FR3084788A1 - Machine electrique tournante a dimensionnement optimise - Google Patents
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Abstract
L'invention porte principalement sur un ensemble pour véhicule automobile comportant: - une machine électrique tournante (19) apte à fonctionner dans un mode moteur et dans un mode générateur, notamment au cours d'une phase de freinage récupératif, ladite machine électrique tournante (19) comportant un stator muni de N phases ayant une résistance de phase et étant destinées à être parcourues par un courant de phase maximal, et - un onduleur de puissance (21) associé ayant une résistance électrique, caractérisé en ce que la somme de la résistance de phase et de la résistance de l'onduleur de puissance (21) est proportionnelle au ratio entre la puissance mécanique maximale divisée par le carré du courant de phase maximal.
Description
MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE À DIMENSIONNEMENT OPTIMISÉ
La présente invention porte sur une machine électrique tournante à dimensionnement optimisé. L'invention est particulièrement bien adaptée aux machines électriques ayant une tension de fonctionnement inférieur à 60 Volts et valant de préférence 48V. Toutefois, l'invention pourra également être mise en œuvre avec des machines électriques haute tension fonctionnant sous une tension de l'ordre de 300V.
De façon connue en soi, un véhicule automobile de type électrique ou hybride comporte une machine électrique tournante intégrée dans la chaîne de traction, notamment dans la boîte de vitesses ou dans l'embrayage, ou implantée sur un des trains du véhicule automobile. La machine électrique est généralement une machine réversible apte à fonctionner dans un mode générateur pour recharger une batterie du véhicule ainsi que dans un mode moteur pour assurer une traction du véhicule.
Les véhicules hybrides ou à rechargement sur un réseau externe (architecture dite plug-in en anglais) permettent de réduire sensiblement les émissions de particules polluantes dans les cycles d’homologations ou hors des cycles, c'est à dire dans la vraie vie de roulage du véhicule automobile.
Une part importante de ces gains est obtenue en mode de récupération d’énergie lors d'une phase de freinage ou de décélération du véhicule. La phase de récupération d'énergie se produit le plus souvent dans des zones de fonctionnement à basse vitesse et pleine charge de la machine électrique, pour des durées courtes de l’ordre de 5 à 20 secondes.
L’invention vise à optimiser la configuration de la machine électrique sur ces points de fonctionnement en mode de récupération d’énergie en adaptant la résistance de la machine électrique et de l'onduleur associé en fonction de la puissance de la machine électrique.
Plus précisément, l'invention a pour objet un ensemble pour véhicule automobile comportant:
- une machine électrique tournante apte à fonctionner dans un mode moteur et dans un mode générateur, notamment au cours d'une phase de freinage récupératif, ladite machine électrique tournante comportant un stator muni de N phases ayant une résistance de phase et étant destinées à être parcourues par un courant de phase maximal, et
- un onduleur de puissance associé ayant une résistance électrique, caractérisé en ce que la somme de la résistance de phase et de la résistance de l'onduleur de puissance est proportionnelle au ratio entre la puissance mécanique maximale divisée par le carré du courant de phase maximal.
Selon une réalisation, la somme de la résistance de phase et de la résistance de l'onduleur de puissance est sensiblement égale au produit entre 17.5%/N et le ratio entre la puissance mécanique maximale divisée par le carré du courant de phase maximal.
Selon une réalisation, une vitesse de rotation minimale de la machine électrique tournante est sensiblement égale à la moitié du ratio entre la puissance mécanique maximale divisée par un couple maximal de la machine électrique tournante.
Selon une réalisation, des pertes électriques maximales de la machine électrique tournante et de l'onduleur de puissance associé sont inférieures à 35% de la puissance mécanique de la machine électrique tournante à une vitesse de rotation donnée.
Selon une réalisation, des pertes électriques maximales de la machine électrique tournante et de l'onduleur de puissance associé sont inférieures à 17.5% de la puissance mécanique maximale de la machine électrique tournante.
Selon une réalisation, pour dimensionner la machine électrique tournante sans connaître ses pertes, on considère que 75% des pertes totales sont imputables à la machine électrique tournante et 25% des pertes totales sont imputables à l'onduleur de puissance.
Selon une réalisation, une tension de fonctionnement de la machine électrique tournante est de 48 Volts.
Selon une réalisation, la machine électrique tournante présente une puissance comprise entre 10kW et 30kW.
L'invention a également pour objet un véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble tel que précédemment défini.
Selon une réalisation ledit véhicule est de type électrique ou hybride.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.
La figure 1 est une représentation schématique d'un véhicule automobile selon l'invention comportant un ensemble machine électrique tournante/onduleur de puissance selon l'invention;
La figure 2 est représentation schématique de la puissance électrique en fonction du couple de la machine électrique tournante;
Les figures 3a et 3b sont des représentations graphiques montrant une plage d'utilisation d'une machine électrique tournante de 25kW respectivement pour une vitesse de rotation de 1500 tours/min et de 1000 tours/min.
Les éléments identiques, similaires, ou analogues, conservent la même référence d’une figure à l’autre.
La figure 1 montre un véhicule automobile 10 comportant une chaîne de traction 11 implantée sur un train avant. Cette chaîne de traction 11 comporte un moteur thermique 13 accouplé à une boîte de vitesses 14 par l'intermédiaire d'un embrayage 16. La boîte de vitesses 14 est reliée mécaniquement à un différentiel 17. En variante, la chaîne de traction 11 est implantée sur le train arrière du véhicule.
Une machine électrique tournante 19 pourra être accouplée au moteur thermique via un dispositif 20 de transmission de mouvement, à courroie notamment, ou intégrée dans la boîte de vitesses 14, ou encore intégrée dans l'embrayage 16.
La machine électrique 19 est apte à fonctionner dans un mode générateur pour recharger une batterie du véhicule ainsi que dans un mode moteur pour assurer un démarrage du moteur thermique 13 alors que le véhicule est à l'arrêt ou lors d'une transition d'un mode de roulage électrique vers un mode de roulage thermique. Cette machine électrique 19 pourra également être utilisée pour fournir de l'énergie à la batterie lors d'une phase de freinage récupératif.
La machine électrique 19 est connectée, via son onduleur de puissance 21 associé, à un premier réseau électrique 23 sur lequel est également branchée une batterie 24. Ce réseau électrique 23 présente une tension de fonctionnement inférieure à 60 Volts. Avantageusement, la tension de fonctionnement du réseau électrique est de 48 Volts. D'autres charges électriques 25 pourront également être connectées sur le réseau électrique 23.
La machine électrique 19 pourra présenter une puissance comprise entre 10kW et 30kW et fournir un couple compris entre 55Nm et 100Nm en fonction de sa longueur. La machine électrique 19 pourra par exemple être de type synchrone à aimants permanents ou à excitation. Le circuit de refroidissement de la machine électrique 19 pourra être à base d'eau ou d'huile. En variante, on pourra également utiliser une machine électrique 19 de type asynchrone. En variante, la machine électrique 19 fonctionne sous haute tension, c’est-à-dire à une tension de l'ordre de 300 Volts.
Le réseau électrique 23 est interfacé avec un deuxième réseau électrique 27 basse tension par l'intermédiaire d'un convertisseur continu/continu 28. Le calculateur moteur ainsi que des consommateurs électriques 29 du véhicule de type éclairage, actionneurs de vitres ou de sièges sont connectés au réseau électrique 27. Ce réseau électrique 27 appelé réseau de bord est associé à une batterie 30 présentant une tension de fonctionnement inférieure à celle du premier réseau électrique 23. La tension de fonctionnement du réseau électrique 27 est de préférence de l'ordre de 12 Volts. En variante, le véhicule automobile pourra être de type purement électrique.
Lors d'une phase de freinage récupératif, l'objectif est de maximiser l'énergie récupérée en utilisant la machine électrique 19 à sa puissance de sortie électrique maximale (cf. figure 2). A basse vitesse, la puissance électrique maximale est fortement influencée par les pertes de la machine électrique 19 et de l'onduleur 21, ce qui peut entraîner une diminution de la puissance de sortie disponible lorsque le couple augmente. Ceci est dû au fait que la puissance mécanique est proportionnelle au couple, tandis que les pertes augmentent comme le carré du couple.
On décrit ci-après les différentes variables utilisées dans la suite du document:
- Puissance mécanique: Pm exprimée en Watts. Cette puissance est positive lorsque la machine électrique 19 fonctionne en mode générateur,
- Puissance mécanique maximale Pmmax exprimée en Watts. Cette puissance est positive lorsque la machine électrique 19 fonctionne en mode générateur.
- Puissance électrique Pe exprimée en Watts. Cette puissance est positive lorsque la machine électrique 19 fonctionne en mode générateur.
- Résistance de phase Fkp exprimée en Ohms,
- Résistance de l'onduleur Rinv exprimée en Ohms,
- Courant de phase Ιφ exprimé en Arms,
- Courant de phase maximum Icpmax exprimé en Arms,
- Couple maximum Tmax exprimé en Nm,
- Couple produit T exprimé en Nm,
- Vitesse N de la machine électrique tournante 19 exprimée en rad/s,
- Pertes de puissance totales de la machine électrique 19 et de l'onduleur 21 PI exprimées en Watts,
- Pertes de puissance totales maximales de la machine électrique 19 et de l'onduleur 21 Plmax exprimées en Watts.
La puissance électrique Pe en mode générateur peut être calculée comme suit : Pe = Pm - PI
Les pertes sont des pertes résistives en sorte que PI = 6*(R(p+Rinv)*l(p2 si les pertes de commutation de l'onduleur 21 et les pertes fer de la machine sont négligées. Le facteur 6 correspond à une machine électrique à 6 phases mais il pourrait être remplacé par un facteur N pour un nombre N de phases.
PI = 6*(R(p+Rinv)* Ιφ2,
Plmax = 6* (Rcp+Rinv)* Icpmax2,
En faisant le rapport entre les deux équations, on obtient la relation suivante:
Pl/PImax = (Ιφ/ l(pmax)A2
Le couple étant proportionnel au courant, on obtient en négligeant la saturation et l'effet de reluctance:
(Ιφ/ Icpmax) = (T/Tmax)
Les pertes peuvent être exprimées de la façon suivante:
PI = Plmax * (T/Tmax)2.
La puissance électrique vaut Pe= Pm - Plmax(T/Tmax)2.
Comme Pm = N*T, on obtient Pe= N*T - Plmax(T/Tmax)2.
Par ailleurs, on cherche déterminer les pertes maximales acceptables à basse vitesse, c’est-à-dire à une vitesse inférieure à 2000 tours/min.
L'objectif est d'obtenir la puissance électrique maximale au couple maximal et d'éviter d'utiliser la machine dans la zone où la puissance électrique de sortie diminue lorsque le couple augmente.
Ceci peut être traduit par une règle mathématique suivant laquelle la puissance électrique Pe(T) doit croître dans la plage de couple utilisable, ce qui signifie que la dérivée de Pe(T) par rapport à T doit être positive, soit d/dT [Pe(T)] > 0
N - 2*Plmax *T/ Tmax2 >0
Cela doit être vrai jusqu'à Tmax, de sorte que l'on a:
N - 2 *Plmax/Tmax >0
Plmax <((N.Tmax)/2
Comme N.Tmax = Pm (N), on obtient Plmax < Pm(N)*(N)/2.
L'objectif est d'obtenir une croissance significative de Pe proche du couple maximum. Par conséquent, la valeur de Plmax doit être significativement plus petite que la valeur de Pmmax. Un coefficient de 70 % sera utilisé pour garantir ce critère.
Par conséquent, la règle générique pour s'assurer que le couple de la machine électrique 19 soit utilisable jusqu'au couple maximum en mode de freinage régénératif à la vitesse N est la suivante:
Plmax < 35% * Pm(N)
Autrement dit, les pertes de puissance de la machine électrique 19 et de l'onduleur 21 au couple maximal doivent être inférieures à 35% de la puissance mécanique d'entrée, soit un rendement de 65% au couple maximal à une vitesse donnée N.
Le rendement diminue à basse vitesse. Il est donc important de définir la vitesse minimale à laquelle cette règle doit être appliquée. La vitesse minimale proposée pour appliquer la règle est sensiblement égale à la moitié de la vitesse à laquelle la machine peut atteindre la puissance maximale. Par sensiblement égal, on entend le fait qu'une variation de plus ou moins 10% autour de la valeur cible peut être observée.
Ainsi, la valeur de vitesse minimale recommandée est issue de la règle suivante:
N = 0.5* (Pmmax/Cmax)
Néanmoins, la vitesse minimale pourra être adaptée en fonction de l'application.
En appliquant la valeur de vitesse minimale N = 0.5 * (Pmmax/Cmax) à la règle générique Plmax < 35% * Pm(N), on obtient:
Pm(N) =N* Cmax = 0.5 *(Pmmax/Cmax)*Cmax =1/2*Pmmax
Et Plmax = 35%*1/2*Pmmax =17,5%*Pmmax
On en déduit une règle de rendement à basse vitesse et à couple élevé
Plmax < 17,5 % * Pmmax
Autrement dit, les pertes de la machine électrique 19 et de l'onduleur 21 au couple maximal doivent être inférieures à 17,5% de la puissance d'entrée mécanique maximale.
Dans le cas où les pertes de la machine électrique 19 et de l'onduleur 21 sont inconnues, on considère que pour un système fonctionnant en 48V:
- les pertes de la machine électrique 19 correspondent à 75% des pertes totales à basse vitesse et couple élevé, et
- les pertes de l'onduleur 21 correspondent à 25% des pertes totales à basse vitesse et couple élevé lorsque la machine fonctionne avec un courant pulsé de type PWM (Pulse Width Modulation).
Dans le cas contraire, on utilise les pertes calculées.
On déduit des relations précédentes les pertes maximales autorisées ainsi que les résistances de phase de la machine électrique 19 et de l'onduleur 21 :
Plmax < 17,5 % * Pmmax
Plmax = 6* (Rcp+Rinv)* Icpmax2
Le facteur 6 est valable pour une machine électrique 19 à six phases et pourrait être remplacé par un facteur N pour une machine à N phases.
La somme de résistance de phase R(p de la machine électrique 19 et de l'onduleur Rinv pour une machine à 6 phases est donc fournie par la relation suivante:
(Rcp+Rinv) = (1/N)*17,5%*Pmax / Itpmax2.
Les résistances doivent être prises en compte à la température maximale de fonctionnement jusqu'à laquelle le système génère une puissance maximale.
On fournit ci-après un exemple de dimensionnement d'une machine électrique de 25 kW.
On considère les données suivantes:
- Température maximale du cuivre de la machine pour une puissance maximale: 150°C,
- Température maximale de jonction des éléments de commutation de l'onduleur 21: 150°C,
La résistance de phase totale de l'onduleur 21 à une température de jonction de 25°C vaut 1 mOhms.
La résistance de phase totale de l'onduleur 21 à une température de jonction de 150°C vaut 1,5 mOhms.
Les données de la machine électrique 19 sont les suivantes:
Tmax=80Nm
Icpmax = 320Arms,
La puissance d'entrée mécanique vaut 25kW/80%=31,2kW pour un rendement hypothétique de 80% à 25kW de puissance électrique.
On en déduit pour une machine à 6 phases (de type double triphasé) que la résistance Rcp de phase au neutre vaut:
6*(Rcp+Rinv) = 17,5%*Pmax / Icpmax2,
Rcp =17.5%*Pmax / Icpmax2 - Rinv,
R(p =(1 /6)*17.5%*31200W / 3202 - 1,5mOhms,
Soit Rcp = 7,3 mOhms pour une température de cuivre Temp maximale valant 150°C,
Rcp = 4.9 mOhms pour une température de cuivre Temp valant 25°C.
Les pertes maximales de la machine électrique 19 ayant un couple de 80Nm et fonctionnant à une température de 150°C sont de 4485W.
Les pertes maximales de l'onduleur 21 à 320Arms et à une température de 150°C sont de 922W.
Les pertes maximales du système à 320Arms et à une température de 150°C sont de 5407W (=17,5 % de 31,2 kW).
On vérifie ainsi que pour des pertes totales de 5407W, le rendement à 25kW est de (25/(25+5.4))=82%, ce qui est conforme à l'hypothèse de 80%.
Comme on peut le voir sur la figure 3a, pour une machine de 25kW ayant des pertes de puissance totales Plmax valant 5407W et ayant une vitesse de 1500 tours/min, la plage P1 de couple 0-80 Nm peut être exploitée efficacement. La puissance de sortie électrique Pe augmente avec un couple allant jusqu'à 80 Nm. La puissance électrique Pe maximale à 1500tours/min est de 7,7 kW.
Un surplus de puissance compris entre 300 et 400W Watts pourrait être obtenus à un couple de 90Nm mais cela s'accompagnerait d'une forte augmentation des pertes (+1,4kW de pertes). Le critère de 70% pour les pertes maximales appliquées dans la méthodologie présentée est donc une valeur adaptée à l'application.
Comme on peut le voir sur la figure 3b, pour une machine de 25kW ayant des pertes de puissance totales Plmax valant 5407W et tournant à une vitesse de 1000 tours/min, le couple maximum précédemment calculé n'est plus exploitable car à 80 N.m, le niveau de puissance de sortie a déjà diminué. Dans ce cas, un couple maximal 50Nm suffit pour optimiser la puissance (cf. plage P2).
Si un couple à hauteur de 80Nm doit être exploité à 1000rpm pour générer la puissance maximale, alors les résistances de phase R(p de la machine électrique 19 doivent être diminuées, conformément aux calculs exposés précédemment.
Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents.
En outre, les différentes caractéristiques, variantes, et/ou formes de réalisation de la présente 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.
Claims (7)
- REVENDICATIONS1. Ensemble pour véhicule automobile comportant:- une machine électrique tournante (19) apte à fonctionner dans un mode moteur et dans un mode générateur, notamment au cours d'une phase de freinage récupératif, ladite machine électrique tournante (19) comportant un stator muni de N phases ayant une résistance de phase (Rcp) et étant destinées à être parcourues par un courant de phase maximal (l(pmax), et- un onduleur de puissance (21) associé ayant une résistance électrique (Rinv), caractérisé en ce que la somme de la résistance de phase (Rcp) et de la résistance (Rinv) de l'onduleur de puissance (21) est proportionnelle au ratio entre la puissance mécanique maximale (Pmmax) divisée par le carré du courant de phase maximal (Icpmax).
- 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que la somme de la résistance de phase (Rcp) et de la résistance (Rinv) de l’onduleur de puissance (21) est sensiblement égale au produit entre 17.5%/N et le ratio entre la puissance mécanique maximale (Pmmax) divisée par le carré du courant de phase maximal (Icpmax).
- 3. Ensemble selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'une vitesse de rotation minimale (Nmin) de la machine électrique tournante (19) est sensiblement égale à la moitié du ratio entre la puissance mécanique maximale (Pmmax) divisée par un couple maximal (Cmax) de la machine électrique tournante (19).
- 4. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'une tension de fonctionnement de la machine électrique tournante (19) est de 48 Volts.
- 5. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la machine électrique tournante (19) présente une puissance comprise entre 10kW et 30kW.
- 6. Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes.
- 7. Véhicule automobile selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'il est de type électrique ou hybride.
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