FR3111026A1 - Procédé d’optimisation des performances et du rendement d’un moteur électrique de véhicule - Google Patents

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Abstract

L’invention se rapporte à un procédé d’optimisation des performances et du rendement d’un moteur électrique de véhicule refroidi au moyen d’un circuit de circulation d’huile comprenant une pompe électrique, ledit moteur électrique possédant un rotor et un stator, ledit procédé comportant les étapes suivantes, :-Une étape de détermination (10) de la température en différents points du moteur,-Une étape de détermination (20) de la température de l’huile. Selon l’invention, le procédé comprend les étapes suivantes :-Une étape de définition de plusieurs modes de conduite (100) différents,-Une étape de sélection (30) d’un mode de conduite (100) spécifique,-Une étape d’utilisation (40) optimisée de la pompe électrique tenant compte de la température en différents points du moteur, de la température de l’huile et du mode de conduite (100) spécifique sélectionné. Figure pour l’abrégé : Fig.1

Description

Procédé d’optimisation des performances et du rendement d’un moteur électrique de véhicule
La présente invention concerne un procédé d’optimisation des performances et du rendement d’un moteur électrique de véhicule.
Les véhicules électriques comprennent un moteur électrique qui est généralement refroidi avec de l’huile. Cette huile circule dans un circuit comprenant une pompe qui est préférentiellement électrique. En effet, ce choix est justifié par le fait, par exemple, qu’à basses vitesses et à une forte demande de couple, la pompe électrique est commandée pour délivrer le débit maximal pour refroidir le moteur, contrairement à une pompe mécanique dont le débit dépend de la vitesse du moteur.
La commande de la pompe est réalisée au moyen d’un logiciel embarqué de l’électronique de puissance. Cette commande est essentiellement basée sur les températures mesurées et estimées du moteur et de ses pertes.
Or, en procédant de la sorte, à savoir indexer le fonctionnement de la pompe uniquement sur des mesures de température du moteur, il s’avère que l’utilisation de la pompe n’est pas optimale vis-à-vis des performances et du rendement du moteur électrique.
Un procédé selon l’invention permet d’optimiser les performances et le rendement d’un moteur électrique de véhicule de façon sûre et fiable, grâce à une utilisation plus judicieuse de la pompe électrique.
L’invention a pour objet un procédé d’optimisation des performances et du rendement d’un moteur électrique de véhicule refroidi au moyen d’un circuit de circulation d’huile comprenant une pompe électrique, ledit moteur électrique possédant un rotor et un stator, ledit procédé comportant les étapes suivantes, :
-Une étape de détermination de la température en différents points du moteur,
-Une étape de détermination de la température de l’huile,
Selon l’invention, le procédé comprend les étapes suivantes :
-Une étape de définition de plusieurs modes de conduite différents,
-Une étape de sélection d’un mode de conduite spécifique,
-Une étape d’utilisation optimisée de la pompe électrique tenant compte de la température en différents points du moteur, de la température de l’huile et du mode de conduite spécifique sélectionné.
Le principe d’un tel procédé est d’optimiser l’utilisation de la pompe électrique en introduisant un nouveau paramètre qui est un mode de conduite, afin de limiter la consommation électrique du véhicule et d’accroitre l’autonomie kilométrique dudit véhicule. Ce paramètre vient compléter les autres paramètres d’entrée, parmi lesquels la température en différents points du moteur et la température de l’huile, qui vont conditionner l’utilisation de la pompe. Ce mode de conduite préfigure la façon de conduire du conducteur, et va se traduire par un niveau de sollicitation thermique du moteur, et le fait de pouvoir sélectionner ce nouveau paramètre en entrée, permet d’anticiper une utilisation particulière de la pompe, qui va empêcher une surchauffe du moteur et donc garantir ses performances et son rendement. La connaissance du mode de conduite va permettre d’utiliser la pompe avec une plus grande justesse et d’affiner son fonctionnement afin de préserver les performances et le rendement du moteur. La prise en compte d’un mode de conduite particulier, va préférentiellement se traduire par un facteur correctif sur l’utilisation de la pompe, en augmentant, en abaissant ou en maintenant la consigne d’utilisation de ladite pompe. L’étape d’utilisation optimisée de la pompe se traduit par la fourniture d’un débit d’huile donné, adapté à une surchauffe plus ou moins importante du moteur, qui sera anticipée par l’utilisation du paramètre « mode de conduite » en donnée d’entrée.
Selon une caractéristique possible de l’invention, chaque mode de conduite est fonction d’une sollicitation thermique spécifique du moteur électrique. En effet, pour chaque mode de conduite considéré, le moteur électrique est supposé être plus ou moins sollicité thermiquement. Ainsi, un mode de conduite va correspondre à une sollicitation thermique maximale et un autre mode de conduite va correspondre à une sollicitation thermique minimale, et les autres modes de conduites seront compris entre ces deux modes de conduites extrêmes.
Selon une caractéristique possible de l’invention, le procédé comprend une étape de définition de cinq modes de conduite distinctes se caractérisant par cinq niveaux de sévérité différents s’échelonnant de 1 à 5, 5 correspondant à une sollicitation thermique maximale et 1 à une très faible sollicitation thermique. En effet, la précision d’utilisation de la pompe ne nécessite pas qu’il soit nécessaire d’élaborer un trop grand nombre de modes de conduite. En revanche, se limiter à deux ou trois modes de conduite limiterait la précision d’utilisation de la pompe. Cinq modes de conduites différents constituent un bon compromis entre ces deux extrêmes.
Selon une caractéristique possible de l’invention, chaque niveau est associé à une puissance et un régime maximal calculés à la fin d’un cycle de conduite. Ces deux paramètres traduisent parfaitement un mode de conduite, et donc la sollicitation thermique à laquelle sera soumis le moteur.
Selon une caractéristique possible de l’invention, le procédé comprend une étape d’enregistrement des différents modes de conduite dans un logiciel embarqué gérant le fonctionnement de la pompe. De cette manière, les modes de conduite constituent des données d’entrée du logiciel qui vont déterminer les conditions d’utilisation de la pompe.
Selon une caractéristique possible de l’invention, le procédé comprend une étape d’apport d’un facteur correctif sur la gestion de la pompe à travers la prise en compte du mode de conduite, permettant d’augmenter, ou de baisser ou de ne pas modifier la consigne du régime de la pompe. Cette étape traduit l’exploitation qui est faite de l’introduction du paramètre « mode de conduite ». Ce paramètre va déterminer le facteur correctif qui va être apporté à la consigne d’utilisation de la pompe, soit en l’augmentant, soit en la rabaissant, soit en la maintenant constante.
Selon une caractéristique possible de l’invention, l’étape de détermination de la température en différents points du moteur comprend une étape de détermination de la température du stator et du rotor.
Selon une caractéristique possible de l’invention, l’étape de détermination de la température du stator consiste à mesurer la température dudit stator.
Selon une caractéristique possible de l’invention, l’étape de détermination de la température de l’huile consiste à mesurer la température de cette huile à une entrée et à une sortie dudit moteur. Cette étape est avantageusement réalisée avec des capteurs de température appropriés.
Selon une caractéristique possible de l’invention, le procédé est piloté par un calculateur embarqué gérant le fonctionnement de la pompe, ledit calculateur étant apte à déterminer la température en différents points du moteur et dans l’huile, les différents modes de conduite ayant été enregistrés dans ledit calculateur. Un procédé selon l’invention est répété plusieurs fois lors d’une phase de roulage du véhicule, et le calculateur doit pouvoir déterminer à chaque instant, quel doit être le fonctionnement de la pompe pour optimiser les performances et le rendement du moteur électrique.
Un procédé selon l’invention, présente l’avantage, grâce à la nouvelle donnée d’entrée « mode de conduite », de pouvoir anticiper les conditions d’utilisation de la pompe à huile afin de préserver les performances et le rendement du moteur. Un procédé selon l’invention a donc l’avantage d’être plus complet que les procédés existants, en permettant une optimisation plus pointue de l’utilisation de la pompe, avec pour conséquences une diminution garantie de la consommation électrique du moteur et donc une augmentation de l’autonomie kilométrique du véhicule.
On donne ci-après une description détaillée d’un mode de réalisation préféré d’un procédé d’optimisation selon l’invention, en se référant aux figures suivantes :
représente un logigramme montrant les principales étapes d’un procédé selon l’invention,
représente un logigramme montrant les principes d’étapes d’élaboration d’un mode de conduite,
représente un diagramme du contrôle de la pompe en pourcentage du régime maximal, en fonction du temps pour cinq modes de conduite différents ;
représente un diagramme montrant un exemple de variation du couple en fonction du temps pour plusieurs cycles WLTC consécutifs,
représente un diagramme montrant un exemple de variation de la vitesse du moteur en fonction du temps pour plusieurs cycles WLTC consécutifs,
représente un diagramme montrant un exemple de la puissance normalisée en fonction du temps, déduit du diagramme de la figure 4a,
représente un diagramme montrant un exemple de variation du régime normalisé en fonction du temps, déduit du diagramme de la figure 5a.
Un procédé d’optimisation des performances et du rendement d’un moteur électrique de véhicule selon l’invention, est fondé sur une utilisation optimisée d’une huile de refroidissement circulant dans un circuit comprenant une pompe électrique. Le circuit de refroidissement comporte divers injecteurs aptes à refroidir les parties actives du moteur électrique, notamment ses bobinages. Il s’agit d’utiliser au mieux la pompe électrique afin de refroidir de façon la plus juste possible le moteur électrique afin que celui-ci conserve ses performances et son rendement.
Il est supposé que le moteur électrique possède conventionnellement un rotor et un stator.
En se référant à la figure 1, un procédé d’optimisation des performances et du rendement d’un moteur électrique d’un véhicule selon l’invention comprend les étapes suivantes :
-Une étape de détermination 10 de la température en différents points du moteur,
-Une étape de détermination 20 de la température de l’huile,
-Une étape d’élaboration de plusieurs modes de conduite 100,
-Une étape de sélection 30 d’un mode de conduite 100 spécifique,
-Une étape d’utilisation optimisée 40 de la pompe électrique tenant compte de la température en différents points du moteur, de la température de l’huile et du mode de conduite 100 spécifique déterminé.
Un tel procédé est piloté par un logiciel qui est intégré dans un calculateur contrôlant le débit de la pompe électrique.
L’étape de détermination 10 de la température en différents points du moteur consiste en une étape de mesure 50 de la température du stator et une étape d’estimation de la température 60 du rotor. L’étape de mesure 50 de la température du stator s’effectue au moyen de capteurs conventionnels insérés dans ledit stator.
L’étape de détermination 20 de la température de l’huile consiste en une étape de mesure de la température de l’huile à l’entrée du moteur et à la sortie de celui-ci. Les termes « entrée » et « sortie » doivent être interprétés par rapport au sens d’écoulement de l’huile. De cette manière, l’huile arrivant à l’entrée du moteur provient directement de la pompe et n’a subi aucune modification de température, et l’huile sortant dudit moteur a une température qui est différente de celle de l’huile à l’entrée du moteur, puisqu’elle aura été influencée par la température du moteur.
L’étape d’élaboration de plusieurs modes de conduite 100 consiste à définir différents modes de conduite 100 mettant plus ou moins à contribution le moteur électrique, chaque mode se traduisant par un régime et un couple moteur. Ainsi, chaque mode de conduite 100 définit un niveau de sollicitation thermique du moteur. Ainsi, il peut par exemple être défini cinq modes de conduite 100 différents correspondant à des niveaux de sollicitation thermique du moteur variant de 1 à 5, 5 traduisant une sollicitation thermique maximale et 1 une sollicitation thermique minimale, les niveaux intermédiaires 4, 3 et 2 traduisant une sollicitation thermique décroissant progressivement entre le niveau 5 et le niveau 1. Ce mode de conduite 100 définit le niveau de sollicitation thermique du moteur et permettra ainsi d’adapter le débit d’huile piloté par la pompe électrique, au niveau de conduite évalué. Chaque mode de conduite est associé à une puissance et à un régime maximum.
L’étape de sélection 30 du mode de conduite 100 consiste à ajouter une donnée d’entrée au logiciel qui va piloter un procédé selon l’invention, et qui préfigure la façon de conduire du conducteur. Cette donnée d’entrée va permettre d’anticiper la sollicitation thermique du moteur, et ainsi permettre d’agir en amont sur la pompe pour adapter le débit d’huile à cette sollicitation thermique.
L’étape d’utilisation optimisée 40 de la pompe électrique tenant compte de la température en différents points du moteur, de la température de l’huile et du mode de conduite 100 spécifique déterminé, consiste en une étape d’adaptation 80 du débit d’huile fourni par la pompe, pour anticiper la sollicitation thermique du moteur. De cette manière le débit d’huile sera en permanence adapté au fonctionnement du moteur.
En se référant à la figure 2, une boucle d’évaluation du profil 63 est intégré dans le logiciel embarqué du véhicule et permet ainsi de définir ce mode de conduite 100.
En se référant à la figure 2, durant un cycle de conduite, une moyenne quadratique mobile est réalisée sur la puissance mécanique du moteur. Cette puissance est calculée en fonction de la mesure de couple 65 et le régime estimé du moteur 69. La moyenne mobile est appliquée sur une fenêtre d’une taille spécifique correspondant à un temps donné, et définie dans le logiciel. Cette puissance quadratique peut être considérée comme un cumul d’énergie en fonction du temps. Le régime du moteur moyen est calculé à travers une moyenne mobile appliquée sur une fenêtre de la même taille que celle de la puissance.
Un exemple de ce calcul est présenté aux figures 4a, 4b, 5a et 5b. L’étude portera sur un enchainement de cycles WLTC (de l’anglaisWorldwide harmonized Light- duty vehicles, Test Cycles) qui représente une utilisation réelle d’un véhicule dans différents milieux (ville, milieu extra-urbain, autoroute, route pour automobile). La variation du couple moteur en fonction du temps, comme illustré à la figure 4a, est considéré pour évaluer la puissance moyenne quadratique comme illustré à la figure 5a. De même, un enchainement de cycles WLTC montrant la variation de la vitesse du moteur en fonction du temps, comme illustré à la figure 4b, est considéré pour évaluer le régime moyen comme illustré à la figure 5b. Les valeurs finales sont enregistrées dans une boucle d’apprentissage. Cette boucle va permettre de définir le mode de conduite le plus adapté en fonction de plusieurs profils de conduite du véhicule.
En se référant à la figure 3, le mode de conduite 100 est utilisé pour définir un facteur correctif sur le control de la pompe. Ce facteur permettra d’augmenter, de baisser ou de ne pas changer la consigne du régime de la pompe. Si le client sollicite fortement le moteur, le facteur correctif ira dans le sens d’une augmentation de la consigne pour assurer un meilleur refroidissement du moteur. Ce facteur correctif permet d’anticiper les demandes de refroidissement du moteur, et ainsi de limiter une augmentation dynamique des températures du moteur (stator, rotor et huile). L’augmentation des températures (stator/rotor) entraine l’augmentation des pertes par effet joule du moteur, pouvant atteindre plus de 90% des pertes à faible régime et fort couple. En même temps, l’augmentation de la température d’huile et des roulements permettra aussi de réduire les pertes par frottement dans les roulements. L’équilibre thermique permet de limiter les pertes par effet joule tout en diminuant les pertes mécaniques pour atteindre des températures cibles.
Dans l’exemple de la figure 3, le mode de conduite 100 sélectionné permet d’appliquer une correction qui peut par exemple varier d’une manière non-limitative de 0.5 à 1.5 en fonction de la sollicitation thermique du moteur électrique.
La plus forte sollicitation thermique amène à anticiper l’augmentation du régime de la pompe à son maximum pour garantir une meilleure efficacité de refroidissement. Une plus faible sollicitation réduira la demande en débit à la pompe, et permettra ainsi de réduire la consommation de cette dernière. Un minimum est défini afin de garantir le débit minimal nécessaire à la lubrification des joints dynamiques de roulements.

Claims (10)

  1. Procédé d’optimisation des performances et du rendement d’un moteur électrique de véhicule refroidi au moyen d’un circuit de circulation d’huile comprenant une pompe électrique, ledit moteur électrique possédant un rotor et un stator, ledit procédé comportant les étapes suivantes, :
    -Une étape de détermination (10) de la température en différents points du moteur,
    -Une étape de détermination (20) de la température de l’huile, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes :
    -Une étape de définition de plusieurs modes de conduite (100) différents,
    -Une étape de sélection (30) d’un mode de conduite (100) spécifique,
    -Une étape d’utilisation (40) optimisée de la pompe électrique tenant compte de la température en différents points du moteur, de la température de l’huile et du mode de conduite (100) spécifique sélectionné.
  2. Procédé d’optimisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque mode de conduite (100) est fonction d’une sollicitation thermique spécifique du moteur électrique.
  3. Procédé d’optimisation selon la revendication 2, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de définition de cinq modes de conduite (100) distincts se caractérisant par cinq niveaux de sévérité différents s’échelonnant de 1 à 5, 5 correspondant à une sollicitation thermique maximale et 1 à une très faible sollicitation thermique.
  4. Procédé d’optimisation selon l’une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que chaque mode de conduite (100) est associé à une puissance et un régime maximal calculés à la fin d’un cycle de conduite.
  5. Procédé d’optimisation selon la revendication 2 à 4, caractérisé en ce qu’il comprend une étape d’enregistrement des différents modes de conduite (100) dans un logiciel embarqué gérant le fonctionnement de la pompe.
  6. Procédé d’optimisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il comprend une étape d’apport d’un facteur correctif sur la gestion de la pompe à travers la prise en compte du mode de conduite (100), permettant d’augmenter, ou de baisser ou de ne pas modifier la consigne du régime de la pompe.
  7. Procédé d’optimisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l’étape de détermination de la température en différents points du moteur comprend une étape de détermination (50, 60) de la température du stator et du rotor.
  8. Procédé d’optimisation selon la revendication 7, caractérisé en ce que l’étape de détermination de la température du stator consiste à mesurer la température dudit stator.
  9. Procédé d’optimisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l’étape de détermination (20) de la température de l’huile consiste à mesurer la température de cette huile à une entrée et à une sortie dudit moteur.
  10. Procédé d’optimisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il est piloté par un calculateur embarqué gérant le fonctionnement de la pompe, ledit calculateur étant apte à déterminer la température en différents points du moteur et dans l’huile, et en ce que les différents modes de conduite (100) ont été enregistrés dans ledit calculateur.
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