FR3058597A1

FR3058597A1 - Procede de controle d'un alternateur de machine electrique rotative

Info

Publication number: FR3058597A1
Application number: FR1660659A
Authority: FR
Inventors: Pierre Chassard; Pierre Tisserand; Laurent De Lamarre
Original assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Current assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Priority date: 2016-11-04
Filing date: 2016-11-04
Publication date: 2018-05-11
Anticipated expiration: 2036-11-04
Also published as: WO2018083405A1; FR3058597B1

Abstract

L'invention concerne un procédé de détermination d'un courant de saturation d'une machine électrique rotative fonctionnant dans un mode alternateur d'une part, et selon un régime de saturation magnétique d'autre part, afin de transformer le plus efficacement possible une énergie cinétique d'un véhicule automobile en situation de freinage en une énergie électrique destinée à être stockée dans des batteries. A cet effet, le procédé de détermination du courant de saturation vise à modéliser le comportement de la machine électrique rotative afin de limiter le nombre de capteurs à implémenter sur le véhicule automobile.

Description

Domaine technique

La présente invention se situe dans le domaine des alternateurs destinés à être couplés à un moteur thermique de véhicule automobile. Plus particulièrement, l’objet de la présente invention concerne un procédé d’estimation d’un courant de saturation d’une machine électrique rotative et un procédé de contrôle du couple résistant saturé de la machine électrique rotative. Un autre objet de l’invention concerne aussi un module électronique pour limiter le couple résistant saturé de la machine électrique rotative, ainsi qu’une machine électrique rotative configurée pour mettre en œuvre le procédé de contrôle du couple résistant saturé.

État de la technique antérieure

Dans le domaine de l’automobile, on connaît des alternateurs dont la tension fournie au réseau électrique de bord est maintenue constante par une électronique appelée régulateur. De manière schématique, le régulateur récupère des données transmises par une unité de contrôle moteur afin de configurer l’alternateur pour optimiser la charge de la batterie et la production d’électricité nécessaire aux équipements électroniques du véhicule automobile.

De manière connue, le régulateur prend en compte le régime de fonctionnement du véhicule automobile ainsi que le couple de sortie généré ou disponible au niveau du rotor du moteur tel que décrit dans le FR2976422 Bl. Ainsi, on conçoit que, pour certaines configurations de véhicules, l’alternateur ne devrait pas prélever de couple de sortie du moteur thermique au démarrage dudit moteur thermique, voire au cours d’une accélération afin d’améliorer les performances des véhicules par exemple de petite cylindrée, ou que le couple résistant de l’alternateur puisse être diminué lorsque la batterie est déjà chargée.

De manière plus particulière, certaines applications automobiles utilisent l’alternateur dans un mode de fonctionnement en régime saturé dont le débit de courant est au-delà de la classe nominal de débit de l’alternateur pendant une période pour laquelle la température de ladite machine ne dépasse pas une température maximale prédéterminée autorisée. Au-delà de la classe nominal de débit, la température de l’alternateur monte en fonction du courant débité et du temps d’utilisation jusqu’à une température pouvant détériorer au moins un de ses composants. Ainsi le régime saturé est un régime transitoire entre le régime de la classe nominal et la température pouvant détériorer au moins un de ses composants. Par exemple durant les périodes de freinage régénératif d’un véhicule automobile durant lesquelles l’énergie cinétique dudit véhicule automobile est convertie en énergie électrique par l’alternateur. Pour ce faire, l’alternateur doit fournir un courant de sortie le plus fort

-2possible afin de stocker l’énergie électrique correspondante dans des batteries pour une future restitution. Durant ces phases, le couple résistant de l’alternateur est alors optimisé, par exemple maximal afin transformer le plus efficacement possible le couple mécanique transmis par la rotation des roues durant le freinage du véhicule automobile en courant de saturation. Le couple résistant de l’alternateur forme alors un couple résistant en régime saturé dit couple résistant saturé.

Dans le cadre de cette application particulière, il existe un besoin de déterminer le courant d’une façon générale et en particulier le courant dit de saturation débité par l’alternateur fonctionnant en mode saturé. L’estimation du courant de sortie donc du couple résistant saturé donnée par le document FR2976422 Bl s’éloigne du courant de sortie réel car le courant de sortie durant le régime de saturation ne correspond pas à la fonction de l’estimation du courant en régime nominal. Il existe alors un besoin d’un estimateur pour cette plage de fonctionnement.

La présente invention a pour objet de répondre au problème précédemment décrit et de conduire en outre à d’autres avantages.

Un autre but de l’invention est de proposer un nouvel estimateur du courant de sortie d’une machine électrique rotative fonctionnant dans un mode alternateur saturé pour résoudre au moins un de ces problèmes

Exposé de l’invention

Selon un premier aspect de l’invention, on atteint au moins l’un des objectifs précités avec un procédé d’estimation d’un courant de saturation i_Mt d’une machine électrique rotative ayant au moins un mode alternateur et pour fonctionner dans un régime de saturation, à partir d’un courant d’excitation i_exc et d’une vitesse de rotation (jù de ladite machine électrique rotative, le procédé d’estimation du courant de saturation comprenant les étapes suivantes :

~ détermination d’un nombre représentatif du courant d’excitation i_exc de la machine électrique rotative à chaque instant t;

~ détermination d’un nombre représentatif de la vitesse de rotation (jù de la machine électrique rotative à chaque instant t;

~ détermination d’un gain Κ(ω) en fonction de la vitesse de rotation (jù de la machine électrique rotative détermination d’un mode de Saturation S((ù) en fonction de la vitesse de rotation (ω) de la machine électrique rotative et du courant d’excitation ÎeX_c ;

~ estimation du courant de saturation ÎSa_t par le produit du gain KÇ(jù) par une fonction de f de la sat_ui.tion S(w) : i_sat = K((ù) X (i_exc - f(S((ù))^ .

-3Cbaque instant t correspond un échantillonnage ou analogique.

Ainsi le courant de saturation i_Mt estimé permet de s’affranchir de l’utilisation de capteurs et de déterminer avec précision le courant débité par la machine électrique rotative fonctionnant dans un régime de saturation. Tel que décrit précédemment, le courant d’excitation dépend principalement ~ du courant d’excitation i^. de la machine électrique rotative. Le nombre représentatif du courant d’excitation i^ peut être déterminé par exemple en réalisant une mesure électrique sur un signal électrique de commande de puissance de la machine électrique rotative ;

^— de la vitesse de rotation (i) de la machine électrique rotative. Le nombre représentatif de la vitesse de rotation ά) peut être déterminé par exemple en réalisant une mesure d’une période d’un signal électrique de commande de puissance de la macbine électrique rotative ;

La prise en compte de ces deux variables pour déterminer le courant d’excitation i^ de la machine électrique rotative permet de calculer deux termes complexes — le gain K et la saturation S — qui dépendent notamment de la vitesse de rotation (jù de la macbine électrique rotative. Consécutivement, le procédé d’estimation du courant de saturation i^, d’une machine électrique rotative fonctionnant dans un régime de saturation permet d’obtenir un estimateur plus précis dudit courant de saturation que ceux connus dans l’art antérieur.

La présente invention adresse dans son premier aspect plusieurs méthodes pour déterminer le courant de saturation U et/ou le gain K et la saturation S qui seront décrites ci-après. Ainsi le procédé d’estimation du courant de saturation i^ conforme au premier aspect de l’invention peut comprendre avantageusement au moins un des perfectionnements ci-dessous, les caractéristiques techniques formant ces perfectionnements pouvant être prises seules ou en combinaison :

- K(œ)peut être le gain correspondant K (cnmax ) = ——*

Lxmax ~ le courant de saturation ί_ω1 et/ou le gain K et/ou la saturation S sont choisis parmi des valeurs préenregistrées durant un étalonnage de la macbine électrique rotative. En effet, l’étalonnage de la macbine électrique rotative peut permettre de déterminer les différentes valeurs du courant de saturation ι'_Μ, et/ou du gain K et/ou de la saturation S en fonction de certains paramètres de fonctionnement de ladite macbine électrique rotative, tels que notamment le courant d’excitation i^ et/ou la vitesse de rotation ü). Cet étalonnage peut être réalisé à partir de plusieurs mesures physiques du courant de saturation ϊ_Μΐ et/ou du gain K

-4et/ou de la saturation S d’une machine électrique rotative fonctionnant dans son régime de saturation et montée sur un banc de mesure, chacune des valeurs mesurées étant enregistrées dans une mémoire préalablement à l’installation de la machine électrique rotative sur un véhicule automobile. Plus particulièrement, le courant d’excitation i_exc et/ou la vitesse de rotation (jù sont successivement incrémentés d’une valeur incrémentale afin de mesurer le plus grand nombre possible de courants de saturation i_Mt et/ou de gain K et/ou de saturation S correspondants et à l’intérieur d’une plage d’utilisation donnée. Ainsi, plus tard, lorsque la machine électrique rotative est installée sur le véhicule automobile et utilisée dans le mode de freinage régénératif par exemple, il est possible de déterminer très rapidement la valeur estimée du courant de saturation i_Mt en fonction des paramètres de fonctionnement actuels de la machine électrique rotative, en sélectionnant dans une base de données les valeurs préenregistrées du courant de saturation i_Mt et/ou du gain K et/ou de la saturation S et correspondant aux valeurs actuelles du courant d’excitation i_exc et/ou de la vitesse de rotation (jù. Eventuellement, pour des valeurs intermédiaires du courant d’excitation i_exc et/ou de la vitesse de rotation (jù par rapport aux valeurs pré-enregistrées dans la base de données, une régression, par exemple linéaire, est réalisée pour déterminer le courant de saturation i_Mtet/ou le gain K et/ou la saturation S les plus proches. Alternativement, le courant de saturation i_Mt et/ou le gain K et/ou la saturation S sont définis par approximation. Alternativement encore, le courant de saturation i_Mt et/ou le gain K et/ou la saturation S peuvent être déterminés par troncature ;

le gain K est calculé par une régression linéaire de la vitesse de rotation (jù de la machine électrique rotative du type Κ(ίϋ) = (Z XùJ+ft où a est un coefficient directeur de gain et b est une ordonnée à l’origine de gain ;

de manière avantageuse, il apparaît qu’on obtient une meilleure approximation du gain K — et donc du courant de saturation i_Mt — en considérant une première famille de valeurs du gain K pour une première plage de valeur de la vitesse de rotation (jù de la machine électrique rotative et une deuxième famille de valeurs du gain K pour une deuxième plage de valeur de la vitesse de rotation (jù de la machine électrique rotative. Aussi, dans un procédé d’estimation du courant de saturation i_Mt conforme au premier aspect de l’invention :

~ si la vitesse de rotation 0) de la machine électrique rotative est inférieure à une valeur seuil w_sei]jp alors le coefficient directeur de gain a et l’ordonnée à l’origine de gain b prennent respectivement une première valeur al, bl, et le gain KÇ(jù) est alors défini par X (jü + b^ ;

-5— si la vitesse de rotation 0) de la machine électrique rotative est supérieure à la valeur seuil w_seuj|, alors le coefficient directeur de gain a et l’ordonnée à l’origine de gain b prennent respectivement une deuxième valeur a2, b2, et le gain KÇ(jù) est alors défini par Κ(ύύ) = (2 2 X 6) + Z?2 ;

la saturation S(w) est calculée par une régression linéaire de la vitesse de rotation 0) de la machine électrique rotative du type SÇ(jù) = CXù) + doùc est un coefficient directeur de saturation et d est une ordonnée à l’origine de saturation ;

de manière comparable au gain K, il apparaît qu’on obtient une meilleure approximation de la saturation S — et donc du courant de saturation i_Mt — en considérant une première famille de valeurs de saturation S pour une première plage de valeur de la vitesse de rotation 0) de la machine électrique rotative et une deuxième famille de valeurs de saturation S pour une deuxième plage de valeur de la vitesse de rotation 0) de la machine électrique rotative. Ainsi :

~ si la vitesse de rotation 0) de la machine électrique rotative est inférieure à la valeur seuil w_seuj|, alors le coefficient directeur de saturation c et l’ordonnée à l’origine de saturation d prennent respectivement une première valeur cl, dl, et la saturation S(w) est alors défini par S(ü)) = C₄ X ù) + d₄ ;

~ si la vitesse de rotation w de la machine électrique rotative est supérieure à la valeur seuil w_seuj|, alors le coefficient directeur de saturation c et l’ordonnée à l’origine de saturation d prennent respectivement une deuxième valeur c2, d2, et la saturation S(w) est alors défini par SÇ(jù) = C2 X ù) + ^ !

pour des applications automobiles, la valeur seuil w_seuj| est comprise entre 2000 et 3θθθ tours par minutes ; et préférentiellement la valeur seuil w_seuj| est égale à 2500 tours par minutes ;

la fonction de régression f de la saturation S(w) est avantageusement un polynôme de degré 3 afin de proposer une bonne approximation du fonctionnement de la machine électrique rotative sans nécessiter une électronique trop complexe et trop chère pour mettre en œuvre ladite approximation ;

la fonction de régression f de la saturation S(w) est dépendant du terme tangente afin de simplifier l’expression mathématique de l’approximation du courant de saturation i_Mt, notamment par rapport à une approximation polynomiale telle que décrite précédemment, et tout en conservant une bonne précision pour une complexité et un coût de mise en œuvre réduit ;

-6la fonction de régression f de la saturation S(w) est du type d’une tangente hyperbolique, le courant de saturation i_Mt étant défini par t_sat = K (ω) X tanh ^exc ;

la fonction de régression f de la saturation S(w) est du type d’une arctangente, le courant de saturation i_Mt étant défini par t_sat — Α(ω) X tan ^{1 exc}.

5(ω)

Selon un deuxième aspect de l’invention, il est proposé un procédé d’estimation d’un couple résistant saturé C_sat d’une machine électrique rotative fonctionnant dans un régime de saturation, le procédé d’estimation du couple résistant saturé comprenant les étapes suivantes :

— estimation du courant de saturation i_Mt à l’aide du procédé d’estimation du courant de saturation i_Mt conforme au premier aspect de l’invention ou à l’un quelconque de ses perfectionnements ;

— détermination de la tension de sortie U_ALT de la machine électrique rotative ;

— estimation d’un nombre représentatif du couple résistant saturé C_sat de la machine électrique rotative par le produit du courant de saturation i_Mt par la tension de sortie Uj, :

r· _ UALT^xisat

Le procédé d’estimation du couple résistant saturé C_sat d’une machine électrique rotative fonctionnant en saturation s’appuie sur l’estimateur de courant de saturation i_Mt précédemment calculé dans le premier aspect de l’invention ou à l’un quelconque de ses perfectionnements. Dans son deuxième aspect, le procédé d’estimation du couple résistant saturé C_sat bénéficie de la meilleure précision de l’estimateur du courant de saturation i_Sat via le procédé d’estimation du courant de saturation conforme au premier aspect de l’invention ou selon l’un quelconque de ses perfectionnements. Le couple résistant saturé C_sat déterminé par le procédé conforme au deuxième aspect est donc lui aussi plus précis que ceux de l’art antérieur. Ainsi, le contrôle moteur avec l’alternateur peut utiliser le frein résistant de l’alternateur de manière progressive ou étagée afin que l’utilisateur du véhicule automobile ne ressente pas d’à-coup.

Avantageusement, dans le procédé d’estimation du couple résistant saturé C_sat conforme au deuxième aspect de l’invention, le couple résistant saturé C_sat de la machine électrique rotative est défini par Csat ^{= α1ί}χ ^Sat’ °ù fi ^est le rendement de la machine électrique rotative.

Selon un troisième aspect de l’invention, il est proposé un procédé de régulation du couple résistant saturé C_sat de la machine électrique rotative fonctionnant en saturation et comprenant les étapes suivantes :

-Ί~ commande de la machine électrique rotative à l’aide d’un courant d’excitation i_exc ;

~ détermination de la vitesse de rotation w de la machine électrique rotative ;

~ estimation du couple résistant saturé C_sat de la machine électrique rotative à l’aide du procédé d’estimation du couple résistant saturé conforme au deuxième aspect de l’invention ou selon l’un quelconque de ses perfectionnements ;

~ si le couple résistant saturé C_sat estimé de la machine électrique rotative est supérieur à une valeur seuil prédéfinie de couple résistant saturé C_sei]jp réduction du courant d’excitation i_exc.

Conformément à son troisième aspect, le procédé de régulation du couple résistant saturé C_sat de la machine électrique rotative permet de contrôler ladite machine électrique rotative et de contrôler son impact sur le système électrique dans lequel elle est intégrée, notamment dans le domaine automobile. Plus particulièrement, dans le domaine automobile et dans une situation de freinage récupératif telle que décrite précédemment, le procédé de régulation du couple résistant saturé C_ALTconforme au troisième aspect de l’invention permet de contrôler l’impact de la macbine électrique rotative sur un moteur thermique auquel elle est couplée. Plus particulièrement, le procédé de régulation du couple résistant saturé C_sat permet par exemple de garantir que le couple résistant saturé ne dépasse pas une valeur seuil C_seuj| au-delà de laquelle la macbine électrique rotative et/ou le système électrique pourraient être endommagés. Le procédé de régulation du couple résistant saturé C_ALT de la macbine électrique rotative permet de réaliser une régulation plus fine de ladite macbine électrique rotative à partir d’un estimateur plus précis et déterminé par plusieurs grandeurs électriques et/ou plusieurs variables de fonctionnement de ladite macbine électrique rotative.

Selon un quatrième aspect de l’invention, il est proposé un module électronique pour limiter un couple résistant saturé d’une macbine électrique rotative fonctionnant en saturation, le module électronique étant agencé pour mettre en œuvre les étapes du procédé de régulation du couple résistant saturé C_sat conforme au troisième aspect de l’invention.

Avantageusement, le module électronique conforme au quatrième aspect de l’invention est agencé pour limiter le couple résistant saturé d’une macbine électrique rotative fonctionnant en régime de saturation, le module électronique comprenant :

~ un dispositif pour déterminer un courant d’excitation i_exc de la macbine électrique rotative. A titre d’exemples non limitatifs, il peut s’agir par exemple d’un capteur à effet Hall ou d’un composant électrique ou électronique permettant de mesurer le courant d’excitation i_exc de la macbine électrique rotative, tel qu’un transistor ou une résistance de mesure de très faible impédance, dite résistance de shunt ;

~ un dispositif pour déterminer une tension de sortie d’alternateur Uj, de la macbine électrique rotative. A titre d’exemple non limitatif, il peut s’agir par exemple d’un convertisseur

-8analogique-numérique mesurant la tension de sortie d’alternateur U_ALT au niveau des conducteurs électriques de la machine électrique rotative sur lesquels le courant induit est créé durant la rotation de ladite machine électrique rotative ;

— un circuit électronique configuré pour mettre en œuvre les étapes du procédé de régulation du couple résistant saturé C_sat conforme au troisième aspect de l’invention ou à l’un quelconque de ses perfectionnements.

Selon un cinquième aspect de l’invention, il est proposé une machine électrique rotative comprenant :

— au moins un mode alternateur saturé ;

— un dispositif pour déterminer un courant d’excitation i_exc d’un stator de l’alternateur ;

— un dispositif pour déterminer une tension de sortie U_ALT de l’alternateur ;

— un dispositif pour déterminer une vitesse de rotation 0) d’un rotor de l’alternateur ;

~ un circuit électronique configuré pour mettre en œuvre les étapes du procédé de régulation du courant de saturation i_Mt conforme au deuxième aspect de l’invention.

Des modes de réalisation variés de l’invention sont prévus, intégrant selon l’ensemble de leurs combinaisons possibles les différentes caractéristiques optionnelles exposées ici.

Description des figures

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore au travers de la description qui suit d’une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés d’autre part, sur lesquels :

~ la FIGURE 1 est un graphique illustrant le phénomène de saturation d’une machine électrique rotative fonctionnant en mode alternateur ;

~ la FIGURE 2 illustre un procédé d’estimation du courant de saturation conforme au premier aspect de l’invention ;

~ la FIGURE 3 illustre un procédé d’estimation d’un courant de sortie d’une machine électrique rotative fonctionnant en mode saturé ou non saturé ;

~ la FIGURE 4 est un graphique illustrant une l’évolution de la vitesse d’amorçage d’une machine électrique rotative fonctionnant en mode alternateur, en fonction du courant d’excitation et de la tension de sortie ;

-9— la FIGURE 5 est un graphique illustrant une caractérisation d’un courant de sortie de la machine électrique rotative fonctionnant en mode alternateur, en fonction de la vitesse de rotation de la machine électrique rotative, du courant d’excitation et de la tension de sortie ;

— la FIGURE 6 au travers d’un schéma de principe un exemple de réalisation d’un module électronique mettant en œuvre le procédé d’estimation du courant de sortie illustré sur la FIGURE 5Bien entendu, les caractéristiques, les variantes et les différentes formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres, selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. On pourra notamment imaginer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites par la suite de manière isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieur.

En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont combinables entre eux si rien ne s’oppose à cette combinaison sur le plan technique.

Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence.

Description détaillée de l’invention

La FIGURE 1 illustre une courbe caractéristique d’une machine électrique rotative fonctionnant en mode alternateur, et dans laquelle la densité de flux magnétique B est représentée en fonction du champ magnétique H mesuré dans ladite machine électrique rotative.

Pour des champs magnétiques H faibles, c’est-à-dire pour de faibles courants d’excitation de la machine électrique rotative, la densité de flux magnétique B croit linéairement 305 dans le rotor de la machine électrique rotative. En revanche, lorsque le courant du rotor de la machine électrique rotative augmente de manière importante, il apparaît un phénomène de saturation magnétique 310 dudit rotor, et la densité de flux magnétique B reste constante ou sensiblement constante malgré l’augmentation du champ magnétique H dans le rotor.

En d’autres termes, et comme visible sur la FIGURE 1, la densité de flux magnétique B comprend une zone de croissance linéaire 305 pour des valeurs faibles de champ magnétique H, et une zone de croissance asymptotique 300 dans laquelle apparaît le phénomène de saturation magnétique 310, pour des valeurs fortes de champs magnétique H. Ainsi, dans la zone de croissance linéaire 305, la densité de flux magnétique B en fonction du champ magnétique El prend la forme d’une droite 303

-10de pente non nulle ; et dans la zone de saturation magnétique 310, la densité de flux magnétique B en fonction du champ magnétique H prend la forme d’une asymptote horizontale 300 correspondant à une valeur maximale 302 de la densité de flux magnétique B.

On peut ainsi considérer que, en deçà d’un champ magnétique seuil 301, la densité de flux magnétique B croit linéairement, et au-delà du champ magnétique seuil 301, la densité de flux magnétique B est constante à une valeur maximale 302.

La LIGURE 2 illustre un procédé 510 d’estimation du courant de saturation 515 d’une machine électrique rotative fonctionnant dans un régule de saturation à partir de la vitesse de rotation 512 de ladite machine électrique rotative et du courant d’excitation 511· Le procédé 510 d’estimation du courant de saturation 515 est conforme au premier aspect de l’invention et il est destiné à permettre la régulation d’une machine électrique rotative, via une unité de contrôle moteur 700 par exemple. Tel que décrit précédemment, un tel courant de saturation apparaît par exemple durant des phases de freinage régénératif pendant lesquelles la machine électrique rotative est utilisée en mode alternateur afin de convertir le plus efficacement possible l’énergie cinétique du véhicule automobile en énergie électrique.

Conformément au premier aspect de l’invention, le procédé d’estimation du courant de saturation 515 comprend les étapes suivantes :

— détermination d’un nombre représentatif du courant d’excitation i_exc de la machine électrique rotative par le biais d’une commande de puissance ;

— détermination d’un nombre représentatif de la vitesse de rotation 0) de la machine électrique rotative par le biais d’une mesure de période de la commande de puissance de ladite machine électrique ;

~ détermination d’un gain Κ(ω) en fonction de la vitesse de rotation 0) de la machine électrique rotative : K (ûj) = ^Smax ^^exmax ~ détermination d’un mode de saturation en fonction de la vitesse de rotation 0) de la machine électrique rotative et du courant d’excitation i_exc ;

~ estimation du courant de saturation i_Mt par le produit du gain K((jù) par une fonction de régression f de la saturation S(üf) : t_sat = K(üù) X Çl_exc — f(S(ü)

De manière avantageuse, le gain K et la saturation S sont estimés par une régression linéaire prenant la forme suivante :

-11~ si la vitesse de rotation 0) de la machine électrique rotative est inférieure à une valeur seuil, par exemple égale à environ 2500 tours par minutes, alors le gain K est défini par : KÇ(jù) = Cl₄ X ω + b₄, où a, et b, sont respectivement des premières valeurs de gain et d’ordonnée à l’origine pour le gain K ; et la saturation S est définie parS(ù)) = C₄ X (jù + d₄, où c, et d, sont respectivement des premières valeurs de gain et d’ordonnée à l’origine pour la saturation S ;

~ si la vitesse de rotation 0) de la machine électrique rotative est supérieure à la valeur seuil, alors le gain K est défini par : KÇ(jù) = 0-2 X (D + b₂, où a₂ et b₂ sont respectivement des deuxièmes valeurs de gain et d’ordonnée à l’origine pour le gain K ; et la saturation S est définie parS(ù)) = C₂ X (D + d₂, où c₂ et d₂ sont respectivement des deuxièmes valeurs de gain et d’ordonnée à l’origine pour la saturation S.

Et de manière avantageuse, la fonction f de la saturation S est préférentiellement du type d’une fonction tangente, telle que par exemple une fonction arctangente ou tangente hyperbolique.

Dans ce régime de fonctionnement, le courant de sortie de la machine électrique correspond au courant de saturation ainsi déterminé, ll est ainsi possible de déterminer le courant de sortie de la machine électrique rotative sans ajout de capteurs supplémentaires, mais par une analyse et une méthode d’estimation qui prend en compte certaines variables de fonctionnement de la machine électrique rotative.

Cependant, d’une manière plus générale, il est possible d’inclure l’estimateur de courant de saturation dans un estimateur de courant de sortie de la machine électrique rotative et valable pour n’importe quel mode de fonctionnement de ladite machine électrique rotative, afin d’améliorer la précision dudit estimateur et de permettre un fonctionnement selon plusieurs régimes de fonctionnement. Ce cas de figure est particulièrement adapté dans le domaine de l’automobile où une machine électrique rotative fonctionnant en mode alternateur peut, la plupart du temps, fonctionner dans son régime de fonctionnement non saturé, mais aussi, lors des phases de freinage par exemple, fonctionner dans le régime de saturation magnétique afin de convertir l’énergie cinétique du véhicule automobile en énergie électrique, tel que décrit précédemment. Ainsi, à l’aide d’un seul estimateur, les deux régimes de fonctionnement peuvent être observés à l’aide d’estimateurs, voire même régulés à l’aide d’un procédé d’estimation et de régulation du couple de sortie de la machine électrique rotative.

Â cet effet, la FIGURE 3 illustre un procédé 5θθ d’estimation d’un courant de sortie 525 d’une machine électrique rotative pouvant fonctionner en mode saturé ou non saturé, ledit procédé comprenant :

-12— une première étape de détermination d’un courant de saturation 515 selon le procédé décrit précédemment et à partir d’une vitesse de rotation 512 et d’un courant d’excitation 511 de la machine électrique rotative ;

— une deuxième étape 530 de détermination de la vitesse d’amorçage 535 de la machine électrique rotative selon le procédé décrit en référence à la FIGURE 4, à partir d’une tension de sortie de la machine électrique rotative 531 et de son courant d’excitation 532 ;

— une troisième étape 520 de détermination du courant de sortie 525 de la machine électrique rotative et décrit plus en détail en référence à la FIGURE 5·

Ainsi, le courant de sortie 525 de la machine électrique rotative est déterminé à l’aide d’un procédé qui permet de prendre en compte à la fois le mode de fonctionnement non saturé de la machine électrique rotative, c’est-à-dire dans le régime de variation linéaire de la densité de flux magnétique par rapport à une variation du champ magnétique tel qu’illustré dans la FIGURE 1, et le mode de saturation magnétique, tel que décrit précédemment en référence à la FIGURE 2. Ce procédé d’estimation du courant de sortie est ainsi plus complet et plus versatile quant aux modes de fonctionnements de la machine électrique rotative, tel que décrit précédemment.

La FIGURE 4 illustre l’évolution de la vitesse d’amorçage ύ)θ d’une machine électrique rotative fonctionnant en mode alternateur en fonction du courant d’excitation i_exc et de la tension de sortie U_ALT de ladite machine électrique rotative, tel que mis en œuvre dans la deuxième étape 53θ du procédé de détermination du courant de sortie illustré sur la FIGURE 3·

La FIGURE 4 illustre ainsi deux courbes 100a, 100b caractérisant la vitesse d’amorçage ύ)θ d’une machine électrique rotative fonctionnant en mode alternateur en fonction du courant d’excitation

i..., :

— la première courbe caractéristique 100a illustre la réponse de la machine électrique rotative lorsque la tension de sortie U_ALT produite par la machine électrique rotative fonctionnant en mode alternateur est égale à 13V ;

— la deuxième courbe caractéristique 100b illustre la réponse de la machine électrique rotative lorsque la tension de sortie U_ALT produite par la machine électrique rotative fonctionnant en mode alternateur est égale à 14V.

On constate que la vitesse d’amorçage ύ)θ diminue lorsque le courant d’excitation i_exc croit et lorsque la tension de sortie EI_ALT décroît. Plus particulièrement, chaque courbe caractéristique 100a, 100b décroît de manière monotone jusqu’à attendre une valeur asymptotique 102a, 102b inférieure à la valeur de la vitesse d’amorçage initiale 101a, lOlb obtenue pour un courant d’excitation i_exc nul.

-13ll est ainsi possible de déterminer la vitesse d’amorçage ύ)θ de la machine électrique rotative fonctionnant en mode alternateur en :

— déterminant un nombre représentatif du courant d’excitation i_exc de la machine électrique rotative ;

— déterminant un nombre représentatif de la tension de sortie d’alternateur U_ALT ;

— déterminant un nombre représentatif de la vitesse d’amorçage ύ)θ en fonction des nombres représentatifs du courant d’excitation i_exc et de la tension de sortie d’alternateur U_ALT.

Plus particulièrement, la vitesse d’amorçage ύ)θ de la machine électrique rotative peut être calculée à partir de la formule suivante :

ω_ο = ω_ίηίί-[γχί(γ)] ; y = (axU_ALT + b) où est une constante représentant une vitesse d’amorçage initiale pour une valeur sensiblement nulle du courant de sortie de l’induit l_s, y est une fonction de régression linéaire d’une modulation de l’amplitude de la vitesse d’amorçage ύ)θ en fonction de la tension de sortie de l’alternateur (U_ALT), a est un coefficient directeur de y, b est une ordonnée à l’origine de y, Z est un facteur d’échelle et f une fonction.

De manière avantageuse, le calcul de la vitesse d’amorçage ύ)θ est amélioré si la fonction f est prise comme étant dépendant du terme tangente. Plus particulièrement, la fonction f peut être du type d’une tangente hyperbolique ou d’une arctangente, et la vitesse d’amorçage ύ)θ de la machine électrique rotative prend alors la forme suivante :

^ωο = Minit - [y X tanh ^γ] ou ω₀ = ü)_init - [y x tan^-1 ^γ]

La FIGURE 5 illustre une caractérisation d’un courant de sortie i_s par une machine électrique rotative fonctionnant en mode alternateur, en fonction de la vitesse de rotation 0) de la machine électrique rotative, du courant d’excitation i_exc et de la tension de sortie U_ALT tel que mis en œuvre dans la troisième étape 520 du procédé de détermination du courant de sortie illustré sur la FIGURE 3·

La FIGURE 5 illustre deux courbes caractéristiques 200a, 200b d’une machine électrique rotative, obtenues en pilotant ladite machine électrique rotative selon une pluralité de points de fonctionnements différents. En d’autres termes, pour différents couples de valeurs de (i_exc ; U_ALTJ, le courant de sortie i_s de la machine électrique rotative est mesuré pour une pluralité de vitesses de rotation (jù.

-14La première courbe caractéristique 200a illustre la réponse de la macbine électrique rotative lorsque le courant d’excitation est fourni par une alimentation externe, séparée, via une excitation séparée. Dans ce cas, i_exc = 5A et U_ALT = 14V.

La deuxième courbe caractéristique 200b illustre la réponse de la macbine électrique rotative montée sur un véhicule automobile. Dans ce cas, i_exc = 5A et U_ALT = 14V.

On constate ainsi que pour de faibles valeurs de vitesses de rotation (jù, la macbine électrique rotative ne débité aucun courant. En revanche, à partir d’une valeur seuil 201a, 20lb, dite vitesse d’amorçage ύ)θ, la macbine électrique rotative débite un courant de sortie i_s non nul.

Au-delà de la vitesse d’amorçage ύ)θ, le courant de sortie i_s croit de manière monotone, avec une accélération décroissante, jusqu’à atteindre une valeur asymptotique 202a, 202b pour une vitesse de rotation maximal 203 de la macbine électrique rotative.

Il est possible de déterminer le courant de sortie i_s d’une telle macbine électrique rotative fonctionnant en mode alternateur en :

~ déterminant un nombre représentatif d’une vitesse de rotation 0) de la macbine électrique rotative ;

~ déterminant le courant de sortie i_s en fonction du nombre représentatif de la vitesse de rotation (jù, du courant de saturation i_SAT déterminé à l’aide du procédé illustré en référence à la LIGURE 3 et du nombre de la vitesse d’amorçage ύ)θ à l’aide des formules caractéristiques illustrées à la LIGURE 4·

Le courant de sortie i_s peut être avantageusement calculé à partir des étapes suivantes récupération du nombre représentatif du courant d’excitation i_exc de la macbine électrique rotative déterminé lors du procédé d’estimation de la vitesse d’amorçage ύ)θ tel que décrit précédemment ;

détermination d’un nombre représentatif de la vitesse de rotation (jù de la macbine électrique rotative ;

récupération du courant de saturation i_SAT déterminé à l’aide du procédé illustré en référence à la LIGURE 2 ;

détermination d’un gain K représentant le rapport entre i^max et i, „ i_smax , max : Λ —- a i_excmax une vitesse de rotation maximum (x)_max de la macbine électrique rotative ; estimation d’un nombre représentatif du courant de sortie i_s :

O si (jù < (jùq alors i$ — 0 ;

O sinon ï$ = K X l_exc X g où (jùq est la vitesse d’amorçage obtenue par le procédé d’estimation de la vitesse d’amorçage (jùq tel que décrit précédemment, X est un facteur d’échelle et g une fonction.

De manière avantageuse, la précision du calcul du courant de sortie i_s est améliorée si la fonction g est prise comme étant dépendant du terme tangente. Plus particulièrement, la fonction g peut être du type d’une tangente hyperbolique ou d’une arctangente, et la vitesse d’amorçage (jùq de la machine électrique rotative prend alors la forme suivante :

si ω < (jùq alors i_s = 0 sinon i_s = K x i_exc x tanh——— ou i_s = K x i_exc x tan ¹———

La détermination du courant de sortie à l’aide de l’estimateur permet consécutivement de réaliser une limitation du courant de sortie i_s d’une machine électrique rotative en :

~ estimant du courant de sortie i_s de la machine électrique rotative à l’aide du procédé d’estimation du courant de sortie i_s tel que décrit précédemment, ledit procédé prenant en compte l’estimation du courant de saturation de la machine électrique rotative ;

~ si le courant de sortie i_s estimé de la machine électrique rotative est supérieur à une valeur seuil de courant de sortie prédéfinie i_seuj|, réduction du courant d’excitation i_exc.

Ce procédé de limitation du courant de sortie i_s se base ainsi sur l’estimateur du courant de sortie i_sainsi que sur l’estimateur de la vitesse d’amorçage (jùq et l’estimateur de courant de saturation i_Mt tels que définis précédemment pour réguler de manière plus précise la machine électrique rotative, et ce quel que soit son régime de fonctionnement — saturé ou non-saturé. En particulier, et sans ajout supplémentaire de capteurs difficiles à intégrer dans le domaine automobile par exemple, il est possible à l’aide du procédé de limitation de contrôler la charge électrique de la machine électrique rotative sur le réseau électrique sur lequel elle est embarquée.

Consécutivement, il est ainsi possible d’estimer de manière plus précise le couple de sortie C_ALT de la machine électrique rotative à l’aide de la formule suivante :

V_ait ⁼ (U_ALt x is) /ω

Alternativement, il est possible de prendre en compte le rendement T] de la machine électrique rotative pour déterminer le couple de sortie :

-16Palt —

P ait ^x É η x ω

La FIGURE 6 illustre un schéma de principe d’un module électronique 600 permettant de contrôler le couple de sortie C_ALT d’une machine électrique rotative.

Le module électronique comprend des moyens de mesure et/ou de détermination 614 de trois variables de fonctionnement de la machine électrique rotative :

~ des moyens de mesure et/ou d’estimation de la tension d’alimentation 615 agencés pour mesurer et/ou estimé la tension d’alimentation B+ du système électrique dans lequel la machine électrique rotative est embarquée. Dans le cas d’une utilisation dans le domaine automobile, il peut s’agir par exemple du réseau de bord ;

~ des moyens de mesure et/ou d’estimation du courant d’excitation 6l6 ;

~ des moyens de mesure et/ou d’estimation de la vitesse de rotation 617 de la machine électrique rotative. En particulier, il est avantageux de déterminer la vitesse de rotation du rotor de la machine électrique rotative à partir d’au moins une mesure sur un signal électrique de commande de ladite machine électrique, c’se-à-dire d’au moins une pb ase électrique.

Les trois variables d’entrée sont ensuite utilisées pour estimer la valeur d’un courant de sortie 619 de la machine électrique selon le procédé décrit précédemment.

Le courant de sortie 619 estimé, la tension d’alimentation 615 de la machine électrique rotative et sa vitesse de rotation 617 sont ensuite traités par un estimateur de couple de sortie 6l8 agencé pour déterminer le couple de sortie 621 de la machine électrique rotative tel que décrit précédemment.

En particulier, l’estimateur de couple de sortie 6l8 comprend :

~ des étages d’amplification et de filtrage 620 pour chacune des variables d’entrées mesurées et/ou déterminées par les moyens de mesure et/ou de détermination 614 ;

~ un multiplicateur 621 configuré pour combiner les résultats de mesure et/ou de d’estimation amplifiés et filtrés par les étages d’amplification et de filtrage 620 pour, en prenant en compte le rendement T] de la machine électrique rotative, déterminer le couple de sortie estimé de ladite machine électrique rotative et tel que décrit précédemment ;

~ un soustracteur 622 permettant de déterminer l’écart entre le couple de sortie de la machine électrique rotative et tel qu’estimé à l’étape précédente et une consigne de couple C_seuj|

-17représentant une valeur seuil de couple de sortie telle que décrite précédemment permettant de déclencher une régulation du courant d’excitation si le coupe de sortie estimé dépasse cette valeur seuil, tel que décrit précédemment ;

— un moyen de mise en forme et/ou de conditionnement du signal 623·

La sortie 624 de l’estimateur de couple de sortie 618 de la machine électrique rotative est appliquée à un dispositif 625 configuré pour limiter le courant d’excitation de ladite machine électrique rotative et tel que décrit précédemment.

En particulier, le dispositif 625 est configuré pour limiter le rapport cyclique variable élaboré par le régulateur de tension 626 de la machine électrique rotative à un rapport cyclique maximum DCCL1M1T au moyen par exemple d'un gabarit de limitation du rapport cyclique 627 lorsque l'estimation du couple de sortie C_ALT est supérieure à la valeur seuil de couple de sortie C_seuj|.

Ainsi le générateur de signaux 628 pilotant le courant d'excitation de la machine électrique rotative fournit :

— des signaux PWM dont le rapport cyclique variable est déterminé par le régulateur de tension 626 de manière à maintenir la tension d'alimentation B+ à la tension de consigne B REF quand l'estimation du couple de sortie C_ALT de la machine électrique rotative est inférieure à la valeur seuil de couple de sortie C_seuj| ; et — des signaux PWM présentant un rapport cyclique maximum DC C L1M1T quand un fort appel de charge sur le réseau électrique de bord entraînerait, s'il n'était contrôlé, un couple de sortie C_ALT de la machine électrique rotative supérieur à la valeur seuil de couple de sortie f-seuil*

Les traitements analogiques et/ou numériques des variables d’entrées délivrées par les moyens de mesure et/ou d’estimation 614, l’estimateur de couple de sortie 618 et le dispositif 625 peuvent être mis en œuvre par programme au moyen de routines supplémentaires implémentés avantageusement dans des mémoires de microprocesseurs ou de microcontrôleurs que comprennent les dispositifs de régulation des alternateurs modernes standard. Ces traitements peuvent aussi être implémentés en logique numérique (de type AS1C) ou programmable (FPGA, CPLD).

En synthèse, l’invention concerne un procédé de détermination d’un courant de saturation d’une machine électrique rotative fonctionnant dans un mode alternateur d’une part, et selon un régime de saturation magnétique d’autre part, afin de transformer le plus efficacement possible une énergie cinétique d’un véhicule automobile en situation de freinage en une énergie électrique destinée à être stockée dans des batteries. A cet effet, le procédé de détermination du courant de saturation vise à

-18modéliser le comportement de la machine électrique rotative afin de limiter le nombre de capteurs à implémenter sur le véhicule automobile.

Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention. Notamment, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l’invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. En particulier toutes les variantes et modes de réalisation décrits précédemment sont combinables entre eux.

Claims

Revendications

1. Procédé d’estimation d’un courant de saturation (i_Mt) d’une machine électrique rotative ayant au moins un mode alternateur et pour fonctionner dans un régime de saturation, à partir d’un courant d’excitation (i_exc) et d’une vitesse de rotation (ûj) de ladite machine électrique rotative, le procédé d’estimation du courant de saturation comprenant les étapes suivantes :

— détermination d’un nombre représentatif du courant d’excitation (i_exc) de la machine électrique rotative à chaque instant t;

— détermination d’un nombre représentatif de la vitesse de rotation (ûj) de la machine électrique rotative à chaque instant t détermination d’un gain (Κ(ω)) en fonction de la vitesse de rotation (ù)) de la machine électrique rotative : KÇ(jù) ;

~ détermination d’un mode de saturation (S(w)) en fonction de la vitesse de rotation (ω) de la machine électrique rotative et du courant d’excitation (i_exc) ;

~ estimation du courant de saturation (i_Mt) par le produit du gain (Κ(ω)) par une fonction de régression (f) de la saturation (S(w)) : t_sat = X Çi_exc ~ f(S(ü)
2. Procédé d’estimation du courant de saturation (i_Mt) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant de saturation (i_Mt) est choisi parmi des valeurs préenregistrées durant un étalonnage de la machine électrique rotative.
3. Procédé d’estimation du courant de saturation (i_Mt) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gain est calculé par une régression linéaire de la vitesse de rotation (ûj) de la machine électrique rotative du type Κ(ίϋ) = (Z XùJ+ft où a est un coefficient directeur de gain et b est une ordonnée à l’origine de gain.
4- Procédé d’estimation du courant de saturation (i_Mt) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que :

~ si la vitesse de rotation (ûj) de la machine électrique rotative est inférieure à une valeur seuil (w_seuj|), alors le coefficient directeur de gain (a) et l’ordonnée à l’origine de gain (b) prennent respectivement une première valeur (al, bl), et le gain (/f(ù))) est alors défini par Κ(ω) = a_±x ω + b_± ;

~ si la vitesse de rotation (ω) de la machine électrique rotative est supérieure à la valeur seuil (w_seuj|), alors le coefficient directeur de gain (a) et l’ordonnée à l’origine de gain (b) prennent

-20respectivement une deuxième valeur (a2, b2), et le gain (/f(ù))) est alors défini par KÇ(jù) = a₂ x ω + b₂.
5. Procédé d’estimation du courant de saturation (i_Mt) selon l’une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la saturation (S(w)) est calculée par une régression linéaire de la vitesse de rotation (ûj) de la machine électrique rotative du type SÇ(jù) = C X (jù + d où c est un coefficient directeur de saturation et d est une ordonnée à l’origine de saturation.
6. Procédé d’estimation du courant de saturation (i_Mt) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que :

~ si la vitesse de rotation (ω) de la machine électrique rotative est inférieure à la valeur seuil (w_seuj|), alors le coefficient directeur de saturation (c) et l’ordonnée à l’origine de saturation (d) prennent respectivement une première valeur (cl, dl), et la saturation (S(w)) est alors défini par SÇü)) = X (jü + ;

~ si la vitesse de rotation (w) de la machine électrique rotative est supérieure à la valeur seuil (w_seuj|), alors le coefficient directeur de saturation (c) et l’ordonnée à l’origine de saturation (d) prennent respectivement une deuxième valeur (c2, d2), et la saturation (S(w)) est alors défini par SÇü)) = C₂ X (jü + d₂.
7. Procédé d’estimation du courant de saturation (i_Mt) selon l’une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la valeur seuil (w_seuj|) est comprise entre 2000 et 3θθθ tours par minutes.
8. Procédé d’estimation du courant de saturation (i_Mt) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la valeur seuil (w_seuj|) est égale à 2500 tours par minutes.
9. Procédé d’estimation du courant de saturation (i_Mt) selon l’une quelconque des revendications précédente, caractérisé en ce que la fonction de régression (f) de la saturation (S(w)) est dépendant du terme tangente.
10. Procédé d’estimation du courant de saturation (i_Mt) selon la revendication 9, caractérisé en ce que la fonction de régression (f) de la saturation (S(w)) est du type d’une tangente hyperbolique, le courant de saturation (i_Mt) étant défini par t_sat = K((jù) X tanh .

5(ω)

-2111. Procédé d’estimation du courant de saturation (i_Mt) selon la revendication 9> caractérisé en ce que la fonction de régression (f) de la saturation (S(w) est du type d’une arctangente, le courant de saturation (i_Mt) étant défini par t_sat = K (ω) x tan ¹ iexc

5(ω)’
12. Procédé d’estimation d’un couple résistant saturé (C_Mt) d’une machine électrique rotative 5 fonctionnant dans un régime de saturation, le procédé d’estimation du couple résistant saturé comprenant les étapes suivantes :

~ estimation du courant de saturation (i_Mt) à l’aide du procédé d’estimation du courant de saturation selon l’une quelconque des revendications précédentes ;

~ détermination de la tension de sortie (U_ALT) de la machine électrique rotative ;

10 ~ estimation d’un nombre représentatif du couple résistant saturé (C_Mt) de la machine électrique rotative par le produit du courant de saturation (i_Mt) par la tension de sortie \ _ CALT'T'isat f^UalJ ^csat —
13- Procédé d’estimation du couple résistant saturé (C_Mt) de la machine électrique rotative selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le couple résistant saturé (C_Mt) de la machine électrique rotative est défini par C_sat = ^αίί* ^sat, _où (jy) est ]_e rendement de la machine électrique rotative.

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