FR2991954A1

FR2991954A1 - Procede de dimensionnement d'un systeme de generation d'electricite pour un vehicule hybride

Info

Publication number: FR2991954A1
Application number: FR1255675A
Authority: FR
Inventors: Eric Gimet; Matthieu Plantier
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2012-06-18
Filing date: 2012-06-18
Publication date: 2013-12-20

Abstract

Procédé de dimensionnement d'un système de génération d'électricité pour un véhicule hybride, comprenant un moteur à combustion interne (2) entraînant directement une génératrice (4) produisant un courant alternatif qui est ensuite redressé par un pont de diodes (6), afin de délivrer un courant redressé dont la tension est adaptée pour recharger des batteries de traction (10), caractérisé en ce qu'il ajuste des valeurs d'inductance (L) des phases de la génératrice, donnant une impédance à ces phases permettant d'adapter la tension du courant redressé délivré par le redresseur (6) en fonction des batteries (10), de manière à obtenir une courbe optimale de couple délivré par le moteur thermique (2), qui donne une gamme de puissance comportant un bon compromis sur le rendement global de ce moteur.

Description

PROCEDE DE DIMENSIONNEMENT D'UN SYSTEME DE GENERATION D'ELECTRICITE POUR UN VEHICULE HYBRIDE La présente invention concerne un procédé de dimensionnement d'un système de génération d'électricité pour un véhicule hybride, ainsi qu'un système de génération d'électricité et un véhicule hybride dimensionné par un tel procédé. Certains types de véhicules hybrides comportent un moteur thermique à combustion interne entraînant directement une machine électrique, pouvant fonctionner en générateur de courant alternatif. Le courant est ensuite mis en forme, afin de recharger des batteries qui alimentent un moteur électrique de traction du véhicule. Un premier système de génération d'électricité connu pour un véhicule automobile, comporte un moteur thermique entraînant directement une génératrice de courant alternatif, qui est reliée à un onduleur piloté mettant en forme le courant afin de produire une tension continue dont la valeur est adaptée pour recharger des batteries de traction. Or les moteurs thermiques comportent des courbes spécifiques de consommation, en fonction notamment du couple de ce moteur et de sa vitesse de rotation, donnant un certain niveau de puissance. Les onduleurs pilotés pouvant ajuster la tension du courant continu produit, permettent d'adapter facilement les points de fonctionnement de la génératrice électrique, et donc de choisir ces points en fonction des caractéristiques du moteur thermique afin d'optimiser sa consommation de carburant. Toutefois un problème qui se pose, est que les onduleurs pilotés comportent un coût important. Un autre système de génération d'électricité connu pour un véhicule circulant sur des rails, présenté notamment par le document US-Ai30 2002/0101081, comporte un moteur du type Diesel entraînant directement une génératrice électrique.

Le courant alternatif produit par la génératrice et ensuite redressé par un pont de diodes, puis mis en forme pour alimenter des moteurs électriques de traction. On évite ainsi l'utilisation d'un onduleur piloté. Cependant, on obtient un courant continu redressé par le pont de diodes, qui comporte une tension variable en fonction de la vitesse d'entraînement de la génératrice électrique. On a alors des difficultés, en particulier pour un véhicule hybride nécessitant des modes de fonctionnement variés, pour assurer à la fois la production d'un courant continu comportant une tension adaptée pour la recharge des batteries, et le fonctionnement du moteur thermique dans des conditions permettant d'optimiser sa consommation de carburant. On peut par ailleurs prévoir pour la génératrice une excitation bobinée qui est commandée par une alimentation variable, afin d'ajuster la tension de sortie de cette génératrice. Toutefois ce système comporte un coût plus important dû à la commande de cette excitation. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure. Elle propose à cet effet un procédé de dimensionnement d'un système de génération d'électricité pour un véhicule hybride, comprenant un moteur à combustion interne entraînant directement une génératrice produisant un courant alternatif qui est ensuite redressé par un pont de diodes, afin de délivrer un courant redressé dont la tension est adaptée pour recharger des batteries de traction, caractérisé en ce qu'il ajuste des valeurs d'inductance des phases de la génératrice, donnant une impédance à ces phases permettant d'adapter la tension du courant redressé délivré par le redresseur en fonction des batteries, de manière à obtenir une courbe optimale de couple délivré par le moteur thermique, qui donne une gamme de puissance comportant un bon compromis sur le rendement global de ce moteur. Un avantage de ce procédé de dimensionnement est que l'inductance 30 des phases représente un moyen simple, efficace et économique, permettant de choisir une courbe de fonctionnement du moteur thermique procurant un bon rendement, puis d'ajuster l'impédance des phases de la génératrice afin d'obtenir la tension continue adaptée pour les batteries de traction. Le procédé de dimensionnement du système de génération d'électricité selon l'invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Avantageusement, la courbe optimale de couple délivré passe suivant l'augmentation de la puissance demandée, sensiblement par le point de la courbe d'iso-puissance qui recoupe la courbe d'iso-rendement la meilleure. Avantageusement, le procédé comporte la définition d'un minimum de vitesse représentant une vitesse d'amorçage suffisante pour obtenir une tension délivrée en accord avec le niveau de tension de la batterie et du seuil de commutation du redresseur, et comporte le calcul d'un flux de la génératrice pour obtenir un couple absorbé sensiblement nul en dessous de ce minimum de vitesse.

Avantageusement, pour une vitesse de rotation suffisamment élevée, permettant au moteur thermique de délivrer une puissance maximum assez importante, la courbe de couple demandé par la génératrice rejoint la courbe supérieure de couple délivrable par ce moteur. Avantageusement, le nombre de phase de la génératrice est défini en 20 fonction de l'impédance choisie pour ces phases, de manière à obtenir une filtration suffisante du courant délivré pour les besoins des batteries. L'invention a aussi pour objet un système de génération d'électricité d'un véhicule hybride, qui est dimensionné par un procédé de dimensionnement comportant l'une quelconque des caractéristiques 25 précédentes. En particulier, les phases de la génératrice peuvent comporter des inductances additionnelles destinées à ajuster la valeur d'impédance de ces phases. L'invention a de plus pour objet un véhicule hybride comprenant un 30 système de génération d'électricité qui comporte l'une quelconque des caractéristiques précédentes.

L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d'exemple et de manière non limitative, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma d'un système de génération d'électricité pour un véhicule hybride, réalisé selon l'invention ; - la figure 2 est un graphique présentant des caractéristiques de fonctionnement de la génératrice ; et - la figure 3 est un le graphique présentant des caractéristiques de 10 fonctionnement du moteur thermique. La figure 1 présente un système de génération d'électricité pour un véhicule hybride, comprenant un moteur thermique 2 qui entraîne directement une génératrice 4 de courant alternatif produisant un courant monophasé. La génératrice 4 peut être réalisée suivant les différentes 15 technologies connues, notamment machine synchrone ou asynchrone, machine à aimant permanent, à inducteur bobiné, ou à induction hybride. La phase de la génératrice 4 est reliée par un conducteur comprenant une résistance R donnée par la valeur de résistance du fil de bobinage, puis une inductance additionnelle L, à un redresseur comprenant un pont de 20 diodes 6 comportant quatre diodes 8, afin de redresser les deux alternances du courant. Le courant redressé sortant du redresseur 6 est délivré à des batteries de traction 10 représentées par les tensions des cellules électrochimiques Ebatt, et par une résistance interne Rbatt. 25 En parallèle des batteries 10, le véhicule hybride comporte un circuit d'utilisation du courant redressé 16, qui peut comprendre notamment une machine de traction de ce véhicule, un convertisseur de courant continu DC/DC, un compresseur de climatisation de l'habitacle du véhicule, ou une pompe de direction assistée électrique. 30 La phase de la génératrice 4 comporte une inductance totale qui est donnée par l'inductance propre du bobinage interne de cette génératrice, et par l'inductance additionnelle L disposée entre cette génératrice et le redresseur 6. De la même manière, la phase de la génératrice 4 comporte une résistance totale qui est donnée par la résistance du bobinage R de la génératrice 4, à laquelle s'ajoutent les différentes résistances de ce circuit, comme celles des diodes 8 et de la résistance interne Rbatt des batteries 10. On obtient avec l'inductance totale et la résistance totale, une certaine impédance de la phase qui suivant la fréquence du courant alternatif produit par la génératrice 4, limite la tension de ce courant produit. On peut donc en fonction d'une vitesse et d'un couple délivrés par le moteur thermique 2 et appliqués à la génératrice 6, ajuster les caractéristiques électriques de la phase de cette génératrice, afin d'obtenir une tension du courant redressé délivré par le redresseur 6 qui convienne pour la recharge des batteries 10. En variante, la génératrice 4 peut être une machine polyphasée produisant un courant sur plusieurs phases, le courant alternatif de chacune de ces phases étant ensuite redressé par un pont de diodes. La résistance ainsi que l'indépendance des phases sont de la même manière ajustées, afin d'obtenir aussi une tension du courant redressé délivré convenant pour les batteries 10.

On peut pour une machine polyphasée disposer une inductance additionnelle L sur chacune des phases de sortie, ou disposer une inductance commune sur le neutre de la génératrice. Dans ce dernier cas, on utilise une unique inductance. On notera que le circuit d'utilisation du courant redressé 16 comporte différentes capacités, formées notamment par la machine de traction ou par un convertisseur de courant continu DC/DC, qui contribuent à améliorer la filtration des oscillations du courant redressé produit par le redresseur 6, ce qui améliore la tenue des batteries 10. On peut en complément ajouter des capacités de filtrage, afin de diminuer les oscillations de ce courant redressé. De plus dans le cas d'une génératrice 4 polyphasée, le nombre de phase de cette génératrice peut être défini en fonction de l'impédance choisie pour ces phases, de manière à obtenir une filtration suffisante du courant délivré. La figure 2 présente pour la génératrice 4 la courbe de couple C d'entraînement demandé 20, ainsi que la courbe de puissance mécanique P absorbée 22 par cette génératrice produisant du courant, en fonction de sa vitesse de rotation N. Le procédé de dimensionnement du système de génération d'électricité 1 comporte la définition d'un minimum de vitesse No représentant une vitesse d'amorçage suffisante pour obtenir une tension délivrée en accord avec le niveau de tension des batteries 10 et du seuil de commutation du redresseur 6, et le calcul d'un flux de la génératrice 4 pour obtenir un couple C et une puissance P absorbés sensiblement nuls en dessous de ce minimum de vitesse. De plus le couple C et la puissance P nuls en dessous du minimum de vitesse No, facilitent le démarrage à vide du moteur thermique 2 et de la génératrice 4 pour permettre une montée en vitesse plus rapide. Ce procédé permet de ne pas surdimensionner les différents organes, uniquement pour le cas particulier du démarrage. À partir de la vitesse d'amorçage No, la génératrice 4 commence à absorber un couple C et à produire un courant, la courbe de couple 20 monte progressivement pour atteindre une valeur de couple maximum Cmax à une vitesse intermédiaire, puis décroît légèrement ensuite. La valeur de la puissance P et toujours croissante, pour s'approcher d'une puissance maximum asymptotique Pasym.

La puissance maximum asymptotique Pasym est définie par la force électromotrice de la génératrice 4 qui augmente avec sa vitesse de rotation N, et par l'impédance électrique de la phase de cette génératrice qui augmente aussi avec la fréquence du courant alternatif produit. On obtient ainsi au final un équilibre de cette force électromotrice et de cette impédance qui se compensent, ce qui donne la puissance maximum asymptotique Pasym limitant la puissance délivrée.

La figure 3 présente pour le moteur thermique 2 un graphique présentant des couples C délivrés par ce moteur, en fonction de sa vitesse de rotation N. On a sur ce graphique des courbes d'iso-rendement 30 qui dans cet exemple forment des anneaux insérés les uns dans les autres, comprenant au centre une petite zone de meilleur rendement 32 du moteur thermique, qui correspond à des vitesses de rotation N intermédiaires. On a aussi des courbes d'iso-puissances 36, qui forment des paraboles. On définit une courbe optimale de couple délivré 34 qui part de la vitesse d'amorçage No, de manière à obtenir globalement les meilleurs rendements possibles du moteur thermique 2, et on calibre la valeur de l'inductance L pour pouvoir suivre cette courbe optimale. En particulier suivant l'augmentation de la puissance P demandée, on choisit pour chaque courbe d'iso-puissance 36 le point de cette courbe qui recoupe la courbe d'iso-rendement 30 qui est sensiblement la meilleure. La courbe supérieure Cmax décrit la limite maximum de couple C délivrable par le moteur thermique 2, en fonction de sa vitesse de rotation N. Suivant le procédé de dimensionnement, l'ajustement de l'impédance de la phase, et donc de la valeur d'inductance L, est réalisé de manière à faire fonctionner la génératrice 4 suivant la courbe de couple demandé 20, qui correspond à la courbe optimale de couple délivré 34. On notera que la courbe de couple demandé 20 par la génératrice 4, doit être toujours inférieure ou égale à la courbe supérieure Cmax de couple délivrable par le moteur thermique 2.

Pour une vitesse de rotation Ni suffisamment élevée, permettant au moteur thermique 2 de délivrer une puissance maximum P assez importante, la courbe de couple demandé 20 par la génératrice 4 rejoint la courbe supérieure Cmax de couple délivrable par ce moteur. La vitesse du moteur thermique 2 est limitée à cette valeur Ni, qu'il ne peut pas dépasser. On réalise de cette manière un limiteur de vitesse de rotation naturel.

En pratique, on ajuste la valeur d'inductance L de la phase de la génératrice 4, donnant une impédance à cette phase permettant d'adapter la tension du courant redressé délivré par le redresseur 6, en fonction des points de fonctionnement de cette génératrice, de manière à obtenir un bon compromis pour le rendement du moteur thermique 2 sur toute sa plage de puissance demandée. On peut ainsi avec le procédé selon l'invention, réaliser de manière économique à partir d'un redresseur 6 comportant seulement un pont de diodes 8, un système de génération d'électricité 1 comprenant un rendement optimisé et un système de pilotage très simplifié.

Claims

REVENDICATIONS1 - Procédé de dimensionnement d'un système de génération d'électricité pour un véhicule hybride, comprenant un moteur à combustion interne (2) entraînant directement une génératrice (4) produisant un courant alternatif qui est ensuite redressé par un pont de diodes (6), afin de délivrer un courant redressé dont la tension est adaptée pour recharger des batteries de traction (10), caractérisé en ce qu'il ajuste des valeurs d'inductance (L) des phases de la génératrice, donnant une impédance à ces phases permettant d'adapter la tension du courant redressé délivré par le redresseur (6) en fonction des batteries (10), de manière à obtenir une courbe optimale de couple délivré (34) par le moteur thermique (2), qui donne une gamme de puissance comportant un bon compromis sur le rendement global de ce moteur.
2 - Procédé de dimensionnement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la courbe optimale de couple délivré (34), passe suivant l'augmentation de la puissance (P) demandée, sensiblement par le point de la courbe d'iso-puissance (36) qui recoupe la courbe d'iso-rendement (30) la meilleure.
3 - Procédé de dimensionnement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte la définition d'un minimum de vitesse (No), représentant une vitesse d'amorçage suffisante pour obtenir une tension délivrée en accord avec le niveau de tension de la batterie (10) et du seuil de commutation du redresseur (6), et en ce qu'il comporte le calcul d'un flux de la génératrice (4) pour obtenir un couple (C) absorbé sensiblement nul en dessous de ce minimum de vitesse.
4 - Procédé de dimensionnement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que pour une vitesse de rotation (Ni) suffisamment élevée, permettant au moteur thermique (2) de 30 délivrer une puissance maximum (P) assez importante, la courbe de coupledemandé (20) par la génératrice (4) rejoint la courbe supérieure (Cmax) de couple délivrable par ce moteur. - Procédé de dimensionnement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre de phase de la 5 génératrice (4) est défini en fonction de l'impédance choisie pour ces phases, de manière à obtenir une filtration suffisante du courant délivré pour les besoins des batteries (10). 6 - Système de génération d'électricité d'un véhicule hybride, caractérisé en ce qu'il est dimensionné par un procédé de dimensionnement réalisé suivant l'une quelconque des revendications précédentes. 7 - Système de génération d'électricité selon la revendication 6, caractérisé en ce que les phases de la génératrice (4) comportent des inductances additionnelles (L) destinées à ajuster la valeur d'impédance de ces phases. 8 - Véhicule hybride comprenant un système de génération d'électricité (1), caractérisé en ce que ce système est réalisé selon la revendication 6 ou 7.