FR2943472A3

FR2943472A3 - Procede de commande d'une machine electrique comprenant un moteur electrique d'entrainement d'un vehicule automobile

Info

Publication number: FR2943472A3
Application number: FR0901280A
Authority: FR
Inventors: Marco Marsilia
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 que la tension aux bornes de la batterie soit maintenue au-dessus d'un premier seuil de tension déterminé.

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, en fonction de la puissance fournie au moteur, des conditions de fonctionnement du moteur et de la charge de la batterie, la tension aux bornes de la batterie peut varier sensiblement. Afin de ne pas détériorer la batterie, il est important que la tension à ses bornes ne reste pas inférieure à un seuil pendant un temps trop long.

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 142FR.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 à la tension d'une batterie d'alimentation du moteur électrique de ne pas chuter en dessous d'un certain seuil.

Selon l'invention, le procédé permet de commander d'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 que la tension aux bornes de la batterie soit maintenue au-dessus d'un premier seuil de tension déterminé.

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 baisse d'un deuxième seuil de tension par la tension aux bornes de la batterie.

L'étape de régulation peut être arrêtée par un franchissement à la hausse d'un troisième seuil de tension par la tension aux bornes de la batterie.

L'étape de régulation peut être réalisée en boucle fermée. L'étape de régulation peut être de type intégrale. L'étape de régulation peut être basée sur la différence de valeur entre la valeur du deuxième seuil et la valeur instantanée de la tension aux bornes de la batterie. MS\REN 142FR.dpt

3 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 comprenant des moyens de codes de programme informatique de mise en oeuvre des étapes du procédé de commande défini précédemment.

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

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

Selon invention, le programme informatique comprend un moyen de code 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 25 d'un procédé de commande selon l'invention.

La figure 1 est un schéma d'une machine électrique alimentée par une batterie et commandée conformément au procédé selon l'invention.

30 La figure 2 est un schéma d'un circuit intégrant un module de commande de la machine électrique. MS\REN 142FR.dpt 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 commande d'activation d'une phase de régulation. La figure 6 est un schéma d'un bloc de détermination de la consigne de couple régulée à transmettre à la machine électrique.

La figure 7 est un schéma simplifié de la boucle de régulation mise en 15 oeuvre dans le procédé selon l'invention.

La figure 8 est un graphique représentant les effets de l'invention sur l'alimentation d'une machine électrique.

20 Le principe de l'invention est de diminuer le couple fourni par le moteur électrique lorsque la tension aux bornes de la batterie devient trop faible. Cela permet d'augmenter cette tension afin de la ramener à des valeurs acceptables. Pour ce faire, on détermine une valeur de limitation du couple moteur de sorte que la tension aux bornes de la batterie ne puisse 25 descendre en-dessous d'un certain seuil. Cette détermination de valeur de limitation est réalisée en boucle fermée. Elle réalise ainsi un asservissement ou régulation en boucle fermée de la tension de la batterie à une valeur minimum acceptable. En particulier, cette régulation ne nécessite aucune donnée de cartographie. 30 MS\REN 142FR.dpt10 Comme représenté à la figure 1, 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 du courant qui parcourt la résistance interne varient. Il s'ensuit des variations de la tension aux bornes de la batterie.

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.

II 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 couple finale transmise au moteur Torque Final Request de sorte à commander celui-ci en couple.

Le premier module 11 comprend les entrées suivantes : V : un signal de tension aux bornes de la batterie qui alimente la machine électrique ; 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 MS\REN142FR.dpt machine électrique selon une courbe du type de celle 30 représentée sur la figure 4 ; Torque Final Request : un signal de consigne de couple fournie au moteur électrique. Ainsi, le dispositif de commande comprend des moyens de collecte des différents signaux qu'il utilise. Ces moyens de collecte peuvent comprendre des capteurs et/ou des estimateurs.

10 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 15 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.

20 Le troisième module 13 est un opérateur logique fournissant en sortie la 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. 25 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 30 la figure 3. MS\REN 142FR.dpt5 Un premier bloc 110 permet de gérer l'activation et la désactivation de la régulation en boucle fermée du couple moteur visant à asservir la tension aux bornes de la batterie. Un mode de réalisation possible de ce bloc est décrit ci-après en référence à la figure 5. Selon cette réalisation l'activation de la régulation en boucle fermée dépend uniquement de la valeur d'un signal d'erreur établi dans un deuxième bloc 150. Ce signal d'erreur est la différence entre un signal de consigne de régulation V min et un signal de mesure de la tension V. La seule entrée du premier bloc est alors le signal Erreur donné par la relation suivante : Erreur(t) = [V_Min - V(t)]

Ce premier bloc produit en sortie un signal logique Flag Regul ON. Ce dernier est à l'état haut quand la régulation en boucle fermée est active et est à l'état bas quand elle n'est pas active. Le signal logique Flag Regul ON est obtenu (en utilisant des comparateurs 111 et 112 et une bascule Set/Reset 113) suivant la logique suivante :

Flag Regul ON (t)=1 si Flag Regul ON (t-1)=0 et Erreur>0 20 Flag Regul ON (t)=0 si Flag Regul ON (t-1)=1 et Erreur<Seuil OFF<_ 0 Flag Regul ON (t)=Flag Regul ON (t-1) sinon. où Seuil OFF est un paramètre de réglage négatif ou nul. Si l'on choisit une valeur strictement négative pour le paramètre Seuil OFF alors le premier bloc réalise ce qu'on appelle communément une hystérésis. Le paramètre 25 Seuil OFF définit donc un seuil de tension V OFF au-delà duquel la régulation est désactivée. Ce seuil de tension V OFF est défini par la relation V OFF+Seuil OFF=V Min.

Ainsi, la régulation en boucle fermée s'active (le signal Flag Regul ON 30 passe de l'état bas à l'état haut) quand la tension V devient inférieure à la valeur de consigne V Min (cela implique que le signal Erreur devient positif). MS\REN 142FR.dpt15 La régulation se désactive quand le signal Erreur redevient négatif (V>V Min) et inférieur à la valeur Seuil OFF (qui doit être choisie négative ou nulle).

II est logique que la consigne de régulation V Min soit égale à la valeur minimum acceptable de la tension V. En effet, comme on l'a dit précédemment, on veut assurer que la tension V ne reste pas inférieure au seuil V Min pendant un temps trop long. Quand la tension V devient inférieure à la valeur V Min, la régulation en boucle fermée va faire en sorte que, après un transitoire, la tension V remonte à la valeur V Min.

Les conditions d'activation et désactivation présentées ici ne sont pas les seules possibles. Une éventuelle réalisation du premier bloc différente de celle décrite ici n'impacterait pas l'architecture de l'invention ni la structure interne des autres blocs.

Un troisième bloc 120 permet de réaliser une régulation en boucle fermée du couple moteur dont le but est de maintenir la valeur de tension V aux bornes de la batterie lorsque celle-ci devient inférieure à la valeur V Min.

Plus précisément, la tension V est asservie en boucle fermée à la consigne V Min. La consigne de couple moteur est la variable de commande de cette régulation.

Pour comprendre pourquoi une réduction du couple moteur implique une augmentation de la tension aux bornes de la batterie V il suffit d'analyser le schéma de la figure 1 : une réduction du couple moteur implique une réduction du courant absorbé par le moteur I et donc de la tension aux bornes de la résistance interne de la batterie VR . Ceci implique une augmentation de la tension aux bornes de la batterie V.

MS\REN 142FR.dpt 15 Un mode de réalisation du troisième bloc est décrit ci-après en référence à la figure 6. Les signaux en entrée de ce bloc sont :

EM Speed : évoqué précédemment ;

Torque Final Request : évoqué précédemment ;

Flag Regul ON : évoqué précédemment ;

Erreur : évoqué précédemment.

Le troisième bloc produit en sortie le signal Torque_Regulation selon la logique ci-dessous : Torque Final Request (t -1) si Flag Regul ON = 0 Torque_Regulation (t) = [Torque_Fina/Request (t -1) + Delta_Tq_Regul (t)] si Flag Regul ON =1 (1) (Cette logique est mise en oeuvre par les portes logiques 124, 125 et 126.) avec Delta_Tq_Regul un signal construit comme suit : Delta_Tq_R egul (t) = - Min MaxDecrease ; Controler Gain x Erreur(t) IEM Speed (t)1 (Cette logique est mise en oeuvre par les portes logiques 121, 122 et 123.) où 20 - Controler Gain est un paramètre de réglage strictement positif. II représente le gain du régulateur intégral réalisé dans le troisième bloc et permet donc de régler la dynamique de la régulation en boucle fermée ; MaxDecrease est un paramètre de réglage strictement positif. Il 25 représente la valeur maximum admissible de la dérivée du couple moteur. Ce paramètre permet donc d'assurer que la diminution du couple moteur soit suffisamment progressive pour ne pas surprendre le conducteur. Ainsi, l'effet de la régulation est majoré. MS\REN 142FR.dpt Un quatrième bloc 130 établit en sortie un signal défini comme la valeur minimale instantanée des deux signaux qui l'attaquent, à savoir Torque_Regulation et Torque Max EM MotorMode. Ce signal constitue, via un cinquième bloc logique 140 le signal de sortie Torque Mot Max du premier module lorsque la régulation est active. Lorsque la régulation n'est pas active, le signal de sortie Torque Mot Max du premier module est égal au signal Torque Max EM MotorMode. Ainsi, le signal Torque Mot Max tient compte : des limitations de couple intrinsèques à la machine électrique, de la limite basse de tension aux bornes de la batterie qui l'alimente, de la progressivité de diminution de couple nécessaire à ne pas surprendre le conducteur.

Comme le montre la figure 3,ce signal est obtenu ainsi : (Torque Max_EM MotorMode (t) si Fia g Regul ON = 0 Torque_Mot_Max (t) = _ il Min [Torque_Max EM MotorMode (t) ; Torque Regulation (t) 1 si Flag Regul ON =1 Comme vu précédemment, la régulation en boucle fermée réalisée par le bloc 120 est active uniquement quand le signal Flag Regui ON est à l'état haut. En effet, lorsque le signal Flag Regul ON est à l'état bas, le signal de sortie du premier module Torque Mot Max est donné par le signal Torque Max EM MotorMode. La régulation en boucle fermée s'active quand Flag Regul ON passe à l'état haut. On peut remarquer qu'à l'instant où la régulation commence, le signal issu de la régulation Torque Regulation prend la valeur de la consigne finale de couple Torque Final Request à l'instant précédent, comme il apparait à la figure 6. En effet, à l'instant où le signal Fiag Regul ON passe à l'état haut le signal Erreur est égal à 0 et donc le signal Delta Tq_Regul est aussi égal à 0. Il n'y a donc pas de discontinuité MS\REN142FR.dpt de la commande (ou de consigne de couple moteur) lors de l'activation de la régulation en boucle fermée. Dans le cas où : la régulation est active : le signal Flag Regul ON est à l'état haut, la consigne finale de couple au moteur est celle issue de la régulation : Torque Final Request = Torque Mot Max = Torque_Regulation alors le deuxième bloc 120 réalise un régulateur de type intégral. En effet, l'équation (1) peut être écrite ainsi : 11 rque_Final Request(t) = Torque_Regulation (t) = Torque_Final Request (t -1) + Delta_Tq_Regul (t) et donc Torque Fin al Request = $ Delta_Tq_Regul (t) dt = J - Min 15 Avec s la variable de Laplace, la fonction de transfert R(s) du régulateur réalisé par le deuxième bloc est donc : R(s) = Torque Final Request 1 Controler Gain _ Erreur s EM_Speed (t) 20 Il s'agit donc d'un régulateur intégral ayant un gain statique variable avec la vitesse de rotation du moteur EM Speed. On considère que la consigne de couple moteur Torque_Final_Request = Torque_Regulation est réalisée par le moteur avec une dynamique 25 beaucoup plus rapide que celle de la régulation en boucle fermée. On peut faire alors l'hypothèse simplificatrice suivante : HYP 1 : Torque_Regulation = Tq où l'on a appelé Tq le couple réellement fourni par le moteur électrique. MS\REN 142FR.dpt MaxDecrease ;Controler Gain x Erreur(t) " EM Speed (t)I 1dt (2) 30 Pour déterminer la fonction de transfert G(s) du système à contrôler, on part alors des équations suivantes : JV=Vs ùR•1 Tq•EM_Speed = •V . I avec p : le rendement de la machine électrique (incluant l'onduleur dans le cas d'une machine comprenant un moteur à courant alternatif). En combinant les deux équations ci-dessus, on obtient : I = Vs°R V 4 û R V 2 + p R °° • V ûTq • EM Speed = 0 2 C N Rs 4 • R • Tq • EM Speed i 4 -2. P R 4 V= p.Vsoc + R V= Vso° + Vs°c2 û 4 • R • Tq • EM Speed p 2 On considère que le terme 4. R • Tq • EM Speed est petit par rapport à p

V$OC2. On peut alors écrire : 4 . R • Tq • EM Speed p Vsoo ù VVsoc+1 2 2 R • EM_Speed =Vsoc û •T9' Vso° p 2Vs°° la fonction de transfert G(s) du système à contrôler est alors donnée par : G(s) = V = V R (EM Speed) (3 ) Torque_Regulation Tq Vs°° p On peut alors schématiser la boucle de régulation comme sur la figure 7.

MS\REN 142FR.dpt

13 On peut faire les considérations suivantes :

1. La bande passante de la régulation est indépendante de la vitesse de rotation de la machine électrique (EM Speed). En effet, le fait que le gain statique du régulateur varie de façon inversement proportionnelle à la vitesse du moteur EM_Speed (équation ( 2 ) ) permet de compenser la variation du gain statique du système à contrôler G(s) qui, elle, est directement proportionnelle à EM Speed (équation (3) ). 2. La présence d'une action intégrale dans le régulateur permet d'assurer : a) une erreur statique nulle en suivi de la consigne constante V Min, et b) une erreur statique nulle vis-à-vis d'un échelon de variation du signal V Soc. Etant donné que la tension Vsoc varie très lentement par rapport à la bande passante de la régulation, la caractéristique b) ci-dessus est suffisante à assurer une erreur statique nulle vis-à-vis des variations de V Soc.

Un exemple d'effet, du procédé selon l'invention est décrit ci-après en référence à la figure 8.

Les graphiques représentent le temps en abscisses.

Le graphique du haut montre l'allure des signaux Torque Setpoint, Torque Max EM MotorMode, Torque Mot Max et Torque Final Request.

La figure du bas montre l'allure de la tension V pour V Min=275 MS\REN 142FR.dpt Sur cette figure, on peut remarquer que : - jusqu'à l'instant t=13s, Torque Final Request=Torque Setpoint Le signal de consigne de couple issu du deuxième module 12 de la figure 2 n'est pas saturé par le signal Torque Mot Max. - pour 13s<t<27s, Torque Final Request=Torque Mot Max=Torque_Max EM MotorMode Le signal de consigne de couple issu du deuxième module 12 de la figure 2 est saturé par le signal Torque Mot Max. Ce dernier est donné par le signal Torque Max EM MotorMode : la régulation en boucle fermée est inactive. - pour t>27s Torque Final Request=Torque Mot Max=Torque Regulation A l'instant t=27s, la tension V devient inférieure à la valeur V Min. A cet instant, la régulation en boucle fermée devient active et réduit le couple moteur par rapport à la valeur du signal Torque Max EM MotorMode. La réduction de couple moteur implique une augmentation de la tension V. On remarque, qu'après un transitoire, cette dernière atteint la valeur de consigne V Min sans erreur statique. La durée du transitoire dépend de la bande passante de la régulation. Cette dernière peut être directement modifiée en modifiant le paramètre Controler Gain (gain statique du régulateur).

Le procédé selon l'invention permet ainsi d'assurer que la tension aux 25 bornes de la batterie reste supérieure à un seuil V INF déterminé. Il dépend de la dynamique de la régulation. MS\REN 142FR.dpt

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 que la tension aux bornes de la batterie soit maintenue au-dessus d'un premier seuil de tension déterminé (V INF).
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 (Torque_Regulation).
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 baisse d'un deuxième seuil de tension (V Min) par la tension aux bornes de la batterie.
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 troisième seuil de tension (V OFF) par la tension aux bornes de la batterie.
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'étape de régulation est de type intégrale. MS\REN 142FR.dpt 15
7. Procédé de commande selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de régulation est basée sur la différence de valeur entre la valeur du deuxième seuil (V Min) et la valeur instantanée de la tension aux bornes de la batterie (V).
8. Procédé de commande selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'effet de la régulation est majoré.
9. Support d'enregistrement de données lisible par un calculateur sur 10 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. 15
10. 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 8. 20
11. Ensemble d'entraînement d'un véhicule automobile comprenant un dispositif (10) de commande selon la revendication 10, une machine électrique (2) comprenant un moteur électrique d'entraînement du véhicule automobile et une batterie (3).
12. 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 8, lorsque le programme tourne sur un ordinateur. MS\REN 142FR.dpt 25 30