Tq_Max Anticipation.

Un exemple d'effet, du procédé selon l'invention est décrit ci-après en 5 référence à la figure 9.

Les graphiques représentent le temps en abscisses.

Le graphique du haut montre l'allure des signaux P Elec, P Elec Max et 10 P Elec Max after Xs pour X=10 secondes.

Le graphique du bas montre l'allure des signaux Torque Max EM MotorMode, Tq_Max Bat MotorMode et du signal issu de la régulation Tq_Max Anticipation. Comme on l'a dit le signal de sortie de 15 l'invention Torque Mot Max est obtenu en prenant à chaque instant le minimum de ces trois signaux.

Sur cette figure, on peut remarquer que jusqu'à l'instant t=21 secondes, Torque Mot Max = Torque Max EM MotorMode : 20 Torque Mot Max(t) = Torque Max EM MotorMode(t) pour t<21 s.

A l'instant t=21 la puissance électrique P Elec dépasse la valeur du signal P Elec Max (qui décroit parce que la batterie est en train de se décharger). A partir de cet instant la régulation en boucle fermée s'active et 25 Torque Mot Max = Tq_Max Anticipation : Torque Mot Max(t) = Tq_Max Anticipation(t) pour t>_21 s. MS\REN 143 FR.dpt 14

Claims

Revendications: 1. Procédé de commande d'une machine électrique (2) comprenant un moteur électrique d'entraînement d'un véhicule automobile alimenté par une batterie (3), caractérisé en ce qu'il comprend une étape de régulation de la consigne de couple moteur transmise à la machine électrique de sorte à faire évoluer progressivement la valeur de consigne de couple qu'il est possible de demander à la machine électrique au fil de l'évolution de la charge de la batterie.
2. Procédé de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de régulation détermine une valeur maximale de consigne de couple moteur à transmettre à la machine électrique.
3. Procédé de commande selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étape de régulation est déclenchée par un franchissement à la hausse d'une valeur anticipée (P Elec Max) de puissance qui pourra être fournie par la batterie à la machine électrique à une échéance déterminée par la valeur (P Elec) de puissance instantanée fournie par la batterie à la machine électrique.
4. Procédé de commande selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de régulation est arrêtée par un franchissement à la hausse d'un seuil par une valeur définie comme la différence entre la valeur (P Elec Max) de puissance qui pourra être fournie par la batterie à la machine électrique à l'échéance déterminée et la valeur (P Elec) de puissance instantanée fournie par la batterie à la machine électrique. MS\REN 143 FR.dpt 15
5. Procédé de commande selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de régulation est réalisée en boucle fermée.
6. Procédé de commande selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'effet de la régulation est proportionnel à la différence entre la valeur de puissance qui pourra être fournie par la batterie à la machine électrique à l'échéance déterminée et la valeur de puissance instantanée fournie par la batterie à la machine électrique.
7. Procédé de commande selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'effet de la régulation est majoré.
8. Support d'enregistrement de données lisible par un calculateur sur lequel est enregistré un programme informatique comprenant des moyens de codes de programme informatique de mise en oeuvre des étapes du procédé de commande selon l'une des revendications précédentes.
9. Dispositif (10) de commande d'une machine électrique (2) comprenant un moteur électrique d'entraînement d'un véhicule automobile alimenté par une batterie (3), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens matériels (11, 12, 13) et/ou logiciels de mise en oeuvre du procédé de commande selon l'une des revendications 1 à 7.
10. Ensemble d'entraînement d'un véhicule automobile comprenant un dispositif (10) de commande selon la revendication 9, une machine électrique (2) comprenant un moteur électrique d'entraînement du véhicule automobile et une batterie (3). MS\REN 143 FR.dpt 5
11. Programme informatique comprenant un moyen de code de programme informatique adapté à la réalisation des étapes du procédé selon l'une des revendications 1 à 7, lorsque le programme tourne sur un ordinateur. MS\REN143FR.dpt