FR2989479A1

FR2989479A1 - Systeme et procede de commande d'une machine electrique equipant un vehicule electrique

Info

Publication number: FR2989479A1
Application number: FR1253414A
Authority: FR
Inventors: Didier Gilbertas; Tammam Basbous
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2013-10-18
Anticipated expiration: 2032-04-13
Also published as: WO2013153304A1; FR2989479B1; EP2836390A1

Abstract

Système de commande (COMM) d'une machine électrique (MEL) équipant un véhicule électrique (VEL), pour générer une consigne de couple (C1) pour un régime donné (R1), ladite consigne de couple et ledit régime (R1) correspondant à un premier point de fonctionnement (P1) de ladite machine électrique. Le système de commande comprend des moyens de modulation (MM) de la consigne de couple (C1) configurés pour générer une consigne de couple modulée (CM) et fournir la consigne de couple modulée à ladite machine électrique (MEL), ladite consigne modulée (CM) alternant une valeur basse (C ) dont la valeur absolue est inférieure à la valeur absolue de ladite consigne de couple (C1) et une valeur haute (C ) dont la valeur absolue est supérieure à la valeur absolue de ladite consigne de couple (C1), ladite valeur haute (C ) et ledit régime (R1) correspondant à un deuxième point de fonctionnement (P2) de ladite machine électrique pour lequel le rendement énergétique est supérieur au premier point de fonctionnement.

Description

Système et procédé de commande d'une machine électrique équipant un véhicule électrique L'invention a pour domaine technique les systèmes de contrôle et plus particulièrement les systèmes de contrôle de couple d'un moteur électrique équipant un véhicule par exemple un véhicule à traction électrique. Le fonctionnement d'un moteur électrique peut être défini par la valeur de régime du moteur et la valeur du couple qu'il exerce. Ces deux valeurs correspondent à un point de fonctionnement du moteur. Les moteurs électriques présentent en général des points de fonctionnement pour lesquels leur rendement énergétique, c'est-à-dire le rapport entre l'énergie électrique consommée et l'énergie mécanique générée, est favorable, notamment en les comparant.

Ces points de fonctionnement plus favorables du point de vue du rendement énergétique se situent en général dans des zones de fonctionnement limitées qui ne correspondent pas toujours aux zones de fonctionnement du moteur lors d'une utilisation sur route. Il est prévu, selon l'état de la technique, d'utiliser des boîtes de vitesse multi rapports pour permettre un rapprochement voire une correspondance des zones de fonctionnement plus favorables et des zones de fonctionnement utilisées. Cela étant, l'utilisation de ces boîtes de vitesse implique d'une part une complexité accrue, un surpoids et un surcout et d'autre part le changement de rapports n'est pas toujours très facile à gérer par le conducteur du véhicule ou la commande automatique de transmission. Il est connu de l'état de la technique d'utiliser un régulateur de vitesse qui permet de réguler la vitesse au moyen d'oscillations de la vitesse de déplacement du véhicule autour d'une valeur cible. Il est toutefois proposé d'améliorer la consommation du véhicule et non pas le rendement énergétique en tant que tel. Il est connu de la demande de brevet WO 03/023209 de moduler le couple du moteur. Cela étant, l'enseignement de ce document se limite au cas des moteurs à combustion interne.

Au vu de ce qui précède, un but de l'invention est de proposer une méthode de commande d'une machine électrique qui permette de résoudre au moins en partie les inconvénients mentionnés ci-dessus. L'invention a donc pour objet un système de commande d'une machine électrique équipant un véhicule électrique, pour générer une consigne de couple pour un régime donné de la machine électrique, ladite consigne de couple et ledit régime correspondant à un premier point de fonctionnement de ladite machine électrique. Selon une caractéristique générale, ce système comprend des moyens de modulation de la consigne de couple configurés pour générer une consigne de couple modulée et fournir la consigne de couple modulée à ladite machine électrique, ladite consigne modulée alternant une valeur basse dont la valeur absolue est inférieure à la valeur absolue de ladite consigne de couple et une valeur haute dont la valeur absolue est supérieure à la valeur absolue de ladite consigne de couple, ladite valeur haute et ledit régime correspondant à un deuxième point de fonctionnement de ladite machine électrique pour lequel le rendement énergétique est supérieur au premier point de fonctionnement.

Il est ainsi proposé une commande d'une machine électrique qui permet sans utilisation de système mécanique, un rapprochement voire une correspondance des zones de fonctionnement de la machine électrique plus favorables du point de vue du rendement énergétique et des zones de fonctionnement de la machine électrique utilisées lors d'une utilisation sur route. Il est alors possible d'obtenir un meilleur rendement énergétique. En outre, il est possible d'éviter des zones de fonctionnement selon lesquelles le rendement énergétique n'est pas très favorable. Selon une caractéristique, les moyens de modulation sont configurés pour ajuster le rapport entre la durée pendant laquelle la consigne modulée prend la valeur haute et la période de la consigne modulée, la valeur moyenne de la consigne de couple modulée fournie à la machine électrique étant égale à ladite consigne de couple.

Ainsi, en ajustant simplement le rapport de la durée que prend la valeur haute par rapport à la période de l'alternance entre la valeur haute et la valeur basse (ou période de la consigne modulée), on peut obtenir une consigne de couple modulée dont la valeur moyenne est égale à celle de la consigne. On a donc un transfert d'énergie mécanique de la machine électrique vers un arbre de transmission du véhicule qui est identique à celui obtenu avec la consigne de couple mais avec une consigne de couple modulée. Selon une autre caractéristique, les moyens de modulation sont configurés pour ajuster la valeur haute, la valeur moyenne de la consigne de couple modulée fournie à la machine électrique étant égale à ladite consigne de couple. Ainsi, on peut également obtenir une consigne de couple modulée dont la valeur moyenne est égale à celle de la consigne en ajustant la valeur haute de la consigne modulée. Selon encore une autre caractéristique, les moyens de modulation sont configurés pour ajuster la période de la consigne modulée. Cet ajustement peut permettre d'atténuer des problèmes de stabilité, de bruit et de vibrations dus au fonctionnement haché de la machine électrique. Selon un mode de réalisation, la valeur basse prise par la consigne de couple modulée est la valeur nulle correspondant à une non alimentation de la machine électrique.

Ce système est particulièrement adapté à la génération d'une consigne modulée dont la valeur moyenne est faible (par exemple inférieure à 25% du couple maximum de la machine électrique). En effet, une consigne de couple modulée dont la valeur est haute pendant des durées réduites est alors suffisante pour obtenir ladite valeur moyenne. En fait, cette valeur haute du couple permet un rendement énergétique de la machine électrique proche de son maximum. De plus, les problèmes de stabilité, de bruit et de vibrations mentionnés ci-dessus sont moins critiques dans le cas d'une consigne de couple modulé ayant une valeur moyenne faible (par exemple inférieure à 25% du couple maximum de la machine électrique). L'invention a également pour objet un procédé de commande d'une machine électrique équipant un véhicule électrique comprenant : -une génération d'une consigne de couple pour un régime donné de la machine électrique, ladite consigne de régime et ladite consigne de couple correspondant à un premier point de fonctionnement de ladite machine électrique. Selon une caractéristique générale, le procédé comprend en outre : -une modulation de la consigne de couple pour générer une consigne de couple modulée, ladite consigne modulée alternant une valeur basse dont la valeur absolue est inférieure à la valeur absolue de ladite consigne de couple et une valeur haute dont la valeur absolue est supérieure à la valeur absolue de ladite consigne de couple ; et -une fourniture à la machine électrique de ladite consigne de régime et de ladite consigne de couple modulée, ladite valeur haute et ledit régime correspondant à un deuxième point de fonctionnement de ladite machine électrique pour lequel le rendement énergétique est supérieur au premier point de fonctionnement. Selon une caractéristique, le procédé comprend en outre une étape d'ajustement d'un rapport entre la durée pendant laquelle la consigne modulée prend la valeur haute et la période de la consigne modulée, la valeur moyenne de la consigne de couple modulée fournie à la machine électrique étant égale à ladite consigne de couple. Selon une autre caractéristique, le procédé comprend en outre une étape d'ajustement de la valeur haute, la valeur moyenne de la consigne de couple modulée fournie à la machine électrique étant égale à ladite consigne de couple.

Selon encore une autre caractéristique, le procédé comprend en outre une étape d'ajustement de la période de la consigne modulée. Selon un mode de mise en oeuvre, la valeur basse prise par la consigne de couple modulée est la valeur nulle correspondant à une non alimentation de la machine électrique.

D'autres buts, caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée uniquement en tant qu'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre un schéma de principe d'un système de commande selon un mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 illustre un schéma de principe d'un procédé de commande selon un mode de mise en oeuvre de l'invention; - la figure 3 illustre une consigne de couple modulé selon un mode de mise en oeuvre; et - la figure 4 illustre des points de fonctionnement selon un mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, est illustré de manière schématique un véhicule électrique VEL, muni d'un groupe motopropulseur GMP. Le groupe motopropulseur GMP comprend une machine électrique MEL et un système COMM de commande de ladite machine électrique MEL. Le système COMM fournit à la machine électrique MEL une consigne de couple pour un régime donné. La machine électrique MEL fonctionne alors suivant un point de fonctionnement correspondant au régime donné et à la consigne de couple. La consigne de couple peut être positive ou négative. Une consigne de couple positive correspond à une demande de couple moteur à exercer par la machine électrique MEL sur un arbre de transmission dudit véhicule, cette énergie mécanique étant finalement transmise aux roues pour assurer le déplacement du véhicule. Au contraire, une consigne de couple négative correspond au couple résistif exercé par la machine MEL pour récupérer l'énergie mécanique en provenance des roues lors d'un freinage du véhicule par exemple. Le système COMM génère une consigne de couple Cl pour un régime R1 donné, en fonction de la vitesse demandée par le conducteur du véhicule VIT et de conditions de roulage CR (inclinaison de la route, vitesse actuelle du véhicule, état de la route). Par exemple dans le cas d'une vitesse de 60 km/h stabilisée correspondant à un régime R1 = 5000 tr/min, la consigne de couple Cl générée est de Cl = 10 N.m pour une inclinaison et un état de la route normaux. La consigne Cl si elle était fournie telle quelle à la machine électrique MEL correspondrait avec le régime R1 à un premier point de fonctionnement Pl de la machine électrique MEL.

Le système COMM comprend en outre des moyens de modulations MM. Ces moyens MM sont configurés pour calculer une consigne de couple modulée CM à partir de la consigne de couple générée Cl. Les moyens MM sont également configurés pour fournir la consigne de couple modulée CM à la machine électrique MEL.

La consigne modulée CM est le résultat d'une modulation de la consigne Cl. Cette modulation peut par exemple être réalisée selon la méthode appélée MLI pour Modulation par Largeur d'Impulsion bien connue de l'homme du métier. Selon cette méthode MLI, la consigne modulée CM alterne une valeur basse Cbas dont la valeur absolue est inférieure à la valeur absolue de ladite consigne de couple Cl (1Cbas1 < 1C11) et une valeur haute Chaut dont la valeur absolue est supérieure à la valeur absolue de ladite consigne de couple Cl (IChaut 1C11). La valeur haute Chaut de la consigne modulée CM et le régime R1 correspondent à un deuxième point de fonctionnement P2 de la machine électrique MEL. Avantageusement, le rendement énergétique pour le deuxième point de fonctionnement P2 est supérieur au rendement énergétique pour le premier point de fonctionnement Pl. Lors de l'alternance de la consigne entre la valeur haute Chaut et la valeur basse Cbas, le régime R1 reste quasiment constant. Sa valeur oscille très faiblement autour du régime donné car c'est le couple réalisé par la machine MEL qui est haché. Selon la méthode MLI, la valeur moyenne de la consigne modulée CM est égale à la consigne Cl. Pour cela les moyens de modulations MM vont ajuster l'un ou les deux paramètres suivants: - un rapport a (a = Tl/T) entre la durée Ti pendant laquelle la consigne modulée prend la valeur haute Chaut et la période de la consigne modulée ou la période de l'alternance T entre la valeur haute Chaut et la valeur basse Cbas ; et - la valeur haute Chaut. En fait, dans le cas où la valeur basse Cbas de la consigne modulée CM est la valeur nulle correspondant à une non alimentation du moteur, il suffit que l'équation Chaut/C1=cc soit respectée pour que la valeur moyenne de la consigne modulée CM soit égale à la consigne C 1 . Ainsi, dans le cas d'une consigne de couple Cl positive, l'énergie transmise à l'arbre de transmission par la machine électrique est identique que l'on fournisse à la machine électrique pour le régime R1, la consigne de couple Cl ou la consigne modulée CM. Au contraire, dans le cas d'une consigne de couple Cl négative, l'énergie mécanique récupérée en provenance des roues lors d'un freinage du véhicule par exemple est identique que l'on fournisse à la machine électrique pour le régime R1, la consigne Cl ou la consigne modulée CM. On peut ainsi faire fonctionner la machine électrique MEL avec un rendement énergétique plus favorable en transmettant ou recevant la même énergie électrique ou mécanique respectivement. Cela étant, avec la modulation de la consigne de couple, le fonctionnement de la machine électrique est haché. Ce type de fonctionnement peut entraîner des problèmes de stabilité, de bruit et de vibrations. Pour compenser ces problèmes, plusieurs solutions sont possibles : - une solution de réglage la période T de la consigne modulée ou période de l'alternance entre la valeur basse et la valeur haute (T= Tl+TO, avec Ti déjà définie et TO la durée pendant laquelle la consigne modulée prend la valeur basse Cbas) et des séquences d'alternance spécifiques permettant de limiter les vibrations. Par exemple, pour obtenir consigne modulée ayant une valeur moyenne de égale à une consigne Cl = 10 N.m, on peut réaliser 1 tour moteur à 40N.m est suivi de 3 tours moteur à 0 N.m avec une fréquence d'alternance de 20Hz ; et - une solution de filtration des oscillations du couple exercé par la machine électrique de type passif, par exemple au moyen d'un volant d'inertie placé sur l'arbre de transmission ou d'éléments souples placés entre le rotor du moteur et l'arbre de transmission. La figure 2 illustre un mode de mise en oeuvre du procédé de commande selon l'invention. Il comprend 6 étapes.

Au cours d'une première étape 1, on génère une consigne de couple Cl pour un régime R1 donné, en fonction d'une vitesse de déplacement du véhicule VIT et de conditions de roulage CR. Le régime R1 est en fait imposé par la vitesse de déplacement du véhicule VIT, la démultiplication entre le moteur et les roues du véhicule et la transmission des roues du véhicule. Lors de l'étape 2 suivante, on ajuste le rapport a entre la durée Ti pendant laquelle la consigne modulée prend la valeur haute Chaut et la période T de la consigne modulée. Puis, lors de l'étape 3 suivante, on ajuste la valeur haute Chaut de la consigne modulée. On ajuste ensuite la période T de la consigne modulée (étape 4). Puis, à l'étape 5 suivante, on module la consigne de couple Cl pour générer la consigne de couple modulée CM.

Enfin, l'étape 6 est une étape de fourniture à la machine électrique de la consigne CM. L'ordre des étapes 1 à 6 illustré dans la figure 2 est un exemple de mise en oeuvre et pourrait être modifié en fonction de la technologie de la commande.

La figure 3 comprend un repère comprenant deux axes, un axe horizontal représentant le temps et un axe vertical représentant la valeur du couple en N.m. Sur ce repère se trouvent une première courbe qui représente la consigne CM alternant la valeur haute Chaut et la valeur basse Chas (ici Chas=0) et une deuxième courbe qui représente une moyenne de la consigne CM. La deuxième courbe peut correspondre selon un mode de réalisation à la consigne de couple Cl. On peut voir que l'augmentation de la durée Ti des valeurs hautes de la consigne CM correspond à une augmentation de la moyenne de la consigne CM.

Sur cette figure est également représenté : - la période de la consigne modulée T ; - le rapport a entre la durée Ti pendant laquelle la consigne modulée prend la valeur haute Chaut et la période T de la consigne modulée ou période de l'alternance entre la valeur haute Chaut et la valeur basse Cbas; et - la valeur haute Chaut. La figure 4 comprend un repère comprenant deux axes, un axe horizontal représentant le régime en tr/min de la machine électrique MEL et un axe vertical représentant la valeur du couple en N.m. Sur ce repère se trouvent plusieurs courbes C150, C100, C50 et C-150 délimitant plusieurs zones de fonctionnement à iso-rendement énergétique et trois points de fonctionnement P2, Pl et P0. Le point Pl correspond à un fonctionnement de la machine électrique MEL avec la consigne Cl = 30 N.m et le régime R1 = 3000 tr/min. Ce point est en deçà de la courbe C50 et se situe donc dans une zone de fonctionnement pour laquelle le rendement énergétique est faible. Les pertes du groupe motopropulseur sont alors de 1450 W. Le point PO correspond à un point de fonctionnement de la machine électrique MEL avec le régime R1 = 3000 tr/min et la valeur basse de la consigne de couple Cbas = 0, cette valeur nulle de consigne de couple correspondant à une non alimentation du moteur. Les pertes du groupe motopropulseur pour le point de fonctionnement PO sont réduites à 100W.

Le point P2 correspond à un fonctionnement de la machine électrique MEL avec la valeur haute de la consigne de couple Chaut = 100 N.m et R1 = 3000 tr/min. Les pertes du groupe motopropulseur pour le point de fonctionnement P2 sont de 4000W Il faut pour que la moyenne de la consigne modulée CM soit égale à la consigne Cl respecter l'équation a = Chaut/Cl. Ce qui implique T 1/T = 0.3 avec les valeurs Cbaut=100 N.m et C1=30 N.m. C'est-à-dire il faut que pour chaque période de la consigne modulée T, CM = 100 N.m pendant 30% de la période T et CM= 0 N.m pendant les 70% restant de la période T. Cela correspond à un fonctionnement de la machine électrique suivant le point P2 pendant 30% du temps et suivant le point PO pendant 70% du temps. Les pertes du groupe motopropulseur sont alors de : 0.3 x 4000W + 0.7 x 100W = 1270W .

On obtient donc une diminution de 12% des pertes par rapport à un fonctionnement suivant le point P1 uniquement pour la même énergie transmise à l'arbre de transmission.

Claims

REVENDICATIONS1. Système de commande (COMM) d'une machine électrique (MEL) équipant un véhicule électrique (VEL), pour générer une consigne de couple (Cl) pour un régime donné (R1) de la machine électrique (MEL), ladite consigne de couple et ledit régime (R1) correspondant à un premier point de fonctionnement (Pl) de ladite machine électrique, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de modulation (MM) de la consigne de couple (Cl) configurés pour générer une consigne de couple modulée (CM) et fournir la consigne de couple modulée à ladite machine électrique (MEL), ladite consigne modulée (CM) alternant une valeur basse (Cbas) dont la valeur absolue est inférieure à la valeur absolue de ladite consigne de couple (Cl) et une valeur haute (Chaut) dont la valeur absolue est supérieure à la valeur absolue de ladite consigne de couple (Cl), ladite valeur haute (Chaut) et ledit régime (R1) correspondant à un deuxième point de fonctionnement (P2) de ladite machine électrique pour lequel le rendement énergétique est supérieur au premier point de fonctionnement.
2. Système selon la revendication 1, dans lequel les moyens de modulation (MM) sont configurés pour ajuster le rapport (a) entre la durée (Ti) pendant laquelle la consigne modulée prend la valeur haute et la période (T) de la consigne modulée, la valeur moyenne de la consigne de couple modulée (CM) fournie à la machine électrique (MEL) étant égale à ladite consigne de couple (Cl).
3. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel les moyens de modulation sont configurés pour ajuster la valeur haute (Chaut), la valeur moyenne de la consigne de couple modulée (CM) fournie à la machine électrique (MEL) étant égale à ladite consigne de couple (Cl).
4. Système selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel les moyens de modulation (MM) sont configurés pour ajuster la période (T) de la consigne modulée.
5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ladite valeur basse (Cbas) prise par la consigne de couple modulée est la valeur nulle (Cbas=0) correspondant à une non alimentation de la machine électrique (MEL).
6. Procédé de commande d'une machine électrique équipant un véhicule électrique comprenant une génération d'une consigne de couple (C1) pour un régime donné (R1) de la machine électrique (MEL), ledit régime (R1) et ladite consigne de couple (C1) correspondant à un premier point de fonctionnement de ladite machine électrique, caractérisé en ce que le procédé comprend en outre : -une modulation de la consigne de couple pour générer une consigne de couple modulée (CM), ladite consigne modulée alternant une valeur basse (Cbas) dont la valeur absolue est inférieure à la valeur absolue de ladite consigne de couple (C1) et une valeur haute (Chaut) dont la valeur absolue est supérieure à la valeur absolue de ladite consigne de couple (C1) ; et -une fourniture à la machine électrique (MEL) de ladite consigne de couple modulée (CM), ladite valeur haute (Chaut) et ledit régime (R1) correspondant à un deuxième point de fonctionnement (P2) de ladite machine électrique (MEL) pour lequel le rendement énergétique est supérieur au premier point de fonctionnement.
7. Procédé selon la revendication 6, comprenant en outre une étape d'ajustement d'un rapport (a) entre la durée (T1) pendant laquelle la consigne modulée prend la valeur haute et la période (T) de la consigne modulée, la valeur moyenne de la consigne de couple modulée (CM) fournie à la machine électrique (MEL) étant égale à ladite consigne de couple (C1).
8. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7, comprenant en outre une étape d'ajustement de la valeur haute (Chaut), la valeurmoyenne de la consigne de couple modulée (CM) fournie à la machine électrique (MEL) étant égale à ladite consigne de couple (C1).
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, comprenant en outre une étape d'ajustement de la période (T) de la consigne modulée.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 et 9, dans lequel ladite valeur basse (Cbas) prise par la consigne de couple modulée (CM) est la valeur nulle (Cbas=0) correspondant à une non alimentation de la machine électrique (MEL).10