WO2011077020A1 - Dispositif de refroidissement pour vehicule automobile - Google Patents

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WO2011077020A1
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temperature
control system
coolant
vehicle
pump
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PCT/FR2010/052177
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English (en)
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Samuel Cregut
Marco Marsilia
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Renault Sas
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P7/00—Controlling of coolant flow
    • F01P7/14—Controlling of coolant flow the coolant being liquid
    • F01P7/16—Controlling of coolant flow the coolant being liquid by thermostatic control
    • F01P7/164—Controlling of coolant flow the coolant being liquid by thermostatic control by varying pump speed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60K11/00—Arrangement in connection with cooling of propulsion units
    • B60K11/02—Arrangement in connection with cooling of propulsion units with liquid cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
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    • B60K2001/003—Arrangement or mounting of electrical propulsion units with means for cooling the electrical propulsion units
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P5/00—Pumping cooling-air or liquid coolants
    • F01P5/10—Pumping liquid coolant; Arrangements of coolant pumps
    • F01P2005/105—Using two or more pumps

Definitions

  • the subject of the invention is a cooling device for a motor vehicle, comprising a cooling circuit capable of cooling an engine assembly with the aid of a coolant circulated by at least one variable-rate pump.
  • the invention is advantageously applicable to electric motor vehicles.
  • the repeated combustions overheat the parts in contact, such as pistons, cylinders, and valves, and diffuse on all mechanical parts of the engine. They must therefore be cooled under pain of destruction. For proper operation, the combustion engines thus need a regular and suitable temperature.
  • a cooling system comprising one or more pumps for circulating a coolant through the engine, and a radiator, which is a heat exchanger for cooling the liquid.
  • the coolant flow rate is a function of the engine speed and is in particular zero when the engine is stopped.
  • the invention thus relates to a cooling device for a motor vehicle, comprising a cooling circuit capable of cooling an engine assembly with the aid of a coolant. circulated using at least one variable flow pump, the flow rate of each pump being controlled by a control system.
  • control system is able to adjust the flow rate of each pump so that the temperature of the coolant does not exceed a fixed set temperature.
  • the control system can be adapted to regulate each time the flow rate of each pump so that the temperature of the coolant does not exceed the fixed set temperature.
  • the control system is advantageously capable of establishing a flow setpoint as a function of a variable setpoint temperature.
  • variable setpoint temperature is for example a function of the fixed setpoint temperature, the coolant temperature and an estimated coolant temperature as a function of the flow setpoint.
  • variable setpoint temperature can be equal to the difference between the coolant temperature and the estimated temperature, removed from the fixed setpoint temperature.
  • the motor vehicle may be an electric vehicle and the engine assembly may include an electronic control system.
  • the electric vehicle may comprise a battery charger assembly and the cooling circuit is advantageously capable of cooling the charger assembly and the motor assembly.
  • the control system is preferably capable of establishing the flow setpoint as a function of the variable setpoint temperature, the temperature outside the vehicle, the speed of the vehicle, the thermal losses of the electronic control system and the thermal losses of the charger. of battery.
  • the control system is preferably able to establish the estimated set temperature according to the flow set point, the temperature outside the vehicle, the speed of the vehicle, the thermal losses of the electronic control system and the thermal losses of the battery charger.
  • the device may comprise a first pump capable of selectively supplying cooling liquid to the motor assembly and a second pump capable of selectively supplying cooling liquid to the charger assembly.
  • the device may include a first valve adapted to prevent a passage of coolant in the charger assembly and a second valve adapted to prevent a passage of coolant in the motor assembly.
  • the device may include a hydraulic restriction to maintain a minimum flow of coolant in the engine assembly.
  • FIG. 1 illustrates, in block diagram form, a cooling device according to the invention integrated in an electric vehicle
  • the cooling device 1 as illustrated in FIG. 1, comprises a first electric pump 2, a second electric pump 3, a battery charger 4, a motor assembly 5, a radiator 6 and a first solenoid valve 7. and a second solenoid valve 8.
  • the first electric pump 2, the second electric pump 3, the first solenoid valve 7 and the second solenoid valve 8 are connected to a control device 9.
  • the first electric pump 2 is intended to be used when driving the vehicle, while the second electric pump 3 is intended to be used when charging the battery.
  • the flow rate of the first pump 2 and the flow rate of the second pump 3 can be adjusted by means of a control signal.
  • the charger 4 allows, when the vehicle is stopped, to recharge the electric traction battery, not shown, from the home electrical network.
  • the first solenoid valve 7 makes it possible to short-circuit the second pump 3 and the charger 4 during the driving of the vehicle, while the second solenoid valve 8 makes it possible to short-circuit the motor assembly 5 during charging of the battery, when believes that the cooling of the motor assembly 5 is not necessary.
  • the second solenoid valve 8 can be connected to a hydraulic restriction 10 which makes it possible to achieve a pressure drop, and thus to maintain a flow rate of coolant in the engine assembly 5, even when the second solenoid valve 8 is conducting.
  • the motor assembly 5 comprises a motor 11 and an electronic control system 12 intended in particular to transform the DC voltage of the battery into AC voltage.
  • the radiator 6 is used to cool the coolant, similar to the cooling device of an internal combustion engine. It is equipped with a motor-fan, not shown.
  • the control device 9 is a computer which is connected with sensors of the cooling circuit, in particular coolant temperature sensors.
  • the computer 9 controls the pumps 2,3, the solenoid valves 7,8, as well as the motor-fan unit of the radiator 6.
  • the computer 9 is furthermore advantageously connected to other computers of the vehicle, via a bus network CAN (Controller Area Network in English) for example, to obtain other necessary measures for the cooling strategy.
  • the computer 9 houses the development strategy of the coolant flow control.
  • a possible solution could be to enslave the flow rate of each pump 2,3 in a closed-loop control system comprising a proportional-integral type corrector (PI corrector).
  • PI corrector proportional-integral type corrector
  • the PI corrector does not react, that is to say only changes the flow, when the outlet temperature of the water exceeds the set temperature.
  • the cooling system is a system with a global inertia that can be important: the calories of the electrotechnical system are generated in the metal masses of the electronic control system and can take time before being discharged to the water.
  • a PI corrector can react too late if it is waiting for temperature variations of the cooling water.
  • FIGS. 2 and 3 illustrate the problem posed through a cooling test.
  • the conditions of this test are as follows.
  • a loss power level of the electrotechnical system to dissipate 7.5 kW for 400 s then 1.5 kW in a stabilized manner is realized.
  • the vehicle speed is set at 30 km / h, an outside temperature of 30 ° C, and a constant water flow rate of 150 l / h.
  • the first test shown in Figure 2 is performed in "open loop" without correction, the water flow is constant.
  • the second test is performed under the same conditions, but this time, the PI controller is activated: it is he who will change the flow. It is observed that the PI corrector does not reacts only when the water temperature exceeds the set point of 50 ° C: the action is too late.
  • the entries of block A are as follows:
  • TF_mes this is the temperature of the coolant, which can be obtained by a single sensor or obtained by the fusion of several sources (for example the electric motor or the electronic control system can be equipped themselves with water temperature sensors),
  • V_VH this is the speed of the vehicle, usually calculated by the ABS computer and available on the CAN network of the vehicle,
  • Losses_PEB it is a signal generated by the electronic control system which represents an estimate of losses generated in the electronic control system and the electric machine; the electronic control system knows at all times the currents flowing in the engine phases, it also has a (or often several) temperature sensor (s), so it is able to estimate with a fairly good precision losses of the set ⁇ electronic control system, Engine ⁇ ,
  • Loss_BCB This is a signal generated by the battery charger which represents an estimate of losses generated at the battery charger; the battery charger knows the charging current at all times, it also has one (or often several) temperature sensor (s), so it is able to estimate with a fairly good accuracy the losses of the battery charger. drums.
  • the objective is to automatically change the flow control between a minimum value and a maximum value, depending on the temperature of the cooling circuit.
  • the principle is as follows: a setpoint temperature is chosen which it is desired not to exceed, then, using an explicit internal model and a closed-loop regulation, a flow rate is obtained which makes it possible to obtain this set temperature.
  • the looped signal is the difference between the temperature measurement of the coolant and the temperature resulting from this explicit internal model.
  • FIG. 5 presents the operating principle of this approach.
  • the control device is composed of 2 blocks:
  • a block B receives as input a water temperature TF_Req to be reached; from different measurements (such as the outside temperature, the powers to be dissipated, the vehicle speed), the block B is responsible for determining what flow is necessary to obtain stabilized this target water temperature TF_Req,
  • block C receives as input the setpoint flow calculated by block B and produces in real time a water temperature ym from a dynamic model of the system.
  • the setpoint flow is also sent to a block D corresponding to the actual system, and it is possible to measure a water temperature yp.
  • the principle is that the target water temperature TF_Req is not constantly equal to the setpoint CONS_TF, but it is corrected as soon as when the actual temperature deviates from the temperature estimated by the internal model.
  • M BCB BC BCB P BCB ⁇ hiS BCB (T BCB -T j -) (eq2)
  • M PEB mass of metal equivalent to the set ⁇ electronic control system + motor ⁇
  • CPEB mass heat of the assembly ⁇ electronic control system + engine ⁇
  • TREB Mean temperature of the set ⁇ system electronic steering + engine ⁇
  • hiSpEB coefficient of exchange between the water and the assembly ⁇ electronic control system + engine ⁇
  • MBCB mass of metal equivalent to the battery charger
  • CBCB mass heat of the battery charger
  • TBCB average temperature of the battery charger
  • hiS B cB exchange coefficient between the water and the battery charger
  • T f water temperature
  • ⁇ radiator heat flow evacuated by the radiator, given by a cartography.
  • V radial f (Flow, Tciir, Tf, V _ AIR)
  • the radiator manufacturers supply the power discharged by the radiator, in the form of a 2-dimensional cartography:
  • the two entries of the map are:
  • Air velocity is the sum of two sources:
  • the air speed due to the vehicle speed is a fraction vehicle speed
  • correction block B it is desired to obtain the static gain of the transfer flow rate to the water temperature of the radiator, ie for a given power to be discharged, it must be determined that a flow rate is necessary.
  • Pr adlin ⁇ 1. (- -). Flow .. ( T ) (eq 4)
  • Pradjin designates the approximate evacuated power by a law proportional to the flow rate, to the Air velocity and to ATref.
  • Vair_ref is arbitrarily selected at 90 km / h (equivalent airspeed at this speed of the vehicle).
  • control module A shown in FIG. 2 is shown in detail in FIG. 7. The inputs described above are found.
  • the Debit_cons command developed by the correction block B is saturated between [Flow_Max] and [Flow_M in] which are the flow ranges that the pump can carry out.
  • the PWM command is computed using a simple table and provides the output of the control.
  • This command is also saturated between [Flow_Max] and [Flow_M in] before being fed back into the dynamic model; these two parameters constitute 2 adjustment parameters of the invention.
  • the third parameter is "CONS_TF" which is the set temperature which one wishes not to exceed.
  • Figure 8 illustrates a possible embodiment of the block B. It is the realization of the equation (eq 5).
  • FIG. 9 illustrates a possible embodiment of block C.
  • Block C comprises digital integrations. It is performed at each sampling period, which is typically of the order of 1 second.
  • the model is decomposed into 4 blocks C1 to C4, whose operations are executed successively in the following order:
  • the block Cl ( , Flux_Ladiateur_lineaire ') is responsible for calculating the power discharged by the radiator to the outside air.
  • Flux_Ladiateur_lineaire ' is responsible for calculating the power discharged by the radiator to the outside air.
  • This block is given in FIG.
  • the entries of the block Cl are the following:
  • TF_MDL1 water temperature calculated by the model at the previous sampling time
  • the output of block Cl is Flux_Rad, the flow of the radiator.
  • the block C1 corresponds well to the realization of the equation (eq 4).
  • Block C2 is responsible for calculating the power exchanged between the assembly ⁇ electronic control system + engine ⁇ to the water, as well as the temperature of the assembly ⁇ electronic control system + engine ⁇ .
  • the entries of block C2 are as follows: - Losses_PEB: losses dissipated by the set ⁇ electronic control system + engine ⁇ ,
  • TF_MDL1 water temperature calculated by the model at the previous sampling time
  • the outputs of block C2 are as follows:
  • Flux_PEB flow exchanged between the assembly ⁇ electronic control system + engine ⁇ and the water
  • TP_PEB_MDL set temperature ⁇ electronic control system + motor ⁇ .
  • Block C2 corresponds well to the realization of the equation (eq 1).
  • Block C3 is responsible for calculating the power exchanged between the battery charger and the water, as well as the temperature of the battery charger.
  • This block is given in FIG.
  • the entries of block C3 are as follows:
  • TF_MDL1 water temperature calculated by the model at the previous sampling time
  • the outputs of block C3 are as follows:
  • Block C3 corresponds to the realization of the equation (eq 2).
  • Block C4 is responsible for calculating the temperature of the water.
  • One possible embodiment of this block is given in FIG.
  • the entries of block C4 are as follows:
  • Flux_PEB flow exchanged between the assembly ⁇ electronic control system + engine ⁇ and the water
  • the output of block C4 is TF_MDL, the water temperature resulting from the internal model.
  • Block C4 corresponds to the realization of the equation (eq 3).
  • FIG. 14 shows the evolution of the temperature of the water and of the water flow as a function of time, obtained with the aid of the device according to the invention.
  • the test conditions are identical to those described for FIGS. 2 and 3.
  • the corrector is able to predict that the flow required to obtain a water temperature at 50 ° C is a high flow (the control is saturated at maximum flow rate of 800 l / h). Then, when the losses to be dissipated decrease, the corrector quickly readjusts the flow control to the necessary value. The water temperature thus remains below 50 ° C throughout the test.
  • Figure 15 shows the operation of the PI corrector.
  • the corrector only changes the flow rate when the water temperature exceeds the set temperature by 50 ° C. So we react on setpoint overruns.
  • the corrector immediately calculates, in a sampling period, the static flow required for cooling. It can be seen here that, when the power level is changed, the water flow is recalculated instantly, which avoids exceeding the setpoint, unlike the PI controller.
  • the invention thus confers greater security to the system.
  • the corrector When setting a set temperature not to be exceeded, the corrector ensures that the flow rate will be optimally controlled so as not to exceed this setpoint.

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Abstract

L'invention a pour objet un dispositif de refroidissement (1) pour véhicule automobile, comprenant un circuit de refroidissement apte à refroidir un ensemble moteur (5) à l'aide d'un liquide de refroidissement mis en circulation à l'aide d'au moins une pompe (2,3) à débit variable, le débit de chaque pompe (2,3) étant commandé par un système de commande (9), caractérisé en ce que le système de commande (9) est apte à régler le débit de chaque pompe (2,3) de manière à ce que la température du liquide de refroidissement ne dépasse pas une température de consigne fixe.

Description

DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT POUR VEHICULE AUTOMOBILE
L'invention a pour objet un dispositif de refroidissement pour véhicule automobile, comprenant un circuit de refroidissement apte à refroidir un ensemble moteur à l'aide d'un liquide de refroidissement mis en circulation par au moins une pompe à débit variable. L'invention s'applique avantageusement aux véhicules automobiles électriques.
Dans un moteur à combustion interne, les combustions répétées surchauffent les pièces en contact, comme par exemple les pistons, les cylindres, et les soupapes, et se diffusent sur l'ensemble des pièces mécaniques du moteur. Il faut donc les refroidir sous peine de destruction. Pour un bon fonctionnement, les moteurs à explosion ont ainsi besoin d'une température régulière et adaptée.
Dans le cas d'un véhicule à propulsion électrique, il est également nécessaire de refroidir les différents éléments de la chaîne de traction.
II est connu d'utiliser un système de refroidissement comprenant une ou plusieurs pompes permettant de faire circuler un liquide de refroidissement à travers le moteur, ainsi qu'un radiateur, qui est un échangeur de température permettant de refroidir le liquide. Dans ce cas, le débit de liquide de refroidissement est fonction du régime moteur et est en particulier nul lorsque le moteur est arrêté.
Il apparaît souhaitable de disposer d'un dispositif de refroidissement permettant d'optimiser le fonctionnement des pompes et notamment de limiter leur usure et leur consommation en énergie. Le dispositif selon l'invention permet d'atteindre cet objectif.
L'invention a ainsi pour objet un dispositif de refroidissement pour véhicule automobile, comprenant un circuit de refroidissement apte à refroidir un ensemble moteur à l'aide d'un liquide de refroidissement mis en circulation à l'aide d'au moins une pompe à débit variable, le débit de chaque pompe étant commandé par un système de commande.
Dans le dispositif selon l'invention, le système de commande est apte à régler le débit de chaque pompe de manière à ce que la température du liquide de refroidissement ne dépasse pas une température de consigne fixe.
Le système de commande peut être apte à régler à chaque instant le débit de chaque pompe de manière à ce que la température du liquide de refroidissement ne dépasse pas la température de consigne fixe.
Le système de commande est avantageusement apte à établir une consigne de débit en fonction d'une température de consigne variable.
La température de consigne variable est par exemple fonction de la température de consigne fixe, de la température du liquide de refroidissement et d'une température du liquide de refroidissement estimée en fonction de la consigne de débit.
La température de consigne variable peut être égale à la différence entre la température du liquide de refroidissement et la température estimée, ôtée de la température de consigne fixe.
Le véhicule automobile peut être un véhicule électrique et l'ensemble moteur peut comprendre un système électronique de pilotage.
Le véhicule électrique peut comprendre un ensemble chargeur de batterie et le circuit de refroidissement est avantageusement apte à refroidir l'ensemble chargeur et l'ensemble moteur.
Le système de commande est de préférence apte à établir la consigne de débit en fonction de la température de consigne variable, de la température extérieure au véhicule, de la vitesse du véhicule, des pertes thermiques du système électronique de pilotage et des pertes thermiques du chargeur de batterie.
Le système de commande est de préférence apte à établir la température de consigne estimée en fonction de la consigne de débit, de la température extérieure au véhicule, de la vitesse du véhicule, des pertes thermiques du système électronique de pilotage et des pertes thermiques du chargeur de batterie.
Le dispositif peut comprendre une première pompe apte à alimenter sélectivement en liquide de refroidissement l'ensemble moteur et une deuxième pompe apte à alimenter sélectivement en liquide de refroidissement l'ensemble chargeur.
Le dispositif peut comprendre une première vanne apte à empêcher un passage de liquide de refroidissement dans l'ensemble chargeur et une deuxième vanne apte à empêcher un passage de liquide de refroidissement dans l'ensemble moteur.
Le dispositif peut comprendre une restriction hydraulique permettant de maintenir un débit minimum de liquide de refroidissement dans l'ensemble moteur.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 illustre sous forme de schéma-blocs un dispositif de refroidissement selon l'invention, intégré à un véhicule électrique,
- les figures 2 à 16 sont des diagrammes utiles à la compréhension de l'invention.
Le dispositif de refroidissement 1, tel qu'illustré à la figure 1, comprend une première pompe électrique 2, une deuxième pompe électrique 3, un chargeur 4 de batterie, un ensemble moteur 5, un radiateur 6, ainsi qu'une première électrovanne 7 et une deuxième électrovanne 8. La première pompe électrique 2, la deuxième pompe électrique 3, la première électrovanne 7 et la deuxième électrovanne 8 sont reliées à un dispositif de commande 9. La première pompe électrique 2 est destinée à être utilisée lors du roulage du véhicule, tandis que la deuxième pompe électrique 3 est destinée à être utilisée lors de la recharge de la batterie. Le débit de la première pompe 2 et le débit de la deuxième pompe 3 peuvent être réglés à l'aide d'un signal de commande.
Le chargeur 4 permet, lorsque le véhicule est à l'arrêt, de recharger la batterie électrique de traction, non représentée, à partir du réseau électrique domestique.
La première électrovanne 7 permet de court-circuiter la deuxième pompe 3 et le chargeur 4, lors du roulage du véhicule, tandis que la deuxième électrovanne 8 permet de court-circuiter l'ensemble moteur 5 lors du chargement de la batterie, lorsqu'on estime que le refroidissement de l'ensemble moteur 5 n'est pas nécessaire. La deuxième électrovanne 8 peut être reliée à une restriction hydraulique 10 qui permet de réaliser une perte de charge, et de conserver ainsi un débit de liquide de refroidissement dans l'ensemble moteur 5, même lorsque la deuxième électrovanne 8 est passante.
L'ensemble moteur 5 comprend un moteur 11 et un système électronique de pilotage 12 destiné notamment à transformer la tension continue de la batterie en tension alternative.
Le radiateur 6 permet de refroidir le liquide de refroidissement, de manière similaire au dispositif de refroidissement d'un moteur à combustion interne. Il est équipé d'un moto-ventilateur, non représenté.
Il est nécessaire de refroidir l'ensemble moteur 5 lors du roulage du véhicule, ainsi que le chargeur 4 lorsque le véhicule est à l'arrêt. La stratégie de refroidissement est gérée par le dispositif de commande 9. Le dispositif de commande 9 est un calculateur qui est en liaison avec des capteurs du circuit de refroidissement, en particulier des capteurs de température du liquide de refroidissement. Le calculateur 9 pilote les pompes 2,3, les électrovannes 7,8, ainsi que le groupe moto-ventilateur du radiateur 6. Le calculateur 9 est en outre avantageusement relié à d'autres calculateurs du véhicule, via un réseau de type bus CAN (Controller Area Network en langue anglais) par exemple, afin d'obtenir d'autres mesures nécessaires à la stratégie de refroidissement. Le calculateur 9 héberge la stratégie d'élaboration de la commande de débit de liquide de refroidissement.
Une solution possible pourrait être d'asservir le débit de chaque pompe 2,3 dans un système de régulation en boucle fermée comprenant un correcteur de type proportionnel-intégral (correcteur PI).
Le correcteur PI ne réagit, c'est-à-dire ne modifie le débit, que lorsque la température de sortie de l'eau dépasse la température de consigne. Or, le système de refroidissement est un système avec une inertie globale qui peut être importante : les calories du système électrotechnique sont générées dans les masses de métal du système électronique de pilotage et peuvent prendre du temps avant d'être évacuées vers l'eau. Ainsi, un correcteur PI peut réagir trop tardivement s'il attend les variations de température de l'eau de refroidissement.
Les figures 2 et 3 illustrent le problème posé à travers un essai de refroidissement. Les conditions de cet essai sont les suivantes.
On réalise un échelon de puissance de pertes du système électrotechnique à dissiper de 7,5 kW pendant 400 s puis 1,5 kW de manière stabilisée. De manière arbitraire, on fixe la vitesse véhicule à 30 km/h, une température extérieure de 30°C, et un débit d'eau constant de 150 l/h.
Le premier essai, illustré à la figure 2, est réalisé en « boucle ouverte », sans correcteur, le débit d'eau étant constant.
La partie haute de la figure montre les pertes du système électronique de pilotage à refroidir, et la partie basse montre la réponse temporelle de la température de l'eau. On constate que qu'à t=400 s, la température de l'eau n'est que de 42,8 °C, et qu'elle va atteindre plus de 60 °C, mais seulement au bout de 33 minutes.
Le deuxième essai, tel qu'illustré à la figure 3, est réalisé dans les mêmes conditions, mais cette fois, le correcteur PI est activé : c'est lui qui va venir modifier le débit. On observe que le correcteur PI ne réagit que lorsque la température de l'eau dépasse la consigne de 50°C : l'action est trop tardive.
Pour y remédier, les entrées et la sortie d'un bloc A de stratégie de commande selon l'invention sont représentées sur la figure 4.
Les entrées du bloc A sont les suivantes :
- TF_mes : il s'agit de la température du liquide de refroidissement, qui peut être obtenue par un seul capteur ou obtenue par la fusion de plusieurs sources (par exemple le moteur électrique ou le système électronique de pilotage peuvent être équipés eux-mêmes de capteurs de température d'eau),
- V_VH : il s'agit de la vitesse du véhicule, calculée habituellement par le calculateur ABS et disponible sur le réseau CAN du véhicule,
- Temp_Ext : il s'agit de la température extérieure obtenue sur le réseau CAN du véhicule,
- Pertes_PEB: il s'agit d'un signal généré par le système électronique de pilotage qui représente une estimation des pertes générées au niveau du système électronique de pilotage et de la machine électrique ; le système électronique de pilotage connaît en effet à tout moment les courants qui circulent dans les phases du moteur, il dispose également d'un (ou souvent plusieurs) capteur(s) de température, il est donc capable d'estimer avec une assez bonne précision les pertes du l'ensemble {système électronique de pilotage, Moteur},
- Pertes_BCB : il s'agit d'un signal généré par le chargeur de batterie qui représente une estimation des pertes générées au niveau du chargeur de batterie ; le chargeur de batterie connaît en effet à tout moment le courant de charge, il dispose également d'un (ou souvent plusieurs) capteur(s) de température, il est donc capable d'estimer avec une assez bonne précision les pertes du chargeur de batterie.
La sortie du bloc A est :
- PWM_WEP_CN : il s'agit de la commande de débit à faire circuler dans le système électrotechnique comprenant le système électronique de pilotage, le chargeur de batterie et le moteur électrique de traction; il s'agit d'un signal entre 0 et 100 exprimant un pourcentage du débit maximal pouvant être réalisé par la pompe.
Suivant le mode de fonctionnement, ce sera soit la première pompe, soit la deuxième pompe qui sera commandée avec ce signal .
L'objectif est de faire évoluer automatiquement la commande de débit entre une valeur minimum et une valeur maximum, en fonction de la température du circuit de refroidissement.
Le principe est le suivant : on choisit une température de consigne que l'on souhaite ne pas dépasser, puis, à l'aide d'un modèle interne explicite et d'une régulation en boucle fermée, on élabore un débit permettant d'obtenir cette température de consigne. Le signal rebouclé est l'écart entre la mesure de température du liquide de refroidissement et la température issue de ce modèle interne explicite.
La figure 5 présente le principe de fonctionnement de cette approche.
Le dispositif de contrôle est composé de 2 blocs :
- un bloc B, appelé bloc correcteur, reçoit en entrée une température d'eau TF_Req à atteindre ; à partir de différentes mesures (comme la température extérieure, les puissances à dissiper, la vitesse véhicule), le bloc B est chargé de déterminer quel débit est nécessaire pour obtenir en régime stabilisé cette température d'eau visée TF_Req,
- le bloc C, appelé bloc modèle, reçoit en entrée le débit de consigne calculé par le bloc B et élabore en temps réel une température d'eau ym à partir d'un modèle dynamique du système.
Le débit de consigne est également envoyé à un bloc D correspondant au système réel, et on peut mesurer une température d'eau yp.
Le principe est que la température d'eau visée TF_Req n'est pas constamment égale à la consigne CONS_TF, mais elle est corrigée dès lors que la température réelle s'écarte de la température estimée par le modèle interne.
La suite de la description est consacrée au détail de l'obtention des blocs B et C.
Dans un premier temps, une modélisation fine du système de refroidissement est réalisée à l'aide de modèle du type « éléments finis » . Dans un deuxième temps, un modèle simplifié, basé sur des équations physiques, est réalisé.
La figure 6 illustre le principe retenu . Les hypothèses simplificatrices retenues sont les suivantes :
- suppression des termes de transport : on assimile toute l'eau du circuit de refroidissement à une masse d'eau immobile,
- les organes (système électronique de pilotage PEB, moteur électrique de traction et chargeur de batterie BEB) sont assimilés à des masses de métal ; la chaleur (pertes du système électrotechnique) est générée dans ces masses de métal, puis s'écoule vers la masse d'eau,
- le flux de chaleur s'écoule ensuite à travers le radiateur ; on connaît via les constructeurs de radiateur les caractéristiques d'échange du radiateur.
Les équations dynamiques sont les suivantes :
PEB PEB ^ PEB PEB PEB Lf ) (β^)
M BCB^BCB = PBCB ~ hiSBCB (TBCB—Tj- ) (eq2)
= hiSPEB (TPEB - Tf ) + hiSBCB (TBCB - Tf ) -q>mdiateur (eq3)
Figure imgf000010_0001
avec :
M PEB = masse de métal équivalente à l'ensemble {système électronique de pilotage + moteur},
CPEB = chaleur massique de l'ensemble {système électronique de pilotage + moteur},
TREB = Température moyenne de l'ensemble {système électronique de pilotage + moteur},
hiSpEB = coefficient d'échange entre l'eau et l'ensemble {système électronique de pilotage + moteur},
MBCB = masse de métal équivalente au chargeur de batterie, CBCB = chaleur massique du chargeur de batterie,
TBCB = température moyenne du chargeur de batterie,
hiSBcB = coefficient d'échange entre l'eau et le chargeur de batterie,
Mf = masse de fluide,
CF = chaleur massique du fluide,
Tf = température de l'eau,
φ radiateur = flux de chaleur évacué par le radiateur, donné par une cartographie.
La puissance évacuée par le radiateur dépend de 3 grandeurs : V radiaux = f (Débit, Tciir ,Tf , V _ AIR)
- le débit traversant le radiateur (Débit),
- la température du fluide (Tf), et
- la vitesse d'air traversant le radiateur (V_AIR).
Les constructeurs de radiateur fournissent la puissance évacuée par le radiateur, sous la forme d'une cartographie à 2 dimensions :
Les deux entrées de la cartographie sont :
- le débit en l/h,
- la vitesse d'air en m/s.
La puissance évacuée par le radiateur est donnée pour un écart de température eau/air fixée ATref (par exemple ATref =10 degrés).
Pour un écart de température eau/air quelconque, on a :
( T^6£t"U— _l 1 £111* )
Puissance radiateur = - -.Puissance radiateur DTref
10 "
On a donc un transfert non linéaire en fonction du débit et de la vitesse d'air.
La vitesse d'air est la somme de deux sources :
- la vitesse d'air due à la vitesse véhicule ; il s'agit d'une fraction de la vitesse véhicule, et
- une vitesse d'air supplémentaire apportée par le groupe moto- ventilateur d u rad iateur ; ce fl ux d'air dépend lui de la vitesse véhicule.
Pour obtenir le bloc correcteur B, on souhaite obtenir le gain statique du transfert Débit vers Température d'eau d u radiateur, autrement dit pour une puissance donnée à évacuer, on doit déterminer q uel débit est nécessaire.
Ce problème peut être résol u par linéarisation des cartographies de la puissance du radiateur en fonction d u débit. On constate qu'il est possible d 'approximer la cartographie par une équation de la forme :
Pr ad lin = λ1.(— — ). Débit..( T ) (eq 4)
Vair _ ref ATref
Pradjin désigne la puissance évacuée approximée par une loi proportionnel le au débit, à la Vitesse de l 'air et à ATref.
Vair_ref est choisie arbitrairement à 90 km/h (vitesse d 'air éq uivalente à cette vitesse d u véhicule) .
On conserve ATref = 10 °C.
λΐ est calculé par exemple pour le point débit = 800 l/h, on a alors une puissance de 26210 W, donc λΐ = 26210/800 W/(l/h) .
Le débit s'écrit donc de la façon suivante :
^ , . Pr adiateur , , r ^ , . Pr adiateur„ Débit = — —— de la forme : Débit = (eq 5)
Vair _ ref ATref
La réalisation du module A de contrôle présenté en figure 2 est représentée en détail sur la figure 7. On retrouve les entrées décrites plus haut.
La commande Debit_cons élaborée par le bloc correcteur B est saturée entre [ Flow_Max] et [ Flow_M in] q ui sont les plages de débit q ue peut réaliser la pompe. La commande PWM est calculée à l 'aide d 'une simple table et fournit la sortie du contrôle.
Cette commande est également saturée entre [ Flow_Max] et [ Flow_M in] avant d 'être réinjectée dans le modèle dynamique ; ces deux paramètres constituent 2 paramètres de réglage de l'invention. Le troisième paramètre est « CONS_TF » qui est la température de consigne que l'on souhaite ne pas dépasser.
La figure 8 illustre une réalisation possible du bloc B. Il s'agit de la réalisation de l'équation (eq 5).
La figure 9 illustre une réalisation possible du bloc C. Le bloc C comporte des intégrations numériques. Il est réalisé à chaque période d'échantillonnage, qui est typiquement de l'ordre de 1 seconde.
Comme on peut le voir, le modèle est décomposé en 4 blocs Cl à C4, dont les opérations sont exécutées successivement dans l'ordre suivant :
- le bloc Cl (,Flux_Radiateur_lineaire'),
- le bloc C2 (λΡΕΒ_ΜΕ'),
- le bloc C3 CBCB'),
- le bloc C4 (ΈΑΙΓ).
Le bloc Cl (,Flux_Radiateur_lineaire') est chargé de calculer la puissance évacuée par le radiateur vers l'air extérieur. Une réalisation possible de ce bloc est donnée à la figure 10.
Les entrées du bloc Cl sont les suivantes :
- TF_MDL1 : température d'eau calculée par le modèle à l'instant d'échantillonnage précédent,
- Temp_Ext : température d'air extérieure au véhicule, mesurée par le calculateur habitacle,
- V_VH : vitesse du véhicule,
- Débit : mesure de débit.
La sortie du bloc Cl est Flux_Rad, le flux du radiateur. Le bloc Cl correspond bien à la réalisation de l'équation (eq 4).
Le bloc C2 est chargé de calculer la puissance échangée entre l'ensemble {système électronique de pilotage + moteur} vers l'eau, ainsi que la température de l'ensemble {système électronique de pilotage + moteur}. Une réalisation possible de ce bloc est donnée à la figure 11.
Les entrées du bloc C2 sont les suivantes : - Pertes_PEB : pertes dissipées par l'ensemble {système électronique de pilotage + moteur},
- TF_MDL1 : température d'eau calculée par le modèle à l'instant d'échantillonnage précédent,
- Temp_Ext : température d'air extérieure au véhicule, mesurée par le calculateur habitacle,
- TP_PEB_MDL1 : température de l'ensemble {système électronique de pilotage + moteur} calculée par le bloc « PEB_ME » à l'instant d'échantillonnage précédent.
Les sorties du bloc C2 sont les suivantes :
Flux_PEB : flux échangé entre l'ensemble {système électronique de pilotage + moteur} et l'eau,
TP_PEB_MDL : température de l'ensemble {système électronique de pilotage + moteur}.
Le bloc C2 correspond bien à la réalisation de l'équation (eq 1).
Le bloc C3 est chargé de calculer la puissance échangée entre le chargeur de batterie et l'eau, ainsi que la température du chargeur de batterie. Une réalisation possible de ce bloc est donnée à la figure 12.
Les entrées du bloc C3 sont les suivantes :
- Pertes_BCB : pertes dissipées par le chargeur de batterie,
- TF_MDL1 : température d'eau calculée par le modèle à l'instant d'échantillonnage précédent,
- Temp_Ext : température d'air extérieure au véhicule, mesurée par le calculateur habitacle,
- TP_BCB_MDL1 : température du chargeur de batterie calculée par le bloc « BCB » à l'instant d'échantillonnage précédent.
Les sorties du bloc C3 sont les suivantes :
- Flux_BCB : flux échangé entre le chargeur de batterie et l'eau,
- TP_BCB_MDL : température du chargeur de batterie.
Le bloc C3 correspond bien à la réalisation de l'équation (eq 2).
Le bloc C4 est chargé de calculer la température de l'eau. Une réalisation possible de ce bloc est donnée à la figure 13. Les entrées du bloc C4 sont les suivantes :
Flux_PEB : flux échangé entre l'ensemble {système électronique de pilotage + moteur} et l'eau,
- Flux_BCB : flux échangé entre le chargeur de batterie et l'eau, - Flux_Rad : flux échangé entre le radiateur et l'air extérieur,
- Temp_Ext : température d'air extérieure au véhicule, mesurée par le calculateur habitacle.
La sortie du bloc C4 est TF_MDL, la température d'eau issue du modèle interne.
Le bloc C4 correspond bien à la réalisation de l'équation (eq 3).
Il est à noter que les paramètres dans les blocs Cl à C4 sont des paramètres ayant un sens physique.
La figure 14 montre l'évolution de la température de l'eau et du débit d'eau en fonction du temps, obtenue à l'aide du dispositif selon l'invention. Les conditions d'essais sont identiques à celles décrites pour les figures 2 et 3.
On observe que l'objectif souhaité est atteint : dès le début de l'essai, le correcteur est en mesure de prévoir que le débit nécessaire pour obtenir une température d'eau à 50°C est un fort débit (la commande est saturée au débit maximum de 800 l/h). Ensuite, lorsque les pertes à dissiper diminuent, le correcteur réajuste rapidement la commande de débit à la valeur nécessaire. La température d'eau reste ainsi inférieure à 50°C pendant tout l'essai.
Un deuxième essai montrant le bon fonctionnement de l'invention est illustré sur les figures 15 et 16.
Les conditions de cet essai sont les suivantes. Au départ, on injecte des pertes de 1500 W. On fixe la vitesse du véhicule à 30 km/h, avec une température extérieure de 30°C.
A t« 10000 s, on injecte des pertes de 2000 W.
La figure 15 montre le fonctionnement du correcteur PI. Le correcteur ne vient modifier le débit que lorsque la température d'eau dépasse la température de consigne de 50°C. On réagit donc sur des dépassements de consigne.
Tel qu'illustré à la figure 16, le correcteur selon l'invention calcule immédiatement, en une période d'échantillonnage, le débit statique nécessaire au refroidissement. On observe ici que lors de la variation en échelon de la puissance, le débit d'eau est recalculé instantanément ce qui évite tout dépassement de la consigne, contrairement au correcteur PI.
L'invention confère donc une plus grande sécurité au système.
Lorsqu'on fixe une température de consigne à ne pas dépasser, le correcteur assure que le débit sera commandé de manière optimale pour ne pas dépasser cette consigne.
Dans le cas où le besoin de refroidissement sera trop fort pour être assuré par simplement une augmentation de débit, on activera alors le groupe moto-ventilateur pour augmenter ce refroidissement. Avec le correcteur à modèle interne selon l'invention, le groupe moto-ventilateur ne sera activé que lorsque tout ce qui était faisable par la commande de débit a été effectué.

Claims

REVENDICATION
Dispositif de refroidissement (1) pour véhicule automobile, comprenant un circuit de refroidissement apte à refroidir un ensemble moteur (5) à l'aide d'un liquide de refroidissement mis en circulation à l'aide d'au moins une pompe (2,3) à débit variable, le débit de chaque pompe (2,3) étant commandé par un système de commande (9), caractérisé en ce que le système de commande (9) est apte à régler le débit de chaque pompe (2,3) de manière à ce que la température du liquide de refroidissement ne dépasse pas une température de consigne fixe.
Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de commande (9) est apte à régler à chaque instant le débit de chaque pompe (2,3) de manière à ce que la température du liquide de refroidissement ne dépasse pas la température de consigne fixe.
Dispositif (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le système de commande (9) est apte à établir une consigne de débit en fonction d'une température de consigne variable.
Dispositif (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que la température de consigne variable est fonction de la température de consigne fixe, de la température du liquide de refroidissement et d'une température du liquide de refroidissement estimée en fonction de la consigne de débit.
Dispositif (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la température de consigne variable est égale à la différence entre la température du liquide de refroidissement et la température estimée, ôtée de la température de consigne fixe.
6. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le véhicule automobile est un véhicule électrique et en ce que l'ensemble moteur (5) comprend un système électronique de pilotage (12). 7. Dispositif (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que le véhicule électrique comprend un ensemble chargeur (4) de batterie, et en ce que le circuit de refroidissement est apte à refroidir l'ensemble chargeur (4) et l'ensemble moteur (5).
8. Dispositif (1) selon la revendication 7 en liaison avec la revendication 3, caractérisé en ce que le système de commande
(9) est apte à établir la consigne de débit en fonction de la température de consigne variable, de la température extérieure au véhicule, de la vitesse du véhicule, des pertes thermiques du système électronique de pilotage et des pertes thermiques du chargeur de batterie.
9. Dispositif (1) selon la revendication 8 en liaison avec la revendication 4, caractérisé en ce que le système de commande (9) est apte à établir la température de consigne estimée en fonction de la consigne de débit, de la température extérieure au véhicule, de la vitesse du véhicule, des pertes thermiques du système électronique de pilotage et des pertes thermiques du chargeur de batterie.
10. Dispositif (1) selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend une première pompe (2) apte à alimenter sélectivement en liquide de refroidissement l'ensemble moteur (5) et une deuxième pompe (3) apte à alimenter sélectivement en liquide de refroidissement l'ensemble chargeur (4).
11. Dispositif (1) selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend une première vanne (7) apte à empêcher un passage de liquide de refroidissement dans l'ensemble chargeur (4) et une deuxième vanne (8) apte à empêcher un passage de liquide de refroidissement dans l'ensemble moteur (5).
12. Dispositif (1 ) selon la revendication 11 , caractérisé en ce qu'il comprend une restriction hydraulique (10) permettant de maintenir un débit minimum de liquide de refroidissement dans l'ensemble moteur (5).
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