WO2015136172A1 - Methode de prediction de l'etat thermique d'un demarreur - Google Patents

Methode de prediction de l'etat thermique d'un demarreur Download PDF

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WO2015136172A1
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starter
thermal
thermal state
instant
temperature
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PCT/FR2015/050378
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Yannick BOTCHON
Mickael Mornet
Aurelien Mallet
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Peugeot Citroen Automobiles Sa
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    • F02N2300/2008—Control related aspects of engine starting characterised by the control method using a model

Definitions

  • the invention relates to the field of the thermal of a starter in a motor vehicle.
  • the invention relates to a method and a system for predicting the thermal state of a starter.
  • the invention further relates to a motor vehicle equipped with such a system.
  • thermal state of a member eg motor, starter
  • the temperature characteristics measured / evaluated in one or more point of the body are understood here, the temperature characteristics measured / evaluated in one or more point of the body.
  • a starter can warm up strongly during the start-up and restart phases of a vehicle.
  • a prolonged duration of activation of a starter causes a significant rise in temperature thereof, which may impact its operation and / or its lifetime.
  • This risk is even more applicable to vehicles equipped with automatic stop and start systems (still commonly referred to as "Stop-and-Start" systems in English terminology).
  • the starter is controlled to automatically restart the engine, following a stop of the vehicle and its engine. In repeated restart situations, to avoid overheating of the starter, it is particularly necessary to know its temperature in real time.
  • a solution to this problem can then consist in making measurements of the temperature of the starter, via a temperature sensor.
  • the use of such a device involves the addition of an additional piece to the starter, and a significant additional cost.
  • Another method generally used is, during the design of the starter, to size it taking into account the heating constraints. Thus, only the design of the starter is then guarantor of the failure to reach the limit temperatures.
  • the document DE10347683 proposes the inhibition of the "Stop-and-Start" function, when the temperature of the electronics of power of an alternator-starter exceeds a threshold value.
  • the power electronics is preferably carried out via MOS transistors used as semiconductor switching elements.
  • the temperature of the electronic components is determined via a direct measurement performed by a sensor, or alternatively deduced according to an ambient temperature or a coolant temperature, relative to a cooling system of the alternator-starter. This technique involves both having a cooling system of the alternator-starter and knowing its associated temperature at any time. Such a situation is however not conceivable for many starters with small footprint, because of their designs.
  • the proposed invention aims to overcome the aforementioned drawbacks.
  • a first object is to provide a method for determining the thermal state of a starter without structural modification of the latter.
  • Another object is to provide a method for determining the thermal state of a starter without having recourse to the installation of an additional temperature sensor on the starter.
  • Another object is to provide a dynamic method of calculation, for determining in real time the thermal state of the starter (as its evolution), both during use and when it is not activated.
  • E (k), E (k + 1) being two temperature vectors describing the thermal state of the starter, respectively, at the first instant k and the second subsequent instant k + 1;
  • U represents the thermal state of the engine.
  • A is a matrix of the evolution dynamics of the thermal state of the starter whose constituent elements are inverse time constants
  • B is a vector that makes it possible to take into account the thermal state of the engine and whose constituent elements are inverses of time constants
  • - C is the product of a vector whose constitutive elements are thermal coefficients (coeffl, coeff2, coeff3) which are functions of the thermal resistances and thermal capacities of the starter and a variable (iact) indicating if the starter is activated or disabled.
  • this method comprises a step of initialization of the thermal state of the starter E (k) at the first instant k, by initializing during a first start the temperature values of this thermal state in the thermal state. of the engine.
  • the thermal state of the engine is determined by the temperature of the engine engine coolant.
  • the modeling of the thermal losses of the starter at the first instant is obtained by a comparison step between the temperatures of the thermal state E (k) at the first instant k and pre-established thermal models.
  • the temperatures describing the thermal state of the starter are the rotor temperatures, the stator and the starter brushes.
  • a computer processing unit comprising instructions for the implementation of the method as presented above.
  • a system for predicting the thermal state of a starter configured to start a heat engine
  • this system comprising means capable of calculating the thermal state at a second instant of the starter. from the thermal state at a first instant of the starter, the second instant being subsequent to the first instant, this calculation step using the thermal state of the heat engine and a predetermined model of the thermal state of the starter, this predetermined model comprising the losses the thermal state of the starter at different thermal states of the starter, the thermal state of the starter at the second subsequent instant being obtained from the thermal state of the starter at the first moment as follows:
  • E (k), E (k + 1) being two temperature vectors describing the thermal state of the starter, respectively, at the first instant k and the second subsequent instant k + 1;
  • U represents the thermal state of the engine.
  • A is a matrix of the evolution dynamics of the thermal state of the starter whose constituent elements are inverse time constants
  • B is a vector that makes it possible to take into account the thermal state of the engine and whose constituent elements are inverses of time constants
  • - C is the product of a vector whose constitutive elements are thermal coefficients (coeffl, coeff2, coeff3) which are functions of the thermal resistances and thermal capacities of the starter and a variable (iact) indicating if the starter is activated or disabled.
  • this system comprises means for initializing the thermal state of the starter E (k) at the first instant k, these means being able to initialize during a first start the temperature values of this thermal state to the thermal state of the engine, the thermal state of the engine being determined by the temperature of the engine coolant.
  • the temperatures describing the thermal state of the starter are the rotor temperatures, the stator and the starter brushes.
  • a motor vehicle comprising a system as presented above.
  • FIG. 1 illustrates a system for predicting the thermal state of a starter according to one embodiment
  • FIG. 2 illustrates an equivalent circuit of a thermal model of a starter according to one embodiment.
  • a first module 1 comprises a prerecorded analytical thermal model of said starter, making it possible to describe, using differential equations, the dynamic behavior at temperatures of the starter at rest or when it is activated, for example at start-up. or restarting a heat engine with which it is associated.
  • the first module 1 comprises the following input parameters:
  • this information is the temperature 101 T co of the coolant of the engine, also referred to hereafter as the water temperature of the engine.
  • This input is a standard parameter typically controlled by the on-board diagnostic system of the vehicle;
  • the activity status of the starter 102 (off or on), which may for example be provided by a vehicle control system;
  • temperatures 103 characteristics of the starter previously calculated by a second module 2 whose operation is developed below.
  • the values of temperatures 103 are supplied to the first module 1 via a feedback from the second module 2. These temperature values describe the thermal state of the starter, and are advantageously ordered in the form of a vector.
  • the first module 1 uses the parameters 101, 102, 103 as inputs of the prerecorded analytical thermal model of the starter.
  • the parameters characterizing the equations of this model are thermal time constants and function coefficients of the inputs 101, 102, 103.
  • the initialization, then the evolution of the values of these characteristic parameters, are for example determined via a comparison step. with pre-established thermal measurement tables and / or pre-recorded thermal modeling of these parameters.
  • the first module 1 uses the parameters 101, 102, 103 with the prerecorded model, to output the time derivatives 104 of different characteristic temperatures of the starter 103.
  • these time derivatives are ordered in the form of a vector. These time derivatives are then transmitted at the input of the second module 2.
  • the first module 1 and the second module 2 are made via a set of software instructions programmed on appropriate support such as a processor.
  • these modules are included in a computer processing unit such as a computer of the motor vehicle.
  • the second module 2 allows the initialization of the starter temperatures, as well as the calculation at each instant of the characteristic 103 temperatures of the starter, by integration of time derivatives 104 provided by the first module 1.
  • the second module 2 comprises the following input parameters:
  • these derivatives are in the form of a vector
  • the idle time of the computer is, for example, calculated on the basis of measurements of time intervals carried out via "timers"; the temperature information relating to the temperature of the coolant 101 T co of the heat engine.
  • the information 101 T co is used during the initialization of the starter temperatures, for example before a first execution of the starter temperature prediction system.
  • the second module 2 is configured to resolve by integration, the time derivatives returned by the first module 1.
  • the second module 2 calculates according to its input parameters 104, 105, 101 instantaneous temperatures 103 of the starter.
  • the temperatures 103 of the starter are then made available at the output of the module 2, advantageously in the form of a vector of temperatures characteristic of the thermal state of the starter, thus allowing
  • the second module 2 is configured to initialize / reset the temperature values of the starter, during the first start of a vehicle and / or during a restart phase of the engine of the vehicle.
  • the second module 2 initializes / resets the temperatures 103 characteristic of the thermal state of the starter at the temperature of water 101 T co of the heat engine .
  • FIG. 2 illustrates, according to one embodiment, an equivalent circuit of a thermal model of the starter of a heat engine. This model considers the water temperature of the heat engine 204 T co and the characteristic element temperatures constituting the starter, namely:
  • a first calculation of these derivatives also requires knowledge of the initial temperatures T sta tor, T rot or, T ba iai, the initialization of which is described in a subsequent embodiment.
  • the variable iact is in turn determined according to the activity status of the starter 102 supplied at the input of the first module 1.
  • the set of parameters ( ⁇ ⁇ , ⁇ 2 , ⁇ 3 , ⁇ 4 , ⁇ 5 ⁇ 6 , ⁇ ⁇ , ⁇ & , rotor , stator , coe 1, coeff 2, coef 3) of equivalent model proposed in Figure 2 are identified beforehand for a temperature range of the starter, for example in the range [-30 ° C, + 200 ° C].
  • the vector U relating to the temperature T co water of the engine, can then be interpreted here as a control vector of this system of equations.
  • the resolution of the preceding equation system is performed by the second module 2.
  • the time interval tt 0 is assumed to be sufficiently low (eg 100 ms).
  • the control vector U and the matrix B are assumed to be constant and integrable on [t 0 , t]. We then integrate this relation over the interval [t 0 , t]:
  • the discretized equations then appear as follows:
  • Starter temperature vector calculated at time k.
  • the second module 2 calculates the temperatures of the starter at a given moment in the following manner:
  • x (k + 1) x (k) + (Ax (k) + BU + C) .Al, Vk> 0
  • the first module 1 updates its analytical model, by recalculating the parameters / thermal coefficients of the matrices A, B and C. These matrices are updated according to the evolution of their parameters, estimated for example via a step of comparing between the temperatures of the vector x (k) and measurement tables and / or pre-established thermal models, relating to the different parameters / thermal coefficients.
  • the first module 1 then calculates the temperature derivatives as a function of the temperature Tc (U matrix) of the thermal engine water, that is to say calculates the expression Ax (k) + BU + C.
  • the second module 2 then calculates, according to the result returned by the first module 1, a new temperature vector x (k + 1), according to the aforementioned equation.
  • first module 1 and the second module 2 are detailed separately to facilitate understanding. According to another embodiment, the operations performed by the first module 1 and the second module 2 are executed successively by one and the same module.
  • This single module is suitable for initializing / calculating a temperature vector x (k) at a time k, updating the parameters of matrices A, B and C, and then calculating a new temperature vector x (k + 1 ) at time k + 1 as a function of the temperatures of the starter x (k) initialized / calculated at time k and the temperature Tcc (U matrix) of the engine water.
  • stopping the computer during a time interval causes the judgment of the starter temperatures to be stopped.
  • the estimation of the temperatures of the starter can then be carried out until the next alarm clock of the computer. It is therefore necessary to determine the possible periods of deactivation of the computer.
  • the shutdown of the computer is performed during a period during which the starter is not activated.
  • the temperatures describing the initial thermal state x INI of the starter are initialized by the second module 2, to the value of the water temperature of the engine T co . It is considered that when the vehicle stops comes a thermal equilibrium towards which converges
  • a non-volatile memory saves
  • the idle time 105 relative to the calculator is then easily calculated and provided at the input of the second module 2.
  • the second module 2 compares the value A tstop with respect to a predetermined threshold value T thr eshoid-
  • the Tthreshoid value makes it possible to define a time threshold for calculating the initial temperatures of the starter following an alarm clock of the computer.
  • the second module 2 calculates the initial temperatures of the starter as follows:
  • the engine water temperature T co is therefore both used by the first module 1 to calculate the time derivatives of the temperatures with its analytical model, and by the second module 2 to calculate initial temperature values for the engine. starter.
  • the first module 1 and the second module 2 use inputs based on characteristic temperature values of the starter, calculated or initialized at a previous time.
  • characteristic temperatures relate here to the temperatures of the rotor, the stator and the brushes of the starter.
  • it is possible to further refine the accuracy of the analytical model describing the thermal state of the starter taking into account additional constituent elements of the starter, for example the power electronics of the starter.
  • the thermal losses of these elements can also be modeled, via thermal powers, thermal capacities, thermal resistances according to an equivalent circuit of the same type as that proposed in FIG.
  • the thermal state of the starter can therefore also be described by a temperature vector, comprising more preferably estimated temperatures than the temperature vector x (k) previously described.
  • thermal state E of the starter can, by analogy with the embodiments described above, be calculated as follows:
  • the initialization / reinitialization of the vector E (k) can be carried out according to one of the previously described embodiments, for example by initializing the set of temperatures of the vector E (k) at the temperature T co of water of the engine. ;
  • T co is a control matrix relating to the thermal state of the engine, here described by the water temperature T c of the engine.
  • A is a matrix of the evolution dynamics of the thermal state of the starter whose constituent elements are inverse time constants
  • the thermal state U of the engine may be, for example, the temperature T co of water of the heat engine,
  • C is the product of a column vector whose constitutive elements are thermal coefficients, coeffl, coeff2, coeff3, which are functions of the thermal resistances and thermal capacities of the starter and a variable, iact, indicating whether the starter is activated or deactivated.
  • the parts of the starter taken into account are the rotor, the stator and the brushes. The initialization / revolution of the values of these parameters are determined according to the temperatures of the thermal state
  • the previously described embodiments do not use any sensor implemented at the starter. Only the thermal state of the heat engine is used as the temperature information when calculating the thermal state of the starter, the water temperature of the engine being a standard parameter easily accessible. Thus, based on the engine water temperature information, it is possible to continuously determine the temperature dynamics of the starter and accordingly manage its use so as not to reach critical temperatures. It is thus possible to limit the starter failures, mainly related to overheating.

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Abstract

Méthode de prédiction de l'état thermique d'un démarreur configuré pour démarrer un moteur thermique, comprenant une étape de calcul de l'état thermique à un deuxième instant du démarreur à partir de l'état thermique à un premier instant du démarreur, le deuxième instant étant ultérieur au premier instant, cette étape de calcul utilisant l'état thermique du moteur et un modèle préétabli de l'état thermique du démarreur, ce modèle préétabli comprenant les pertes thermiques du démarreur à différents états thermique du démarreur, l'état thermique du démarreur au deuxième instant étant obtenu de l'état thermique du démarreur au premier instant de la manière suivante : E(k+1)=AE(k) + BU+C, E(k), E(k+1) étant deux vecteurs de températures décrivant, l'état thermique du démarreur, respectivement, au premier instant k et au deuxième instant ultérieur k+1; - A, B et C modélisant les pertes thermiques du démarreur à l'état thermique au premier instant; - U représentant l'état thermique du moteur.

Description

METHODE DE PREDICTION DE L'ETAT THERMIQUE D'UN
DEMARREUR
[0001] L'invention a trait au domaine de la thermique d'un démarreur dans un véhicule automobile.
[0002] Plus particulièrement, l'invention se rapporte à une méthode et un système permettant de prédire l'état thermique d'un démarreur. L'invention se rapporte en outre à un véhicule automobile équipé d'un tel système.
[0003] Par état thermique d'un organe (ex : moteur, démarreur), on entend ici, les caractéristiques en températures mesurées/évaluées en un ou plusieurs point de l'organe considéré.
[0004] La gestion de la température des démarreurs dans les véhicules automobile constitue un enjeu majeur chez les constructeurs. D'une manière générale, un démarreur peut s'échauffer fortement lors des phases de démarrage et de redémarrage d'un véhicule. Une durée prolongée d'activation d'un démarreur engendre une montée en température importante de celui-ci, risquant d'impacter son fonctionnement et/ou sa durée de vie. Ce risque s'applique encore d'avantage aux véhicules munis de systèmes d'arrêts et de redémarrages automatiques (encore communément désignés systèmes « Stop-and-Start » en terminologie anglaise). Dans ces systèmes, le démarreur est piloté pour redémarrer automatiquement le moteur thermique, à la suite d'un arrêt du véhicule et de son moteur. Dans des situations de redémarrages répétés, afin d'éviter une surchauffe du démarreur, il s'avère particulièrement nécessaire de connaître sa température en temps réel.
[0005] Une solution répondant à ce problème peut alors consister à effectuer des mesures de la température du démarreur, via un capteur de température. Cependant, l'utilisation d'un tel dispositif implique l'ajout d'une pièce supplémentaire au démarreur, ainsi qu'un surcoût non négligeable. Une autre méthode généralement utilisée consiste, lors de la conception du démarreur, à dimensionner celui-ci en tenant compte des contraintes d'échauffement. Ainsi, seule la conception du démarreur est alors garante de la non-atteinte des températures limites.
[0006] Le document DE10347683 propose l'inhibition de la fonction « Stop-and-Start », lorsque la température de l'électronique de puissance d'un alterno-démarreur dépasse une valeur seuil. L'électronique de puissance est préférentiellement réalisée via des transistors MOS, utilisés comme éléments semi-conducteurs de commutation. La température des composants électroniques est déterminée via une mesure directe effectuée par un capteur, ou alternativement déduite en fonction d'une température ambiante ou d'une température de liquide de refroidissement, relative à un système de refroidissement de l'alterno-démarreur. Cette technique suppose à la fois de disposer d'un système de refroidissement de l'alterno-démarreur et de connaître sa température associée à tout moment. Une telle situation n'est cependant pas envisageable pour de nombreux démarreurs à faible encombrement, du fait de leurs conceptions.
[0007] L'invention proposée a pour but de remédier aux inconvénients précités.
[0008] Un premier objet est de proposer une méthode permettant de déterminer l'état thermique d'un démarreur sans modification structurelle de ce dernier.
[0009] Un autre objet est de proposer une méthode permettant de déterminer l'état thermique d'un démarreur sans avoir recours à l'installation d'un capteur de température supplémentaire sur le démarreur.
[0010] Un autre objet est de proposer une méthode dynamique de calcul, permettant de déterminer en temps réel l'état thermique du démarreur (à mesure de son évolution), aussi bien lors de son utilisation que lorsqu'il n'est pas activé
[0011] A cet effet, il est proposé, selon un premier aspect, une méthode de prédiction de l'état thermique d'un démarreur configuré pour démarrer un moteur thermique, cette méthode comprenant une étape de calcul de l'état thermique à un deuxième instant du démarreur à partir de l'état thermique à un premier instant du démarreur, le deuxième instant étant ultérieur au premier instant, cette étape de calcul utilisant l'état thermique du moteur thermique et un modèle préétabli de l'état thermique du démarreur, ce modèle préétabli comprenant les pertes thermiques du démarreur à différents états thermique du démarreur, l'état thermique du démarreur au deuxième instant étant obtenu de l'état thermique du démarreur au premier instant de la manière suivante : E(k+1)=AE(k) + BU+C ,
- E(k), E(k+1) étant deux vecteurs de températures décrivant, l'état thermique du démarreur, respectivement, au premier instant k et au deuxième instant ultérieur k+1 ;
- U représente l'état thermique du moteur.
- A est une matrice de la dynamique d'évolution de l'état thermique du démarreur dont les éléments constitutifs sont des inverses de constantes de temps,
- B est un vecteur qui permet de prendre en compte l'état thermique du moteur et dont les éléments constitutifs sont des inverses de constantes de temps,
- C est le produit d'un vecteur dont les éléments constitutifs sont des coefficients thermiques (coeffl, coeff2, coeff3) qui sont fonctions des résistances thermiques et des capacités thermiques du démarreur et d'une variable (iact) indiquant si le démarreur est activé ou désactivé.
[0012] Avantageusement, cette méthode comprend une étape d'initialisation de l'état thermique du démarreur E(k) au premier instant k, en initialisant lors d'un premier démarrage les valeurs de températures de cet état thermique à l'état thermique du moteur thermique.
[0013] Avantageusement, l'état thermique du moteur est déterminé par la température du liquide de refroidissement du moteur thermique.
[0014] Avantageusement, la modélisation des pertes thermiques du démarreur au premier instant est obtenue par une étape de comparaison entre les températures de l'état thermique E(k) au premier instant k et des modèles thermiques préétablis.
[0015] Avantageusement, les températures décrivant l'état thermique du démarreur sont les températures du rotor, du stator et des balais du démarreur.
[0016] Selon un deuxième aspect, il est proposé une unité de traitement informatique comprenant des instructions pour la mise en œuvre de la méthode telle que présentée ci-dessus.
[0017] Selon un troisième aspect, il est proposé un système de prédiction de l'état thermique d'un démarreur configuré pour démarrer un moteur thermique, ce système comprenant des moyens aptes à calculer l'état thermique à un deuxième instant du démarreur à partir de l'état thermique à un premier instant du démarreur, le deuxième instant étant ultérieur au premier instant, cette étape de calcul utilisant l'état thermique du moteur thermique et un modèle préétabli de l'état thermique du démarreur, ce modèle préétabli comprenant les pertes thermiques du démarreur à différents états thermique du démarreur, l'état thermique du démarreur au deuxième instant ultérieur étant obtenu de l'état thermique du démarreur au premier instant de la manière suivante :
E(k+1)=AE(k) + BU+C ,
- E(k), E(k+1) étant deux vecteurs de températures décrivant, l'état thermique du démarreur, respectivement, au premier instant k et au deuxième instant ultérieur k+1 ;
- U représente l'état thermique du moteur.
- A est une matrice de la dynamique d'évolution de l'état thermique du démarreur dont les éléments constitutifs sont des inverses de constantes de temps,
- B est un vecteur qui permet de prendre en compte l'état thermique du moteur et dont les éléments constitutifs sont des inverses de constantes de temps,
- C est le produit d'un vecteur dont les éléments constitutifs sont des coefficients thermiques (coeffl, coeff2, coeff3) qui sont fonctions des résistances thermiques et des capacités thermiques du démarreur et d'une variable (iact) indiquant si le démarreur est activé ou désactivé.
[0018] Avantageusement, ce système comprend des moyens pour initialiser l'état thermique du démarreur E(k) au premier instant k, ces moyens étant aptes à initialiser lors d'un premier démarrage les valeurs de températures de cet état thermique à l'état thermique du moteur thermique, l'état thermique du moteur étant déterminé par la température du liquide de refroidissement du moteur thermique.
[0019] Avantageusement, dans ce système les températures décrivant l'état thermique du démarreur sont les températures du rotor, du stator et des balais du démarreur.
[0020] Selon un quatrième aspect, il est proposé un véhicule automobile, comprenant un système tel que présenté ci-dessus. [0021] D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description de modes de réalisations, faite ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels
- la figure 1 illustre un système de prédiction de l'état thermique d'un démarreur selon un mode de réalisation ;
- la figure 2 illustre un circuit équivalent d'un modèle thermique d'un démarreur selon un mode de réalisation.
[0022] Il est entendu que les modes de réalisations décrits par la suite concernent aussi bien un démarreur, un alterno-démarreur et plus généralement tout dispositif apte à démarrer/redémarrer un moteur thermique d'un véhicule automobile. On distingue ici la prédiction de l'estimation en ce que le calcul d'une grandeur physique est une estimation si ce calcul est comparé à une valeur mesurée pour s'assurer de la corrélation, sinon c'est cela reste une prédiction.
[0023] Sur la figure 1 est représenté un système de prédiction de l'état thermique du démarreur d'un véhicule automobile selon un mode de réalisation. Dans ce système, un premier module 1 comprend un modèle thermique analytique préenregistré dudit démarreur, permettant de décrire, à l'aide d'équations différentielles, le comportement dynamique en températures du démarreur au repos ou lors de son activation, par exemple lors du démarrage ou redémarrage d'un moteur thermique auquel il est associé.
[0024] Avantageusement, le premier module 1 comporte les paramètres d'entrées suivants :
- une information de température relative à l'état thermique du moteur thermique du véhicule. Avantageusement, cette information est la température 101 Tco du liquide de refroidissement du moteur thermique, désignée aussi indifféremment par la suite comme température d'eau du moteur thermique. Cette entrée est un paramètre standard typiquement contrôlé par le système de diagnostic embarqué du véhicule ;
- le statut d'activité du démarreur 102 (éteint ou activé), pouvant à titre d'exemple être fourni par un système de contrôle du véhicule ;
- des températures 103 caractéristiques du démarreur préalablement calculées par un deuxième module 2 dont le fonctionnement est développé plus bas. Les valeurs de températures 103 sont fournies au premier module 1 via une rétroaction provenant du deuxième module 2. Ces valeurs de températures décrivent l'état thermique du démarreur, et sont avantageusement ordonnées sous la forme d'un vecteur.
[0025] Le premier module 1 utilise les paramètres 101, 102, 103 comme entrées du modèle thermique analytique préenregistré du démarreur. Les paramètres caractérisant les équations de ce modèle sont des constantes de temps thermiques et des coefficients fonctions des entrées 101, 102, 103. L'initialisation, puis l'évolution des valeurs de ces paramètres caractéristiques, sont par exemple déterminées via une étape de comparaison avec des tables de mesures thermiques préétablies et/ou des modélisations thermiques préenregistrées de ces paramètres.
[0026] Avantageusement, le premier module 1 utilise les paramètres 101, 102, 103 avec le modèle préenregistré, pour fournir en sortie les dérivées temporelles 104 de différentes températures caractéristiques du démarreur 103. Avantageusement, ces dérivées temporelles sont ordonnées sous la forme d'un vecteur. Ces dérivées temporelles sont alors transmises en entrée du deuxième module 2.
[0027] Avantageusement, le premier module 1 et le deuxième module 2 sont réalisés via un ensemble d'instructions logicielles programmées sur support approprié tel un processeur. Avantageusement, ces modules sont compris dans une unité de traitement informatique tel qu'un calculateur du véhicule automobile.
[0028] Le deuxième module 2 permet l'initialisation des températures du démarreur, ainsi que le calcul à chaque instant des températures 103 caractéristiques du démarreur, par intégration des dérivées temporelles 104 fournies par le premier module 1.
[0029] Avantageusement, le deuxième module 2 comprend les paramètres d'entrées suivants :
- les dérivées temporelles 104 des températures du démarreur.
Avantageusement, ces dérivées se présentent sous la forme d'un vecteur ;
- une durée de veille 105 du calculateur dans lequel sont implémentés les modules 1 et 2. La durée de veille du calculateur, est par exemple calculée sur la base de mesures d'intervalles de temps effectuées via des « timers » ; - l'information de température relative à la température du liquide de refroidissement 101 Tco du moteur thermique. Selon un mode de réalisation, détaillé ultérieurement, l'information 101 Tco est utilisée lors l'initialisation des températures du démarreur, par exemple avant une première exécution du système de prédiction des températures du démarreur.
[0030] Le deuxième module 2 est configuré pour résoudre par intégration, les dérivées temporelles retournées par le premier module 1. Ainsi le deuxième module 2 calcule en fonction de ses paramètres d'entrées 104, 105, 101 les températures 103 instantanées du démarreur. Les températures 103 du démarreur, sont alors mises à disposition en sortie du module 2, avantageusement sous forme d'un vecteur de températures caractéristiques de l'état thermique du démarreur, permettant ainsi
- leur utilisation éventuelle dans une stratégie de gestion du démarreur, par exemple l'autorisation ou l'inhibition de la fonction d'arrêt automatique du moteur thermique en fonction d'une valeur seuil de température préenregistrée ;
- leur réutilisation par le premier module 1 comme paramètres d'entrées, permettant ainsi le calcul des températures du démarreur aux instants suivants.
[0031] En outre, le deuxième module 2 est configuré pour initialiser/reinitialiser les valeurs de températures du démarreur, lors du premier démarrage d'un véhicule et/ou lors d'une phase de redémarrage du moteur thermique du véhicule. Ainsi, selon un mode de réalisation, lors d'un démarrage ou du redémarrage du moteur thermique, le deuxième module 2 initialise/réinitialise les températures 103 caractéristiques de l'état thermique du démarreur à la température d'eau 101 Tco du moteur thermique.
[0032] La figure 2, illustre selon un mode de réalisation, un circuit équivalent d'un modèle thermique du démarreur d'un moteur thermique. Ce modèle considère la température d'eau du moteur thermique 204 Tco et les températures d'éléments caractéristiques constitutifs du démarreur à savoir :
- la température du stator 201 Tstator du démarreur ;
- la température du rotor 202 Trotor du démarreur ;
- la température des balais 203 Tbaiai du démarreur. [0033] Dans ce modèle, le stator, le rotor et les balais du démarreur sont par ailleurs modélisés par les grandeurs suivantes :
- des sources de chaleurs modélisant des pertes énergétiques dans le démarreur
o la puissance thermique du rotor 205 Protor (pertes par frottements secs ou visqueux) ;
o la puissance thermique des balais 206 Pbaiais (pertes magnétiques) ;
o la puissance thermique du stator 207 Pstator (pertes d'énergie par effet Joule) ;
- des capacités thermiques
o capacité thermique du rotor 208 Crotor ;
o capacité thermique des balais 209 Cbaiai ;
o capacité thermique du stator 210 Cstator ;
- des résistances thermiques
o résistance thermique du rotor 211 Rrotor ;
o résistance thermique du stator 212 Rstator- [0034] En outre, des transferts de chaleurs par convection au sein du démarreur sont modélisés par
- une résistance thermique 213 RCOnvi , se rapportant aux transferts de chaleurs dans l'entrefer du démarreur (espace vide entre le rotor et le stator) ;
- une résistance thermique 214 RCOnv2 se rapportant aux transferts de chaleurs entre la culasse du démarreur et le moteur thermique du véhicule.
[0035] A partir du modèle de la figure 2, la dynamique thermique du démarreur peut alors être modélisée par le système d'équations différentielles ci-dessous : τ4 -τ3
Figure imgf000010_0002
Figure imgf000010_0003
où les notations suivantes ont été introduites :
1
■ + - 2 = ^3 = ■ + -
C, R R R convl rotor C R stator R convl R convl
Figure imgf000010_0001
TS = ' - stator lt „ — ' T rotor = - D ^ τ coeff, =^-,coeff2 , Coeff3 et iact = est une variable permettant de distinguer le cas où :
Figure imgf000011_0001
- le démarreur est éteint (non-génération de pertes) : iact=0 ;
- le démarreur est activé (pertes thermiques générées) : iact =1 ;
- T désigne la dérivée de la variableT.
[0036] Avantageusement, le système d'équations différentielles établi ci-dessus, permet d'exprimer les dérivées temporelles des différentes températures 104 caractéristiques du démar en
Figure imgf000011_0002
fonction d'un vecteur de températures 103 caractéristiques
T
démarreur T st préalablement initialisé ou calculé,
T,.
[0037] Ainsi l'implémentation du système d'équations
Figure imgf000011_0004
dans le premier mod ermet d'obtenir en sortie de ce module les dérivées temporelles des températures du rotor, du stator et des
Figure imgf000011_0003
balais, c'est-à-dire des dérivées des températures caractéristiques du démarreur.
[0038] Un premier calcul de ces dérivées, nécessite par ailleurs la connaissance des températures initiales Tstator, Trotor, Tbaiai , dont l'initialisation est décrite dans un mode de réalisation ultérieur. La variable iact est quant à elle déterminée en fonction du statut d'activité du démarreur 102 fournie en entrée du premier module 1 . [0039] Selon divers modes de réalisations, l'ensemble des paramètres ( τν , τ2 , τ3 , τ4 , τ5 τ6 , τΊ , τ& , rotor , stator , coe l , coeff2 , coef3 ) d u modèle équivalent proposé en figure 2, sont identifiés au préalable pour une plage de température du démarreur, par exemple dans l'intervalle [-30°c, +200°C].
[0040] Un certain nombre de ces paramètres, comme les résistances et les capacités thermiques évoluent ensuite dynamiquement en fonction des températures estimées du démarreur. Ainsi on observe les dépendances en températures « f() » suivantes pour :
- les résistances thermiques
R rroott ,oorr =f J J
Figure imgf000012_0001
i ' T stator
R f rotor ' ^stator ^convl f ^ L sstiator ' T co
- les capacités thermiques
C rotor = J f (T rotor ) C balai . = J f ( ^T balai ) C si = J f ( VT stator > )
- les coefficients liés aux pertes, qui dépendent des capacités thermiques
coeff, = f (Trotor) coeff2 = f (Tstator) coeff3 = f (Tbalm)
[0041] Selon divers modes de réalisations, afin d'initialiser ces paramètres, puis de mettre à jour dynamiquement leurs valeurs en fonction des températures estimées dans le démarreur, on utilise des modèles thermiques préenregistrés, et/ou des tables de mesures déterminées à partir de mesures physiques relatives aux températures du démarreur dans différentes conditions d'utilisation.
[0042] En outre, le système d'équations différentielles établi précédemment, régissant les températures Trotor, Tstator, Tbaiai du dx
démarreur peut être mis sous la forme temporelle — = Ax + BU + C
I ro T rotor 2 T rotor "0"
dx
, avec x T sic T stator ,A = T
stator , B = , U= Tco
dt
T balai _ T6 ~τι _ 0 coeffl
et C = coeff2 .iact
coeff3
[0043] Le vecteur U, se rapportant à la température Tco d'eau du moteur thermique, peut alors être ici interprété comme un vecteur de commande de ce système d'équations. [0044] Selon un mode de réalisation, la résolution du système d'équation précédent est effectuée par le deuxième module 2.
On suppose ici, le démarreur éteint : iact=0 =^>C=0. Pour la suite des calculs on note t0 le temps d'initialisation du système et x(t0) le vecteur des températures initiales du démarreur. On suppose de plus la matrice A inversible.
On utilise ici la résolution directe avec second membre :
— = Ax(t) + BU => e-tA— = e-tAAx + e-TABU <=> e~A— = Ae~A x + e~ABU dt dt dt
. -tA . _£ _£ d →i
=> e Ae x = e BU =>— (e x) = e BU
dt dt
On suppose l'intervalle de temps t-t0 suffisamment faible (ex : 100 ms). Ainsi, le vecteur de commande U et la matrice B sont supposés constants et intégrables sur [t0, t]. On intègre alors cette relation sur l'intervalle [t0, t] :
Figure imgf000013_0001
= [- e~tA + e~ a]A~'BU
[0045] Ainsi, après intégration le modèle de prédiction de l'état thermique du démarreur au cours du temps pour iact=0 (démarreur éteint), est calculé par le deuxième module 2 de la manière suivante : x(t) = β('-'")Α x(t0) + (e{t~h)A - I) A~LB U
[0046] De même, si le démarreur est activé, iact=1 et C≠0. En
Un o
notant, B'= [C B] et U'= avec U0=1, on peut alors se ramener
U 71
clx
à la forme classique d'équation différentielle— = A x(t) + B' U' .
dt
[0047] Ainsi, par analogie avec les calculs précédents après intégration le modèle de prédiction de l'état thermique du démarreur au cours du temps pour iact=1 (démarreur activé), est calculé par le deuxième module 2 de la manière suivante :
x(t) = β('-'")Α x(t0 ) + (e{t~h)A - 1) A~lff U'
Cette expression, constitue par ailleurs une généralisation du calcul précédent car pour iact=0, C=0, B'U' = BU et l'on retrouve alors l'expression calculée précédemment. Ainsi selon un mode de réalisation, seule cette dernière expression généralisée est calculée par le deuxième module 2.
[0048] Dans un mode de réalisation simplifié, afin d'alléger les calculs effectués par le deuxième module 2, les équations temporelles du système précédent sont discrétisées selon la méthode d'Euler, sur une période d'échantillonnage Al préalablement définie, par exemple At=100 ms. Les équations discrétisées se présentent alors de la manière suivante :
Ax(k) + BU + C,Vk >0, avec x(k) le
Figure imgf000014_0001
vecteur de températures du démarreur calculé à l'instant k.
[0049] Basé sur les équations discrétisées, le deuxième module 2 calcule alors les températures du démarreur à un instant donné de la manière suivante :
x(k + 1) = x(k) + ( Ax(k) + BU + C).Al, Vk > 0
[0050] De manière générale, suite à l'initialisation par le deuxième module 2 du vecteur des températures x(k) du démarreur, le premier module 1 met à jour son modèle analytique, en recalculant les paramètres/coefficients thermiques des matrices A, B et C. Ces matrices sont mises à jour en fonction de l'évolution de leurs paramètres, estimés par exemple via une étape de comparaison entre des températures du vecteur x(k) et des tables de mesures et/ou des modèles thermiques préétablis, relatifs aux différents paramètres/coefficients thermiques. Le premier module 1 calcule ensuite les dérivées des températures en fonction de la température Tco (matrice U) de l'eau du moteur thermique, c'est-à-dire calcule l'expression Ax(k) + BU + C . Le deuxième module 2 calcule ensuite en fonction du résultat retourné par le premier module 1, un nouveau vecteur de températures x(k+1), selon l'équation précitée. Ainsi, une fois initialisé, le système constitué des modules 1 et 2 fonctionne de manière autonome en boucle fermée, et ce tant que le calculateur utilisé par ce système reste en activité.
[0051] Par ailleurs, il est entendu que les opérations du premier module 1 et du deuxième module 2 sont détaillées séparément afin de faciliter la compréhension. Selon un autre mode de réalisation, les opérations effectuées par le premier module 1 et le deuxième module 2 sont exécutées successivement par un même et unique module. Cet unique module est apte à i n itial iser/calcu 1er un vecteur de températures x(k) à un instant k, mettre à jour les paramètres des matrices A, B et C, puis calculer un nouveau vecteur de températures x(k+1) à l'instant k+1 en fonction des températures du x(k) démarreur initialisées/calculées à l'instant k et de la température Tco(matrice U) de l'eau du moteur.
[0052] L'initialisation des températures du démarreur survient lors d'une première exécution du deuxième module 2 (pour k=0), ou lors d'une réactivation suite à un arrêt de ce module durant une période prolongée déterminée. A titre d'exemple, lorsque le premier module 1 et le deuxième module 2 sont mis en œuvre dans un calculateur, l'arrêt du calculateur durant un intervalle de temps engendre l'arrêt de l'estimation des températures du démarreur. L'estimation des températures du démarreur ne pourra alors être effectuée qu'au prochain réveil du calculateur. Il est donc nécessaire de déterminer les périodes éventuelles de désactivation du calculateur. Avantageusement, l'arrêt du calculateur est effectué durant une période pendant laquelle le démarreur n'est pas activé.
[0053] Selon un mode de réalisation, lors d'un premier démarrage du véhicule, les températures décrivant l'état thermique initial xINI du démarreur sont initialisées par le deuxième module 2, à la valeur de la température d'eau du moteur Tco. On considère en effet qu'à l'arrêt du véhicule survient un équilibre thermique vers lequel converge
T
naturellement la partie sous le capot du véhicule : x = xINI = Tcc
T
[0054] Selon un mode de réalisation, une mémoire non volatile, enregistre
- les valeurs de températures du démarreur calculées à chaque pas de temps par le deuxième module 2 ;
- l'instant tsieep où le calculateur s'arrête et où les dernières valeurs thermiques du démarreur sont calculées ;
- l'instant twake au bout duquel le calculateur est réactivé.
[0055] Ainsi, suite à une désactivation prolongée du calculateur suivie de son réveil, la durée de veille 105 relative au calculateur
Figure imgf000016_0001
est alors facilement calculée et fournie en entrée du deuxième module 2.
[0056] Le deuxième module 2 compare la valeur Atstop par rapport à une valeur seuil prédéterminée Tthreshoid- Avantageusement, la valeur Tthreshoid permet de définir un seuil de temps pour le calcul des températures initiales du démarreur suite à un réveil du calculateur.
[0057] Ainsi si AtstoP> Tthreshoid, on considère que le calculateur est resté endormi durant un temps suffisamment long, pour que les températures du démarreur (non activé) convergent vers la température Tco d'eau du moteur. On initialise/réinitialise alors les températures de
T
l'état thermique initial xINI du démarreur à la valeur Tco : x = xm = Tcc
T
[0058] A l'opposé, si AtstoP≤ Tthreshoid, on considère qu'il ne s'est pas écoulé un temps suffisant pour permettre la convergence des températures du démarreur vers la température Tco d'eau du moteur thermique. Les températures initiales sont alors calculées à partir des dernières températures calculées avant l'arrêt du calculateur, du temps d'arrêt du calculateur Atstop, ainsi que du modèle analytique implémenté dans le premier module 1. Ainsi, lors du redémarrage du calculateur, le deuxième module 2 calcule les températures initiales du démarreur de la manière suivante :
x = x,Ni =x(ksleep) + (Ax(ksleep) + BU + C).At,Vk>0 , où x(ksleep) est le vecteur comprenant les dernières valeurs de températures du démarreur enregistrées avant l'arrêt du calculateur.
[0059] La température Tco d'eau du moteur est donc à la fois utilisée par le premier module 1 pour calculer les dérivées temporelles des températures avec son modèle analytique, et par le deuxième module 2 pour calculer des valeurs de températures initiales pour le démarreur.
[0060] Comme il peut être constaté par observation des équations précédemment décrites, le premier module 1 et le deuxième module 2 utilisent des entrées basées sur des valeurs de températures caractéristiques du démarreur, calculées ou initialisées à un instant antérieur. Ces températures caractéristiques se rapportent ici aux températures du rotor, du stator et des balais du démarreur. [0061] Selon divers modes de réalisations, il est possible d'affiner encore d'avantage la précision du modèle analytique décrivant l'état thermique du démarreur, en tenant compte d'éléments supplémentaires constitutifs du démarreur, par exemple l'électronique de puissance du démarreur. Les pertes thermiques de ces éléments peuvent elles aussi être modélisées, via des puissances thermiques, des capacités thermiques, des résistances thermiques selon un circuit équivalent du même type que celui proposé sur la figure 2.
[0062] L'état thermique du démarreur peut donc aussi être décrit par un vecteur de températures, comprenant d'avantage de températures estimées que le vecteur de températures x(k) précédemment décrit.
[0063] Ainsi, l'état thermique E du démarreur peut, par analogie avec les modes de réalisations précédemment décrits, être calculé de la manière suivante :
E(k+1)=AE(k) + BU+C , avec :
- E(k), E(k+1) des vecteurs de températures décrivant respectivement l'état thermique E du démarreur à un premier instant k, autrement dit l'instant courant et un deuxième instant ultérieur k+1, autrement dit l'instant suivant. L'initialisation/la réinitialisation du vecteur E(k) peut être effectuée selon un des modes de réalisations précédemment décrits, par exemple en initialisant l'ensemble des températures du vecteur E(k) à la température Tco d'eau du moteur thermique ;
U= Tco est une matrice de commande relative à l'état thermique du moteur, ici décrit par la température Tco d'eau du moteur.
- A est une matrice de la dynamique d'évolution de l'état thermique du démarreur dont les éléments constitutifs sont des inverses de constantes de temps,
- B est un vecteur colonne qui permet de prendre en compte dans le calcul de l'état thermique du démarreur, l'état thermique U du moteur et dont les éléments constitutifs sont des inverses de constantes de temps. L'état thermique U du moteur peut être par exemple la température Tco d'eau du moteur thermique,
- et C est le produit d'un un vecteur colonne dont les éléments constitutifs sont des coefficients thermiques, coeffl, coeff2, coeff3, qui sont fonctions des résistances thermiques et des capacités thermiques du démarreur et d'une variable, iact, indiquant si le démarreur est activé ou désactivé. Ici les parties du démarreur prises en compte sont le rotor, le stator et les balais. L'initialisation/révolution des valeurs de ces paramètres sont déterminés en fonction des températures de l'état thermique
E(k), via une étape de comparaison des températures décrivant E(k) avec des tables de mesures et/ou des modèles thermiques préenregistrés relatifs aux constante de temps/coefficients thermiques ;
[0064] Avantageusement, les modes de réalisations précédemment décrits ne font appel à aucun capteur implémenté au niveau du démarreur. Seul l'état thermique du moteur thermique est utilisé comme information en température lors du calcul de l'état thermique du démarreur, la température d'eau du moteur thermique étant un paramètre standard facilement accessible. Ainsi, basé sur l'information de température d'eau du moteur, il est possible de déterminer continuellement la dynamique en température du démarreur et gérer en conséquence son utilisation afin de ne pas atteindre des températures critiques. Il est ainsi possible de limiter les pannes du démarreur, liées principalement à des échauffements trop importants.

Claims

REVENDICATIONS
1. Méthode de prédiction de l'état thermique d'un démarreur configuré pour démarrer un moteur thermique, cette méthode comprenant une étape de calcul de l'état thermique à un deuxième instant du démarreur à partir de l'état thermique à un premier instant du démarreur, le deuxième instant étant ultérieur au premier instant, cette étape de calcul utilisant l'état thermique du moteur thermique et un modèle préétabli de l'état thermique du démarreur, ce modèle préétabli comprenant les pertes thermiques du démarreur à différents états thermique du démarreur, l'état thermique du démarreur au deuxième instant étant obtenu de l'état thermique du démarreur au premier instant de la manière suivante :
E(k+1)=AE(k) + BU+C ,
- E(k), E(k+1) étant deux vecteurs de températures décrivant, l'état thermique du démarreur, respectivement, au premier instant k et au deuxième instant ultérieur k+1 ;
- U représente l'état thermique du moteur.
- A est une matrice de la dynamique d'évolution de l'état thermique du démarreur dont les éléments constitutifs sont des inverses de constantes de temps,
- B est un vecteur qui permet de prendre en compte l'état thermique du moteur et dont les éléments constitutifs sont des inverses de constantes de temps,
- C est le produit d'un vecteur dont les éléments constitutifs sont des coefficients thermiques (coeffl, coeff2, coeff3) qui sont fonctions des résistances thermiques et des capacités thermiques du démarreur et d'une variable (iact) indiquant si le démarreur est activé ou désactivé.
2. Méthode selon la revendication 1, comprenant en outre une étape d'initialisation de l'état thermique du démarreur E(k) au premier instant k, en initialisant lors d'un premier démarrage les valeurs de températures de cet état thermique à l'état thermique du moteur thermique.
3. Méthode selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans laquelle l'état thermique du moteur est déterminé par la température (101) du liquide de refroidissement du moteur thermique.
4. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la modélisation des pertes thermiques du démarreur au premier instant est obtenue par une étape de comparaison entre les températures de l'état thermique E(k) au premier instant k et des modèles thermiques préétablis.
5. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, où les températures décrivant l'état thermique du démarreur sont la température (202) du rotor, la température (201) du stator et la température (203) des balais du démarreur.
6. Unité de traitement informatique comprenant des instructions pour la mise en œuvre de la méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.
7. Système de prédiction de l'état thermique d'un démarreur configuré pour démarrer un moteur thermique, ce système comprenant des moyens aptes à calculer l'état thermique à un deuxième instant du démarreur à partir de l'état thermique à un premier instant du démarreur, le deuxième instant étant ultérieur au premier instant, cette étape de calcul utilisant l'état thermique du moteur thermique et un modèle préétabli de l'état thermique du démarreur, ce modèle préétabli comprenant les pertes thermiques du démarreur à différents états thermique du démarreur, l'état thermique du démarreur au deuxième instant ultérieur étant obtenu de l'état thermique du démarreur au premier instant de la manière suivante :
E(k+1)=AE(k) + BU+C ,
- E(k), E(k+1) étant deux vecteurs de températures décrivant, l'état thermique du démarreur, respectivement, au premier instant k et au deuxième instant ultérieur k+1 ;
- U représente l'état thermique du moteur.
- A est une matrice de la dynamique d'évolution de l'état thermique du démarreur dont les éléments constitutifs sont des inverses de constantes de temps,
- B est un vecteur qui permet de prendre en compte l'état thermique du moteur et dont les éléments constitutifs sont des inverses de constantes de temps,
- C est le produit d'un vecteur dont les éléments constitutifs sont des coefficients thermiques (coeffl, coeff2, coeff3) qui sont fonctions des résistances thermiques et des capacités thermiques du démarreur et d'une variable (iact) indiquant si le démarreur est activé ou désactivé.
8. Système selon la revendication 7, comprenant en outre des moyens pour initialiser l'état thermique du démarreur E(k) au premier instant k, ces moyens étant aptes à initialiser lors d'un premier démarrage les valeurs de températures de cet état thermique à l'état thermique du moteur thermique, l'état thermique du moteur étant déterminé par la température (101) du liquide de refroidissement du moteur thermique.
9. Système selon les revendications 7 ou 8, où les températures décrivant l'état thermique du démarreur sont la température (202) du rotor, la température (201) du stator et la température (203) des balais du démarreur.
10. Véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un système de prédiction de l'état thermique d'un démarreur selon l'une quelconque des revendications 7 à 9.
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