FR3125756A3 - Architecture à six phases pour l’actionnement de couples redondants de systèmes de propulsion électrique pour véhicules électriques - Google Patents

Architecture à six phases pour l’actionnement de couples redondants de systèmes de propulsion électrique pour véhicules électriques Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne un système de propulsion électrique à architecture à six phases d’un véhicule électrique comprenant une pluralité de moteurs électriques polyphasés pour fournir un couple d’entraînement à des roues motrices du véhicule électrique par l’intermédiaire d’un groupe motopropulseur, ou intégrés dans des roues motrices respectives du véhicule électrique. Le système de propulsion électrique à architecture à six phases comprenant des double-onduleurs triphasés séparés pour entraîner la pluralité de moteurs électriques polyphasés et fonctionnant de manière entrelacée, chaque double-onduleur triphasé étant conçu pour entraîner la pluralité de moteurs électriques polyphasés avec des performances réduites. La pluralité de moteurs électriques polyphasés comprend des jeux d’enroulements séparés. Chaque jeu fonctionnant de manière indépendante, ce qui garantit des performances réduites si les autres sont en panne. Chaque onduleur comprend au moins deux ponts de puissance, chacun d’eux commandant un jeu d’enroulements unique, ce qui permet, en cas de panne d’un pont, de faire fonctionner l’autre pont de manière indépendante. Une logique de commande unique commande les ponts de puissance de manière à ce que les ponts soient mis dans le même état de sécurité en cas de panne.

Description

Architecture à six phases pour l’actionnement de couples redondants de systèmes de propulsion électrique pour véhicules électriques
La présente invention concerne, d’une manière générale, le domaine de l’automobile et le domaine du groupe motopropulseur, notamment les véhicules à propulsion électrique, c’est-à-dire à moteur électrique.
La présente invention concerne une architecture à six phases pour l’actionnement de couples redondants (SPARTA) de systèmes de propulsion électrique pour véhicules électriques.
La présente invention peut être avantageusement appliquée à tout type de véhicule routier, utilisé soit pour le transport de personnes, comme les scooters électriques, les motos électriques, les voitures, les bus, les camping-cars, etc., soit pour le transport de marchandises, comme les véhicules industriels (camions, semi-remorques, etc.) ou les véhicules commerciaux légers ou mi-lourds (comme les fourgonnettes, etc.).
État de l’art
Comme on le sait, la propulsion électrique est de plus en plus présente sur une large gamme de véhicules. Lorsque des onduleurs de puissance sont appliqués à des essieux électriques, un point clé est de garantir un fonctionnement à sécurité intrinsèque dans toutes les conditions de travail.
C’est pourquoi l’adoption de moteurs à six phases dans les systèmes de propulsion électrique de véhicules électriques est de plus en plus envisagée, car elle permet de réduire le courant sur chaque phase (et donc sur chaque dispositif de puissance) et d’améliorer la sûreté de fonctionnement, puisqu’une panne sur une seule phase n’arrêtera pas l’ensemble du moteur.
Objet et résumé de l’invention
Compte tenu de ce qui précède, le demandeur a ressenti le besoin d’améliorer les moteurs actuels à six phases pour faire face correctement aux cas de panne, ce qui a donné lieu à la présente invention.
La présente invention prévoit un système de propulsion électrique à architecture à six phases d’un véhicule électrique ;
dans lequel le système de propulsion électrique à architecture à six phases comprend une pluralité de moteurs électriques polyphasés pour fournir un couple d’entraînement à des roues motrices du véhicule électrique par l’intermédiaire d’un groupe motopropulseur, ou intégrés dans des roues motrices respectives du véhicule électrique ;
le système de propulsion électrique à architecture à six phases comprend des double-onduleurs triphasés séparés pour entraîner la pluralité de moteurs électriques polyphasés et fonctionnant de manière entrelacée, chaque double-onduleur triphasé étant conçu pour entraîner la pluralité de moteurs électriques polyphasés avec des performances réduites,
dans lequel :
- la pluralité de moteurs électriques polyphasés comprend des jeux d’enroulements séparés, chaque jeu fonctionnant de manière indépendante, ce qui garantit des performances réduites si l’autre est en panne ;
- chaque onduleur comprend au moins deux ponts de puissance, chacun d’eux commandant un jeu d’enroulements unique, ce qui permet, en cas de panne d’un pont, de faire fonctionner l’autre pont de manière indépendante ; et
- une logique de commande unique commande les ponts de puissance de manière à ce que les ponts soient mis dans le même état de sécurité en cas de panne.
Le système de propulsion électrique peut en outre comprendre un double-onduleur supplémentaire pour éviter une panne de la logique de commande unique.
La pluralité de moteurs électriques polyphasés peut être agencée soit dans la roue soit près des roues, et l’architecture à six phases peut être configurée pour régler le rapport de couple entre les roues.
La logique de commande unique peut être basée sur un microcontrôleur ASIL-D et chaque jeu d’enroulements peut être commandé par un double-onduleur ASIL-D fondé sur une architecture redondante, où la sécurité est mise en œuvre de la logique de commande à l’étage de puissance.
La présente invention prévoit également un véhicule électrique comprenant un système électrique tel que précédemment décrit.
La montre schématiquement une SPARTA selon la présente invention.
La montre schématiquement un moteur à six phases comprenant deux jeux d’enroulements séparés.
La montre schématiquement une architecture de double-onduleur pour la mise en œuvre d’une SPARTA.
La montre une alimentation en puissance électrique redondante d’un double-onduleur utilisé pour la mise en œuvre d’une SPARTA.
Description des modes de réalisation préférés de l’invention
La présente invention va maintenant être décrite en détail en référence aux figures jointes pour permettre à l’homme du métier de la réaliser et de l’utiliser. Diverses modifications des modes de réalisation décrits apparaîtront immédiatement à l’homme du métier et les principes génériques décrits peuvent être appliqués à d’autres modes de réalisation et applications sans s’écarter de la portée de la présente invention, telle que définie dans les revendications ci-jointes. Par conséquent, la présente invention ne doit pas être considérée comme limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés dans le présent document, mais doit se voir accorder la portée la plus large de la protection compatible avec les caractéristiques décrites et revendiquées.
Sauf définition contraire, tous les termes techniques et scientifiques utilisés dans le présent document ont la même signification que celle communément utilisée par les personnes de compétence ordinaire dans le domaine de la présente invention. En cas de conflit, la présente description, y compris les définitions fournies, fera foi. En outre, les exemples ne sont fournis qu’à des fins d’illustration et en tant que tels, ne doivent pas être considérés comme limitatifs.
En particulier, les schémas de principe inclus dans les figures jointes et décrits ci-dessous ne sont pas destinés à représenter des caractéristiques structurelles ou des limitations constructives, mais doivent être interprétés comme une représentation de caractéristiques fonctionnelles, c’est-à-dire des propriétés intrinsèques des dispositifs définies par les effets obtenus ou les limitations fonctionnelles et qui peuvent être mises en œuvre de différentes manières, et donc pour protéger la fonctionnalité de ces derniers (possibilité de fonctionnement).
Afin de faciliter la compréhension des modes de réalisation décrits dans le présent document il sera fait référence à certains modes de réalisation spécifiques et un langage spécifique sera utilisé pour les décrire. La terminologie utilisée ici a pour but de décrire uniquement des modes de réalisation particuliers, et ne vise pas à limiter la portée de la présente invention.
La présente invention est conçue pour être appliquée dans les cas où il faut garantir le fonctionnement en sécurité d’une paire de moteurs électriques à six phases, en exploitant la redondance matérielle intrinsèque offerte par des double-onduleurs triphasés pour améliorer le système de traction.
La présente invention, dénommée ci-après SPARTA (architecture à six phases pour l’actionnement de couples redondants) pour un système de propulsion électrique, vise à utiliser des double-onduleurs triphasés séparés, ici deux, pour entraîner une pluralité de moteurs électriques à six phases (ici deux), mais non limités et extensibles à des moteurs polyphasés, comme illustré sur la , où chaque onduleur commande trois phases de chaque moteur. Ainsi, chaque onduleur est conçu pour entraîner les deux moteurs à la moitié du couple maximal autorisé par le système de propulsion électrique du véhicule électrique.
La présente invention est particulièrement avantageuse en cas de panne. En effet, une panne électrique sur chacun de ces composants (soit un moteur, soit un onduleur) n’entraînera pas l’arrêt complet de l’essieu, mais seulement une réduction des performances, garantissant ainsi un fonctionnement infaillible.
Dans le cas des moteurs agencés dans les roues et/ou des moteurs agencés près des roues, il est possible de régler un rapport de couple approprié entre les deux roues, ce qui permet d’éviter la génération indésirable d’un couple de lacet qui pourrait rendre le véhicule difficile à commander. Cela permet également de maintenir les fonctions de vectorisation de couple en cas de panne.
Cette approche est applicable dans tout domaine où un haut niveau de fiabilité est requis (par exemple, les voitures particulières, les véhicules commerciaux, les transports publics, l’armée, les sports motorisés, etc.). En outre, la présente invention peut être appliquée à :
- tout système comportant au moins deux moteurs électriques ;
- des systèmes dont le comportement doit être opérationnel après panne (c’est-à-dire que le système doit fonctionner en cas de panne au moins avec des performances réduites) ; et/ou
- des systèmes qui doivent assurer un niveau élevé de fiabilité.
La montre une architecture SPARTA selon un mode de réalisation préféré de la présente invention. En particulier, la SPARTA comprend ici des double-onduleurs, ici deux, entraînant des moteurs polyphasés, ici deux, et fonctionnant de manière entrelacée. Grâce à cette connexion, un double-onduleur seul est en mesure d’entraîner les deux machines électriques avec des performances réduites (jusqu’à la moitié de la puissance maximale).
Pour que la SPARTA puisse fonctionner même en cas de panne, chaque composant doit être soit redondant soit redondé, notamment :
- les moteurs comprennent des jeux d’enroulements séparés, ici deux, et chaque jeu peut fonctionner de manière indépendante, ce qui garantit des performances réduites si l’autre est en panne (voir la ) ;
- chaque onduleur comprend des ponts de puissance (ici deux), chacun d’eux commandant un jeu d’enroulements unique, ce qui permet, en cas de panne d’un pont, de faire fonctionner l’autre pont de manière indépendante ;
- une logique de commande unique basée sur un microcontrôleur ASIL-D (niveau D d’intégrité de sécurité automobile) qui permet une exécution sûre du logiciel et commande les ponts de puissance de manière à ce que les ponts soient mis dans le même état de sécurité en cas de panne.
Comme la logique de commande représenterait un point de panne unique, la SPARTA selon la présente invention comprend également un double-onduleur supplémentaire pour résoudre le problème susmentionné.
En outre, chaque pont de puissance entraîne un jeu d’enroulements d’un moteur. Les jeux d’enroulements de chaque moteur sont commandés par les ponts de puissance appartenant à des double-onduleurs séparés ; ainsi, chaque double-onduleur commande un jeu d’enroulements respectif de chaque moteur.
Dans le cas où la SPARTA subit une panne au niveau de l’un ou de l’autre parmi un jeu d’enroulements ou un pont de puissance correspondant :
- la partie affectée sera mise dans un état sûr (par exemple, entraînée en haute impédance) ;
- la partie non affectée réagira en conséquence pour maintenir le couple de lacet requis ; et
- le comportement opérationnel après panne est garanti par l’autre double-onduleur qui commande l’autre jeu d’enroulements des deux moteurs.
Dans le cas où la SPARTA a une panne au niveau de la logique de commande d’un double-onduleur :
- le double-onduleur défectueux sera mis dans un état sûr ; et
- le comportement opérationnel après panne est garanti par l’autre double-onduleur qui entraîne le deuxième jeu d’enroulements des deux moteurs.
En outre, la SPARTA comprend un entraînement entrelacé qui aide en cas de panne, car si l’un des double-onduleurs est défectueux, le moteur peut toujours fonctionner correctement, même avec des performances réduites. Le fait de disposer de deux onduleurs triphasés intégrés dans le même double-onduleur et commandés par le même microcontrôleur permet à la SPARTA de réagir en toute sécurité à toute panne en mettant en œuvre l’action de récupération appropriée.
Au niveau du système, tous les acteurs sont connectés par une liaison de communication en temps réel pour partager des informations de diagnostic, des statuts et des points de consigne de couple. Les algorithmes de diagnostic sur chaque onduleur peuvent détecter les anomalies et les pannes à la fois sur les phases entraînées des moteurs et sur le pont de puissance. Une liaison de communication en temps réel entre toutes les unités impliquées dans la commande de véhicule (par exemple, les double-onduleurs et l’unité de gestion de véhicule dans le cas où elle n’est pas intégrée) peut notifier toute panne ou tout problème potentiel en temps réel aux autres unités afin de synchroniser les actions de récupération appropriées.
Puisque les exigences de sécurité passent deen sécuritéàopérationnel après panne, l’architecture de la présente invention vise à atteindre cet objectif en introduisant le plus haut niveau de disponibilité, de sûreté de fonctionnement et de sécurité du système. La SPARTA est configurée de manière à permettre la certification ASIL-D de l’ensemble de l’essieu et à améliorer la fiabilité du système jusqu’au niveau opérationnel après panne.
Pour mettre en œuvre la caractéristique susmentionnée, chaque jeu d’enroulements est commandé par un double-onduleur ASIL-D fondé sur une architecture redondante, où la sécurité est mise en œuvre de la logique de commande à l’étage de puissance. En cas de défaut sur un onduleur triphasé, une action de récupération cohérente peut être entreprise sur les deux sections du double-onduleur concerné. Il s’agit d’un mode de fonctionnement intrinsèquement sûr puisqu’en cas de panne, l’essieu peut continuer à fonctionner comme prévu en délivrant un couple constant mais réduit, évitant ainsi toute violation des objectifs de sécurité.
L’utilisation d’une paire d’onduleurs ASIL-D dans la SPARTA assure automatiquement le plus haut niveau de fiabilité, puisque :
- l’alimentation en puissance électrique de microcontrôleur est redondante, ce qui assure le fonctionnement en cas de panne unique du côté de l’alimentation (voir la ) ;
- l’architecture multicœur à fonction en mode bloqué permet d’assurer la sécurité lors de l’exécution du logiciel ( ) ;
- les cartes de pilote de grille séparées assurent un découplage complet entre les deux parties d’un double-onduleur (voir la ) ;
- les fournisseurs de pilote de grille séparés empêchent l’arrêt de l’ensemble de la carte en cas de panne ; et
- les modules de puissance séparés empêchent l’arrêt de chaque moteur en cas de panne d’un dispositif de puissance.
De ce qui précède, les avantages techniques et caractéristiques innovantes de la présente invention apparaissent immédiatement à l’homme du métier.
En particulier, la présente invention vise à offrir une solution technique compacte pour augmenter la sécurité et la fiabilité d’un système d’entraînement de moteur sur la base de deux moteurs électriques ou plus. Le point clé est de fournir un système avec un comportement opérationnel sûr qui est obtenu au moyen de double-onduleurs entraînant des moteurs électriques avec des jeux d’enroulements séparés de manière entrelacée.
L’invention susmentionnée a été décrite, mais elle n’est pas limitée à un véhicule électrique comportant un essieu électrifié. Toutefois, la présente invention peut être appliquée à différentes architectures de véhicules, telles que celles comportant :
- des moteurs électriques comportant plus de deux jeux séparés d’enroulements ;
- des moteurs électriques où chaque jeu d’enroulements a plus de trois phases ;
- des onduleurs composés de plus de deux entraînements (par exemple, quatre onduleurs dans le même carter) ;
- des onduleurs uniques séparés synchronisés par une liaison de communication en temps réel ; et
- de multiples essieux électriques.
Comme également mentionné ci-dessus, la présente invention est particulièrement avantageuse pour les véhicules électriques à essieux électrifiés, mais elle peut être appliquée à différents domaines d’applications, tels que par exemple l’automatisation et l’électronique grand public, où la fiabilité est requise.

Claims (5)

  1. Système de propulsion électrique à architecture à six phases d’un véhicule électrique ;
    dans lequel le système de propulsion électrique à architecture à six phases comprend une pluralité de moteurs électriques polyphasés pour fournir un couple d’entraînement à des roues motrices du véhicule électrique par l’intermédiaire d’un groupe motopropulseur, ou intégrés dans des roues motrices respectives du véhicule électrique ;
    le système de propulsion électrique à architecture à six phases comprend des double-onduleurs triphasés séparés pour entraîner la pluralité de moteurs électriques polyphasés et fonctionnant de manière entrelacée, chaque double-onduleur triphasé étant conçu pour entraîner la pluralité de moteurs électriques polyphasés avec des performances réduites,
    dans lequel :
    - la pluralité de moteurs électriques polyphasés comprend des jeux d’enroulements séparés, chaque jeu fonctionnant de manière indépendante, ce qui garantit des performances réduites si l’autre est en panne ;
    - chaque onduleur comprend au moins deux ponts de puissance, chacun d’eux commandant un jeu d’enroulements unique, ce qui permet, en cas de panne d’un pont, de faire fonctionner l’autre pont de manière indépendante ; et
    - une logique de commande unique commande les ponts de puissance de manière à ce que les ponts soient mis dans le même état de sécurité en cas de panne.
  2. Système de propulsion électrique à architecture à six phases selon la revendication 1 et comprenant en outre un double-onduleur supplémentaire pour éviter une panne de la logique de commande unique.
  3. Système de propulsion électrique à architecture à six phases selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pluralité de moteurs électriques polyphasés sont agencés soit dans la roue soit près des roues, et l’architecture à six phases est configurée pour régler le rapport de couple entre les roues.
  4. Système de propulsion électrique à architecture à six phases selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la logique de commande unique est basée sur un microcontrôleur ASIL-D et dans lequel chaque jeu d’enroulements est commandé par un double-onduleur ASIL-D fondé sur une architecture redondante, où la sécurité est mise en œuvre de la logique de commande à l’étage de puissance.
  5. Véhicule électrique comprenant un système de propulsion électrique à architecture à six phases selon l’une quelconque des revendications 1 à 4.
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