WO2018096282A1 - Procédé de limitation de l'énergie d'avalanche en fin de mode moteur pour un onduleur d'alterno-démarreur par diminution de courant - Google Patents

Procédé de limitation de l'énergie d'avalanche en fin de mode moteur pour un onduleur d'alterno-démarreur par diminution de courant Download PDF

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WO2018096282A1
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WO
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inverter
switching elements
starter
alternator
mls3
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PCT/FR2017/053231
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Gaël BLONDEL
Philippe Masson
Christophe Louise
Jean-Claude Matt
Cyril Granziera
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Valeo Equipements Electriques Moteur
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    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
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    • H02M7/53875—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current with analogue control of three-phase output
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N11/00—Starting of engines by means of electric motors
    • F02N11/04—Starting of engines by means of electric motors the motors being associated with current generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N11/00—Starting of engines by means of electric motors
    • F02N11/08—Circuits or control means specially adapted for starting of engines
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/08—Control of generator circuit during starting or stopping of driving means, e.g. for initiating excitation

Definitions

  • the present invention relates to a method for limiting the avalanche energy at the end of the motor mode for a current-reducing alternator-starter inverter.
  • a three-phase alternator capable of operating as a starter, that is to say an electric motor, is described in the document FR2745445.
  • the converter 1 comprises arms B1, B2, B3 having a first switching element MHS1, MHS2, MHS3 connecting a phase u, v, w to the supply voltage B + of the battery Batt when it is conducting, and a second switching element MLS1, MLS2, MLS3 connecting this phase u, v, w to the ground M when it is conducting.
  • the switching elements MHS1, MHS2, MHS3 belong to the side of the so-called "high” circuit, while the switching elements MLS1, MLS2, MLS3 belong to the side of the so-called “low” circuit.
  • the switching elements used are, for example, MOSFET power transistors, whose intrinsic diode 3 has the characteristic of being bidirectional in current.
  • the avalanche lasts the necessary time tav the inductance of wiring to discharge from this same half of current battery: batt
  • BVdss Vbatt where BVdss is the avalanche voltage of the transistor.
  • the resulting avalanche energy is:
  • the avalanche stops when the current of the machine returns to the battery Batt. The current cut by the transistor MLS3 is therefore:
  • the avalanche lasts:
  • the avalanche energy Eav is then 16 times higher than the worst case avalanche during startup.
  • the avalanche energy can reach 3.8J. This energy can be destructive for the switching elements or will be very restrictive in terms of dimensioning.
  • the invention aims to effectively remedy this disadvantage by proposing a control method of an alternator-starter, comprising:
  • stator comprising a plurality of phases
  • an inverter comprising a plurality of arms electrically connected to the phases, each arm comprising a high switching element and a low switching element,
  • the method comprises a step of decreasing a current of the alternator-starter.
  • the invention thus makes it possible to avoid any deterioration of the switching elements during the avalanche period and also to protect the on-board network from an overvoltage.
  • the high switching elements belong to a high side of the inverter and the low switching elements belong to a low side of the inverter.
  • said method comprises a step of demagnetizing the rotor.
  • the current reduction step comprises a step of demagnetizing the rotor.
  • the demagnetizing step of the rotor is performed by a power failure of the excitation coil, so that the current of the excitation coil is freewheeling.
  • the demagnetizing step of the rotor is performed by applying a negative voltage on the excitation coil. This makes it possible to obtain rapid demagnetization of the rotor excitation coil.
  • said method comprises a step of progressively varying an angle of advance between a control of the inverter and an electromotive force of the alternator-starter up to an angle decreasing the current in the alternator. -starter.
  • said method further comprises:
  • said method comprises a preliminary step consisting of bringing a control angle of the switching elements of the inverter back to 180 °.
  • the method comprises a step of short-circuiting the phases of the stator by closing all of the switching elements of one of the high or low sides of the inverter. This makes it possible to prevent the current of the stator from returning to the energy source, and thus to reduce the avalanche duration as well as to limit or even eliminate the overvoltage on the on-board network.
  • the stator is of the three-phase or three-phase type.
  • stator comprising a plurality of phases
  • the method comprises:
  • the invention thus makes it possible to minimize the voltage of the switching element or elements crossed by the highest current in order to reduce the power dissipated by these switching elements. This prevents the deterioration of the switching elements during the avalanche period.
  • the subject of the invention is a method of controlling an alternator-starter, comprising:
  • stator comprising a plurality of phases
  • an inverter comprising a plurality of arms electrically connected to the phases, each arm comprising a high switching element and a low switching element, the high elements belonging to a high side of the inverter and the low elements belonging to a low side of the inverter;
  • the inverter characterized in that a request to stop torque production by the alternator-starter is required, the method comprises a step of short-circuiting the phases of the stator by closing all the elements switching of one of the high or low sides of the inverter.
  • the invention thus makes it possible to prevent the current of the stator from returning to the energy source, and thus to reduce the avalanche duration as well as to limit or even eliminate the overvoltage on the on-board network.
  • the short-circuiting of one side and the other is alternated. This helps to spread warming in the switching elements.
  • the subject of the invention is a method of controlling an alternator-starter, comprising:
  • stator comprising a plurality of phases
  • said step of preselecting the switching elements to be opened comprises a preliminary step consisting in reducing the control angle of the switching elements of the inverter to 180 °.
  • control module comprising a memory storing software instructions for implementing the method as previously defined.
  • FIG. 1 is an electrical diagram of an alternator-starter inverter
  • FIG. 2a is a graphical representation illustrating the avalanche phenomenon when opening a switching element of the inverter while driving in motor mode
  • Figure 2b is a graphical representation illustrating the avalanche phenomenon during the simultaneous opening of the switching elements of the inverter following a torque production stop request issued by the engine computer;
  • FIG. 3 is a functional schematic representation of the alternator-starter implementing the method of limiting the avalanche effect according to the present invention
  • Figure 4 is a schematic representation of an inverter belonging to the power circuit of the alternator-starter
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a full wave type control with an opening angle of 180 ° generated by the control module of the alternator-starter;
  • Fig. 6 is a time chart showing the advance angle between the full-wave drive and the electromotive force of the alternator-starter
  • FIG. 7 is a functional representation illustrating the control of the switching elements from the angle of advance
  • Figure 8 is a schematic representation of the excitation circuit of the rotor coil
  • FIG. 9 is a graphical representation illustrating the current decrease in the electrical machine during the avalanche duration obtained by implementing the control strategy according to the invention.
  • Figure 10 is a timing diagram illustrating the strategy of opening the switching elements of the majority side following a request to stop torque production
  • FIG. 11 is a graphical representation of the current levels in the inverter when the stator is short-circuited following a request to stop torque production;
  • FIG. 12 is a diagram of the steps of the method according to the invention when all the possible control strategies are implemented successively.
  • Figure 3 shows schematically an alternator-starter 10 according to the invention.
  • the alternator-starter 10 is intended to be installed in a vehicle comprising an electrical network, also called the on-board network, connected to a battery Batt.
  • the onboard network may be 12V, 24V, or 48V.
  • the alternator-starter 10 may operate in alternator mode also called generator mode, or in engine mode comprising a starter mode, known to those skilled in the art.
  • the alternator-starter 10 comprises in particular an electrotechnical part 13, a control module 14, and an inverter 15.
  • the phases of the stator 18 may be coupled in a triangle or star. A combination of triangle and star coupling is also possible.
  • the control module 14 comprises an excitation circuit 141 generating a lex excitation current which is injected into the excitation coil 20, as described in more detail below. The measurement of the excitation current lex can be carried out for example by means of a resistor Rs of shunt type, visible in FIG. 8.
  • the control module 14 further comprises a control circuit 142, comprising for example a microcontroller which controls the inverter 15 as a function of a control signal from the engine control unit 23 and received via a signal connector 24.
  • the control module 14 comprises a memory storing software instructions for the implementation of the control strategies of the inverter 15 described below.
  • the measurement of the angular position P_ang as well as the measurement of the speed angular rotor 19 can be achieved by means of analog sensors Hall effect H1, H2, H3 and an associated magnetic target 25 which is integral in rotation with the rotor 19.
  • the inverter 15 has arms B1, B2, B3.
  • Each arm B1, B2, B3 comprises a first switching element, said element “up”, MHS1, MHS2, MHS3 connecting a phase winding u, v, w to the supply voltage B + of the battery Batt when it is passing.
  • the switching elements MHS1, MHS2, MHS3 belong to the side of the so-called "high” circuit, while the switching elements MLS1, MLS2, MLS3 belong to the side of the so-called "low” circuit.
  • FIG. 5 illustrates a generation of full wave control by the control circuit 142.
  • the circuit 142 alternately controls the up and down switching elements of an arm B1, B2, B3 of the inverter 15 to connect a end of a phase winding u, v, w is at the supply voltage B +, or at the ground M, when the angular position P_ang crosses a first switching angular threshold equal to 0 (modulo 360 °), or a second switching angular threshold of, for example, 180 °.
  • control angle A0 of the switching elements MH81, MH 82, MHS3, MLS1, MLS2, LS3 may be 180 degrees or any other value.
  • the control module 14 drives the machine so as to reduce the current in the inverter 15.
  • the control module 14 controls a demagnetization of the excitation coil 20 of the rotor 19 to reduce the amplitude of the electromotive force (EMF) of the machine. More precisely, as can be seen in FIG.
  • the excitation circuit 141 of the rotor 19 comprises a first branch having two transistors T1, T2 connected between the positive terminal B + of the battery and the ground M, as well as a second branch having a demagnetization diode Ddmag and a third transistor T3.
  • the excitation coil 20 of the rotor 19 is connected on the one hand to a junction point between the transistors T1 and T2, and on the other hand to a junction point between the diode Ddmag and the transistor T3.
  • the current from the positive terminal B + passes through the transistor T1, the excitation coil 20, and the transistor T3 before returning to the ground M.
  • control module 14 controls the demagnetization of the excitation coil 20 in order to lower the amplitude of the electromotive force of the machine. Following a slow demagnetization path represented by the arrows F2, the current flows freely in the excitation coil 20 and in the transistors T2 and T3.
  • the current from the negative terminal passes through the transistor T3, the excitation coil 20, and the demagnetization diode Ddmag electrically connected to the positive terminal B +.
  • the rapid demagnetization of the excitation coil 20 of the rotor 19 is performed by applying a negative voltage on the excitation coil 20.
  • the demagnetization time can be reduced to 40 ms for rapid demagnetization while it lasts about 150ms for conventional freewheel demagnetization.
  • control circuit 142 can gradually vary the advance angle AA between the full-wave control 180 degrees (or less) compared to the electromotive force of the alternator-starter 10 to a decreasing angle the direct current taken by the alternator-starter 10.
  • the advance angle AA is considered to be the phase difference between the stator current Is and the FEM of the machine.
  • Figure 6 illustrates an advance angle offset AA ranging from 0 to 180 degrees in electrical angle.
  • the advance angle AA is preferably controlled between 25 and 90 degrees during the start-up phase of the heat engine, then is reduced to 0 degrees at the end of start to lower the DC current taken by the alternator-starter 10 to the network. of the vehicle.
  • the feed angle AA can be adjusted according to the speed and temperature of the machine.
  • the advance angle AA is added to the angular position P_ang resulting from the angle processing module 30 from the measurements received by the effect sensors H1, H2, H3.
  • the resulting angle is then managed by the control circuit 142 driving the inverter 15.
  • the demagnetization of the rotor 19 and / or the application of an appropriate feed angle AA make it possible to reduce by more than half the current Ibatt relative to the current Ibatt 'that can be observed without decrease in EMF.
  • control module 14 determines the high or low side of the inverter 10 having the most switching elements in the closed state, for example the high side which comprises the closed elements MHS1 and MHS2 in FIG.
  • the previously determined closed switching elements MHS1, MHS2 are then open during the avalanche duration tav, while the MLS3 switching element in the closed state are on the other side of the inverter 15 is maintained in this state.
  • This has the effect of minimizing the voltage V3 of the MLS3 element remained in the closed state, so that even if the Ibatt current flowing through it is high, the power dissipated by this switching element remains low. This prevents the deterioration of the switching elements during the avalanche period tav.
  • the voltages V1 and V2 of the switching elements MHS1, MHS2 become zero at time t2 at the end of the avalanche period tav.
  • the switching element MLS3 is open after the avalanche period at time t3.
  • the duration T1 during which the MLS3 element is kept closed is between 100 microseconds and 2ms.
  • the two three-phase systems will be managed independently to determine the high or low sides having the most switching switching elements MHS1, MHS2, MHS3, MLS1, MLS2, MLS3 before to open them. It will also be possible to perform a so-called "high" short-circuit according to which the switching elements MHS1, MHS2, MHS3 are in a closed state to be on and the switching elements MLS1, MLS2, MLS3 are in an open state.
  • the phases u, v, w are then simultaneously connected to the potential B +.
  • the switching elements MLS1, MLS2, MLS3 are in a closed state and the switching elements MHS1, MHS2, MHS3 are in an open state.
  • the phases u, v, w are then simultaneously connected to the ground potential M.
  • the high and low short circuit states can be alternated in order to distribute the heating elements in the switching elements HS1, MHS2, MHS3, MLS1, MLS2, MLS3.
  • the distribution of the duration of application of the short-circuits may be 50% / 50%, that is to say that the short-circuits high and low are applied for substantially identical durations. In a variant, the application durations of the high and low short circuits are different.
  • the short-circuiting of the stator 18 cancels the currents 11, 12, 13 in the switching elements MHS1, MHS2, MHS3, MLS1, MLS2, MLS3. This thus prevents the stator current 18 from returning to the battery Batt. This limits the overvoltage on the on-board network of the motor vehicle.
  • the duration of establishment T2 of the short circuit of the stator 18 may be greater than 1 ms.
  • control module 14 can control, in a step 101, a demagnetization of the rotor 19 and, in a step 102, a tilting of the advance angle AA to an angle decreasing the DC current taken by the Alternator-starter 10.
  • the control angle AO of the switching elements MHS1, MH82, MHS3, MLS1, ML82, MLS3 of the inverter 10 is reduced to 180 ° in a step 104.
  • control module 14 determines in the step 106 the side of the nozzle 15 having the most switching elements MHS1, MHS2, MHS3, MLS1, MLS2, MLS3 in the closed state to open these switching elements in a step 107.
  • a short-circuit of the stator 18 is then controlled in a step 108, and after a delay step 109, the method finally comprises a step 1 10 of opening all of the switching elements of the inverter 10.
  • the switching elements MHS1, MHS2, MHS3, MLS1, IV1LS2, MLS3 are open when the current of the alternator-starter 10 passes below a predetermined threshold value.
  • the invention has been described with reference to a stator 18 of the three-phase type in order to facilitate understanding thereof. However, the invention is also applicable with a system having any number N of phases.

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Abstract

L'invention porte principalement sur un procédé de commande d'un alterno-démarreur (10), comportant: -un rotor (19) muni d'une bobine d'excitation (20), -un circuit d'excitation (141) de la bobine d'excitation (20) du rotor (19), -un stator (18) comportant une pluralité de phases (u, v, w), -un onduleur (15) comportant une pluralité de bras (B1, B2, B3) reliés électriquement aux phases (u, v, w), chaque bras (B1, B2, B3) comportant un élément de commutation haut et un élément de commutation bas, caractérisé en ce qu'une demande d'arrêt de production de couple par l'alterno-démarreur (10) étant requise, le procédé comporte une étape de diminution du courant de l'alterno-démarreur (10).

Description

PROCÉDÉ DE LIMITATION DE L'ENERGIE D'AVALANCHE EN FIN DE MODE MOTEUR POUR UN ONDULEUR D'ALTERNO-DEMARREUR PAR
DIMINUTION DE COURANT
La présente invention porte sur un procédé de limitation de l'énergie d'avalanche en fin de mode moteur pour un onduleur d'alterno-démarreur par diminution de courant.
Des considérations d'économie d'énergie et de réduction de la pollution, surtout en milieu urbain, conduisent les constructeurs de véhicules automobiles à équiper leurs modèles d'un système de démarrage et d'arrêt automatique du moteur thermique en fonction des conditions de circulation, tel que le système connu sous le terme anglo-saxon de "Stop and Go".
Un alternateur triphasé apte à fonctionner en démarreur, c'est-à-dire en moteur électrique, est décrit dans le document FR2745445.
Comme cela est visible sur la figure 1 , le convertisseur 1 d'un tel alternateur commandé par des séquences de signaux délivrés par une unité de commande est relié à des phases u, v, w du stator 2.
A cet effet, le convertisseur 1 comporte des bras B1 , B2, B3 ayant un premier élément de commutation MHS1 , MHS2, MHS3 reliant une phase u, v, w à la tension d'alimentation B+ de la batterie Batt quand il est passant, et un second élément de commutation MLS1 , MLS2, MLS3 reliant cette phase u, v, w à la masse M quand il est passant. Les éléments de commutation MHS1 , MHS2, MHS3 appartiennent au côté du circuit dit "haut", tandis que les éléments de commutation MLS1 , MLS2, MLS3 appartiennent au côté du circuit dit "bas". Les éléments de commutation utilisés sont par exemple des transistors de puissance de type MOSFET, dont la diode intrinsèque 3 présente la caractéristique d'être bidirectionnelle en courant.
Tel que cela est illustré par la figure 2a, lors de l'ouverture d'un interrupteur en cours de pilotage en mode moteur, par exemple le transistor MHS1 , celui- ci passe en avalanche avec un courant initial 11 =lav correspondant à la moitié du courant batterie Ibatt
. Ibatt
av
L'avalanche dure le temps nécessaire tav à l'inductance de câblage de décharger de cette même moitié de courant batterie : batt
BVdss Vbatt où BVdss est la tension d'avalanche du transistor. L'énergie d'avalanche résultante est :
F = RV —t = - 1 1 2 BVdss
av D v dss 2 av g Ll lbatt βγ y
dss ' batt
Cette valeur d'énergie Eav est utilisée pour dimensionner les éléments de commutation en fiabilité. Par exemple, pour un courant batterie Ibatt de 800A, une tension d'avalanche BVdSs de 30V, une tension batterie Vbatt de 10V, une inductance de câblage L=Lp- + Lp+ de 2uH, l'énergie d'avalanche prise en compte est Eav=0,24J.
Suite à une demande d'arrêt de production de couple par exemple en fin de démarrage du moteur thermique, si tous les éléments de commutation sont ouverts en même temps, on ouvre un élément de commutation, par exemple le transistor MLS3, qui est traversé par un courant I3= lbatt, tel que cela est illustré par la figure 2b. De plus, comme le chemin de roue-libre du stator 2 est interrompu, l'avalanche s'arrête lorsque le courant de la machine retourne vers la batterie Batt. Le courant coupé par le transistor MLS3 vaut donc:
73 = / av = / 'batt
L'avalanche dure :
_ 2LIbatt
BVdss Vbatt L'énergie d'avalanche Eav vue par le transistor le plus stressé vaut alors
Figure imgf000005_0001
BV, dss batt
L'énergie d'avalanche Eav est alors 16 fois plus élevée que l'avalanche pire cas pendant le démarrage. Dans l'exemple précédent, l'énergie d'avalanche peut atteindre 3,8J. Cette énergie peut être destructive pour les éléments de commutation ou sera très contraignante en termes de dimensionnement. L'invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un procédé de commande d'un alterno-démarreur, comportant:
- un rotor muni d'une bobine d'excitation,
- un circuit d'excitation de la bobine d'excitation du rotor,
- un stator comportant une pluralité de phases,
- un onduleur comportant une pluralité de bras reliés électriquement aux phases, chaque bras comportant un élément de commutation haut et un élément de commutation bas,
caractérisé en ce qu'une demande d'arrêt de production de couple par l'alterno-démarreur étant requise, le procédé comporte une étape de diminution d'un courant de l'alterno-démarreur.
L'invention permet ainsi d'éviter toute détérioration des éléments de commutation lors de la période d'avalanche et également de protéger le réseau de bord d'une surtension.
Selon une mise en œuvre, les éléments de commutation haut appartiennent à un coté haut de l'onduleur et les éléments de commutation bas appartiennent à un coté bas de l'onduleur.
Selon une mise en œuvre, ledit procédé comporte une étape de démagnétisation du rotor.
Selon une mise en œuvre, l'étape de diminution de courant comporte une étape de démagnétisation du rotor.
Selon une mise en œuvre, l'étape de démagnétisation du rotor est réalisée par une coupure d'alimentation de la bobine d'excitation, de telle façon que le courant de la bobine d'excitation circule en roue libre. Selon une mise en œuvre, l'étape de démagnétisation du rotor est réalisée par application d'une tension négative sur la bobine d'excitation. Cela permet d'obtenir une démagnétisation rapide de la bobine d'excitation du rotor.
Selon une mise en œuvre, ledit procédé comporte une étape de variation progressive d'un angle d'avance entre une commande de l'onduleur et une force électromotrice de l'alterno-démarreur jusqu'à un angle diminuant le courant dans l'alterno-démarreur.
Selon une mise en œuvre, ledit procédé comporte en outre:
- une étape de détermination d'un des côtés haut ou bas de l'onduleur comportant le plus d'éléments de commutation dans un état fermé,
- une étape d'ouverture des éléments de commutation fermés du côté haut ou bas de l'onduleur préalablement déterminés, et
- une étape de maintien dans un état fermé du ou des éléments de commutation dans l'état fermé qui sont situés de l'autre côté de l'onduleur. Cela permet de minimiser la tension du ou des éléments de commutation restés à l'état fermé, afin de réduire la puissance dissipée par ces éléments de commutation.
Selon une mise en œuvre, ledit procédé comporte une étape préalable consistant à ramener un angle de commande des éléments de commutation de l'onduleur à 180°.
Selon une mise en œuvre, le procédé comporte une étape de mise en court- circuit des phases du stator par fermeture de l'ensemble des éléments de commutation de l'un des côtés haut ou bas de l'onduleur. Cela permet d'éviter que le courant du stator retourne à la source d'énergie, et donc de réduire la durée d'avalanche ainsi que de limiter voire de supprimer la surtension sur le réseau de bord.
Selon une mise en œuvre, la mise en court-circuit d'un côté et de l'autre est alternée. Cela permet de répartir réchauffement dans les éléments de commutation. Selon une mise en œuvre, ledit procédé comporte une étape d'ouverture de l'ensemble des éléments de commutation lorsque le courant de l'alterno- démarreur passe en dessous d'une valeur seuil prédéterminée ou après une durée de temporisation.
Selon une mise en œuvre, le stator est de type triphasé ou double triphasé.
Selon une mise en œuvre, il existe une inductance parasite entre l'onduleur et une source d'énergie électrique supérieure à 500 nH. Cette inductance correspond à la somme des inductances dans le chemin positif et le chemin négatif.
Selon un autre aspect l'invention a pour objet un procédé de commande d'un alterno-démarreur, comportant:
- un rotor muni d'une bobine d'excitation,
- un circuit d'excitation de la bobine d'excitation du rotor,
- un stator comportant une pluralité de phases,
- un onduleur comportant une pluralité de bras reliés électriquement aux phases, chaque bras comportant un élément de commutation haut et un élément de commutation bas, les éléments de commutation haut appartenant à un coté haut de l'onduleur et les éléments de commutation bas appartenant à un coté bas de l'onduleur,
caractérisé en ce qu'une demande d'arrêt de production de couple par l'alterno-démarreur étant requise, le procédé comporte:
- une étape de détermination d'un des côtés haut ou bas de l'onduleur comportant le plus d'éléments de commutation dans un état fermé,
- une étape d'ouverture des éléments de commutation fermés du côté haut ou bas de l'onduleur préalablement déterminés, et
- une étape de maintien dans un état fermé du ou des éléments de commutation dans l'état fermé qui sont situés de l'autre côté de l'onduleur.
L'invention permet ainsi de minimiser la tension du ou des éléments de commutation traversés par le courant le plus élevé afin de réduire la puissance dissipée par ces éléments de commutation. On évite ainsi la détérioration des éléments de commutation au cours de la période d'avalanche.
Selon une mise en œuvre, ledit procédé comporte une étape préalable consistant à ramener l'angle de commande des éléments de commutation de l'onduleur à 180°.
Les caractéristiques précédentes sont applicables seules ou en combinaison avec cette autre aspect de l'invention.
Selon un autre aspect l'invention a pour objet un procédé de commande d'un alterno-démarreur, comportant:
- un rotor muni d'une bobine d'excitation,
- un circuit d'excitation de la bobine d'excitation du rotor,
- un stator comportant une pluralité de phases,
- un onduleur comportant une pluralité de bras reliés électriquement aux phases, chaque bras comportant un élément de commutation haut et un élément de commutation bas, les éléments haut appartenant à un coté haut de l'onduleur et les éléments bas appartenant à un coté bas de l'onduleur, caractérisé en ce qu'une demande d'arrêt de production de couple par l'alterno-démarreur étant requise, le procédé comporte une étape de mise en court-circuit des phases du stator par fermeture de l'ensemble des éléments de commutation de l'un des côtés haut ou bas de l'onduleur.
L'invention permet ainsi d'éviter que le courant du stator retourne à la source d'énergie, et donc de réduire la durée d'avalanche ainsi que de limiter voire de supprimer la surtension sur le réseau de bord. Selon une mise en œuvre, la mise en court-circuit d'un côté et de l'autre est alternée. Cela permet de répartir réchauffement dans les éléments de commutation.
Les caractéristiques précédentes sont applicables seules ou en combinaison avec cette autre aspect de l'invention. Selon un autre aspect l'invention a pour objet un procédé de commande d'un alterno-démarreur, comportant:
- un rotor muni d'une bobine d'excitation,
- un circuit d'excitation de la bobine d'excitation du rotor,
- un stator comportant une pluralité de phases,
- un onduleur comportant une pluralité de bras reliés électriquement aux phases, chaque bras comportant un élément de commutation haut et un élément de commutation bas, les éléments de commutation haut appartenant à un coté haut de l'onduleur et les éléments de commutation bas appartenant à un coté bas de l'onduleur,
caractérisé en ce qu'une demande d'arrêt de production de couple par l'alterno-démarreur étant requise, le procédé comporte une étape de diminution d'un courant de l'alterno-démarreur ou une étape de présélection des éléments de commutation à ouvrir, ladite étape de présélection comportant :
- une étape de détermination d'un des côtés haut ou bas de l'onduleur comportant le plus d'éléments de commutation dans un état fermé,
- une étape d'ouverture des éléments de commutation fermés du côté haut ou bas de l'onduleur préalablement déterminés, et
- une étape de maintien dans un état fermé du ou des éléments de commutation dans l'état fermé qui sont situés de l'autre côté de l'onduleur. Selon une mise en œuvre, ladite étape de présélection des éléments de commutation à ouvrir comporte une étape préalable consistant à ramener l'angle de commande des éléments de commutation de l'onduleur à 180°.
Les caractéristiques précédentes sont applicables seules ou en combinaison avec cette autre aspect de l'invention. Selon un autre aspect l'invention a pour objet un module de contrôle comportant une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre du procédé tel que précédemment défini.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention.
La figure 1 , déjà décrite, est un schéma électrique d'un onduleur d'alterno- démarreur;
La figure 2a, déjà décrite, est une représentation graphique illustrant le phénomène d'avalanche lors de l'ouverture d'un élément de commutation de l'onduleur en cours de pilotage en mode moteur;
La figure 2b, déjà décrite, est une représentation graphique illustrant le phénomène d'avalanche lors de l'ouverture simultanée des éléments de commutation de l'onduleur suite à une demande d'arrêt de production de couple émise par le calculateur moteur;
La figure 3 est une représentation schématique fonctionnelle de l'alterno- démarreur mettant en œuvre le procédé de limitation de l'effet d'avalanche selon la présente invention;
La figure 4 est une représentation schématique d'un onduleur appartenant au circuit de puissance de l'alterno-démarreur;
La figure 5 est un diagramme illustrant une commande de type pleine onde avec angle d'ouverture de 180° générée par le module de commande de l'alterno-démarreur;
La figure 6 est un diagramme temporel représentant l'angle d'avance entre la commande pleine onde et la force électromotrice de l'alterno-démarreur;
La figure 7 est une représentation fonctionnelle illustrant le pilotage des éléments de commutation à partir de l'angle d'avance;
La figure 8 est une représentation schématique du circuit d'excitation de la bobine du rotor;
La figure 9 est une représentation graphique illustrant la diminution de courant dans la machine électrique pendant la durée d'avalanche obtenue grâce à la mise en œuvre de la stratégie de commande selon l'invention;
La figure 10 est un diagramme temporel illustrant la stratégie d'ouverture des éléments de commutation du côté majoritaire suite à une demande d'arrêt de production de couple;
La figure 1 1 est une représentation graphique des niveaux de courant dans l'onduleur lors de la mise en court-circuit du stator suite à une demande d'arrêt de production de couple;
La figure 12 est un diagramme des étapes du procédé selon l'invention lorsque toutes les stratégies de commande possibles sont mises en œuvre successivement. La figure 3 montre de façon schématique un alterno-démarreur 10 selon l'invention. L'alterno-démarreur 10 est destiné à être installé dans un véhicule comportant un réseau électrique, appelé également réseau de bord, connecté à une batterie Batt. Le réseau de bord pourra être de type 12V, 24V, ou 48V.
L'alterno-démarreur 10 pourra fonctionner en mode alternateur appelé également mode générateur, ou en mode moteur comprenant un mode démarreur, connus de l'homme du métier.
L'alterno-démarreur 10 comprend notamment une partie électrotechnique 13, un module de contrôle 14, et un onduleur 15.
Plus précisément, la partie électrotechnique 13 comprend un élément induit 18, et un élément inducteur 19. Dans un exemple, l'induit 18 est le stator, et l'inducteur 19 est un rotor comportant une bobine d'excitation 20. Le stator 18 comprend un nombre N de phases. Dans l'exemple considéré, le stator 18 comporte trois phases u, v et w. En variante, le nombre N de phases pourra être égal à 5 pour une machine pentaphasée, à 6 pour une machine de type hexaphasée ou double triphasée ou à 7 pour une machine heptaphasée.
Les phases du stator 18 pourront être couplées en triangle ou en étoile. Une combinaison de couplage triangle et étoile est également envisageable. Le module de contrôle 14 comprend un circuit d'excitation 141 générant un courant d'excitation lex qui est injecté dans la bobine d'excitation 20, tel que cela est décrit plus en détails ci-après. La mesure du courant d'excitation lex pourra être réalisée par exemple à l'aide d'une résistance Rs de type shunt, visible en figure 8. Le module de contrôle 14 comprend en outre un circuit de contrôle 142, comprenant par exemple un microcontrôleur, qui pilote l'onduleur 15 en fonction d'un signal de commande issu du calculateur moteur 23 et reçu via un connecteur de signal 24. Le module de contrôle 14 comporte une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre des stratégies de pilotage de l'onduleur 15 décrites ci-après.
La mesure de la position angulaire P_ang ainsi que la mesure de la vitesse angulaire du rotor 19 pourront être réalisées au moyen de capteurs analogiques à effet hall H1 , H2, H3 et d'une cible magnétique 25 associée qui est solidaire en rotation du rotor 19.
Comme cela est bien visible sur la figure 4, l'onduleur 15 présente des bras B1 , B2, B3. Chaque bras B1 , B2, B3 comporte un premier élément de commutation, dit élément "haut", MHS1 , MHS2, MHS3 reliant un enroulement de phase u, v, w à la tension d'alimentation B+ de la batterie Batt quand il est passant, et un second élément de commutation, dit élément "bas", MLS1 , MLS2, MLS3 reliant cet enroulement de phase u, v, w à la masse M quand il est passant. Les éléments de commutation MHS1 , MHS2, MHS3 appartiennent au côté du circuit dit "haut", tandis que les éléments de commutation MLS1 , MLS2, MLS3 appartiennent au côté du circuit dit "bas".
Les éléments de commutation MHS1 , MHS2, MHS3, MLS1 , MLS2, MLS3 utilisés sont de préférence des transistors de puissance de type MOSFET, dont la diode intrinsèque 26 présente la caractéristique d'être bidirectionnel en courant.
!l existe une inductance parasite L entre l'onduleur 15 et la batterie Batt supérieure à 500 nH. Cette inductance L correspond à la somme des inductances dans le chemin positif Lp÷ et le chemin négatif Lp-. La Figure 5 illustre une génération de commande pleine onde par le circuit de contrôle 142. Suivant cette commande, le circuit 142 commande alternativement les éléments de commutation haut et bas d'un bras B1 , B2, B3 de l'onduleur 15 pour connecter une extrémité d'un enroulement de phase u, v, w soit à la tension d'alimentation B+, soit à la masse M, quand la position angulaire P_ang franchit un premier seuil angulaire de commutation valant 0 (modulo 360°), ou un second seuil angulaire de commutation valant par exemple 180°. Autrement dit, l'angle de commande AO des éléments de commutation MH81 , M H 82, MHS3, MLS1 , MLS2, LS3 pourra valoir 180 degrés ou toute autre valeur. Conformément à l'invention, suite à une demande d'arrêt de production de couple émise par le calculateur moteur 23, le module de contrôle 14 pilote la machine de manière à diminuer le courant dans l'onduleur 15. A cet effet, le module de contrôle 14 commande une démagnétisation de la bobine d'excitation 20 du rotor 19 pour diminuer l'amplitude de la force électromotrice (FEM) de la machine. Plus précisément, comme on peut le voir sur la figure 8, le circuit d'excitation 141 du rotor 19 comporte une première branche ayant deux transistors T1 , T2 connectés entre la borne positive B+ de la batterie et la masse M, ainsi qu'une deuxième branche ayant une diode de démagnétisation Ddmag et un troisième transistor T3.
La bobine d'excitation 20 du rotor 19 est connectée d'une part à un point de jonction entre les transistors T1 et T2, et d'autre part à un point de jonction entre la diode Ddmag et le transistor T3.
Suivant le chemin de magnétisation représenté par les flèches F1 , le courant issu de la borne positive B+ passe par le transistor T1 , la bobine d'excitation 20, et le transistor T3 avant de retourner à la masse M.
Suite à une demande d'arrêt de production de couple, le module de contrôle 14 pilote la démagnétisation de la bobine d'excitation 20 afin de baisser l'amplitude de la force électromotrice de la machine. Suivant un chemin de démagnétisation lente représenté par les flèches F2, le courant circule en roue libre dans la bobine d'excitation 20 et dans les transistors T2 et T3.
Suivant un chemin de démagnétisation rapide représenté par les flèches F3, le courant issu de la borne négative passe par le transistor T3, la bobine d'excitation 20, et la diode de démagnétisation Ddmag reliée électriquement à la borne positive B+. Autrement dit, la démagnétisation rapide de la bobine d'excitation 20 du rotor 19 est réalisée par application d'une tension négative sur la bobine d'excitation 20. La durée de démagnétisation pourra être réduite à 40ms pour une démagnétisation rapide alors qu'elle dure environ 150ms pour une démagnétisation classique en roue libre.
Par ailleurs, le circuit de contrôle 142 pourra faire varier progressivement l'angle d'avance AA entre la commande pleine onde de 180 degrés (ou moins) par rapport à la force électromotrice de l'alterno-démarreur 10 jusqu'à un angle diminuant le courant continu prélevé par l'alterno-démarreur 10. L'angle d'avance AA est considéré comme étant la différence de phase entre le courant du stator Is et la FEM de la machine. La figure 6 illustre un décalage d'angle AA d'avance allant de 0 à 180 degrés en angle électrique.
L'angle d'avance AA est de préférence piloté entre 25 et 90 degrés pendant la phase de démarrage du moteur thermique, puis est diminuer à 0 degré en fin de démarrage pour baisser le courant continu prélevé par l'alterno- démarreur 10 au réseau de bord du véhicule. L'angle d'avance AA pourra être ajusté en fonction de la vitesse et de la température de la machine.
Comme cela est illustré par la figure 7, l'angle d'avance AA est ajouté à la position angulaire P_ang issue du module de traitement d'angle 30 à partir des mesures reçues par les capteurs à effet H1 , H2, H3. L'angle résultant est ensuite géré par le circuit de contrôle 142 pilotant l'onduleur 15.
Comme on peut le voir sur la figure 9, la démagnétisation du rotor 19 et/ou l'application d'un angle d'avance AA adapté permettent de faire diminuer de plus de la moitié le courant Ibatt par rapport au courant Ibatt' observable sans diminution de la FEM.
Par ailleurs., il est possible de ramener l'angle de commande AO des éléments de commutation MHS1 , MHS2, MHS3, MLS1 , MLS2, MLS3 à 180 degrés. Puis le module de contrôle 14 détermine le côté haut ou bas de l'onduleur 10 comportant le plus d'éléments de commutation à l'état fermé, par exemple le côté haut qui comporte tes éléments fermés MHS1 et MHS2 sur la figure 4.
Comme cela est illustré à la figure 10, à l'instant t1 , les éléments de commutation fermés MHS1 , MHS2 préalablement déterminés sont alors ouverts pendant la durée d'avalanche tav, tandis que l'élément de commutation MLS3 dans l'état fermé qui se situent de l'autre côté de l'onduleur 15 est maintenu dans cet état. Cela a pour effet de minimiser la tension V3 de l'élément MLS3 resté à l'état fermé, de sorte que même si le courant Ibatt qui le traverse est élevé, la puissance dissipée par cet élément de commutation reste faible. On évite ainsi la détérioration des éléments de commutation au cours de la période d'avalanche tav. Les tensions V1 et V2 des éléments de commutation MHS1 , MHS2 deviennent nulles à l'instant t2 à la fin de la période d'avalanche tav.
L'élément de commutation MLS3 est ouvert après la période d'avalanche à l'instant t3. La durée T1 pendant laquelle l'élément MLS3 est maintenu fermé est comprise entre 100 microsecondes et 2ms.
Dans le cas où le stator 18 est de type double triphasé, les deux systèmes triphasés seront gérés de façon indépendante pour déterminer les côtés haut ou bas ayant le plus d'éléments de commutation passants MHS1 , MHS2, MHS3, MLS1 , MLS2, MLS3 avant de les ouvrir. II sera également possible de réaliser un court-circuit dit "haut" suivant lequel les éléments de commutation MHS1 , MHS2, MHS3 sont dans un état fermé pour être passants et les éléments de commutation MLS1 , MLS2, MLS3 sont dans un état ouvert. Les phases u, v, w sont alors connectés simultanément au potentiel B+. En variante, il sera possible de réaliser un court-circuit dit "bas" suivant lequel les éléments de commutation MLS1 , MLS2, MLS3 sont dans un état fermé et les éléments de commutation MHS1 , MHS2, MHS3 sont dans un état ouvert. Les phases u, v, w sont alors connectés simultanément au potentiel de masse M. Les états de court-circuits haut et bas pourront être alternés afin de répartir réchauffement dans les éléments de commutation HS1 , MHS2, MHS3, MLS1 , MLS2, MLS3. La répartition de la durée d'application des court- circuits pourra être de 50%/50%, c'est-à-dire que les court-circuits haut et bas sont appliqués pendant des durées sensiblement identiques. En variante, les durées d'applications des court-circuits haut et bas sont différentes.
Comme on peut le voir sur la figure 1 1 , la mise en court-circuit du stator 18 annule les courants 11 , 12, 13 dans les éléments de commutation MHS1 , MHS2, MHS3, MLS1 , MLS2, MLS3. Cela permet ainsi d'éviter que le courant du stator 18 retourne à la batterie Batt. On limite ainsi la surtension sur le réseau de bord du véhicule automobile. La durée d'établissement T2 du court-circuit du stator 18 pourra être supérieure à 1 ms.
Si les différentes stratégies précédemment décrites (démagnétisation du rotor, basculement de l'angle d'avance AA, sélection de éléments de commutation passants majoritaires, ou mise en court-circuit du stator 18) peuvent être mise en œuvre indépendamment les unes des autres, il sera également possible de les mettre en œuvre de façon combinée, tel que cela est illustré par la figure 12.
Ainsi, le module de contrôle 14 pourra piloter, dans une étape 101 , une démagnétisation du rotor 19 puis, dans une étape 102, un basculement de l'angle d'avance AA jusqu'à un angle diminuant le courant continu prélevé par l'alterno-démarreur 10. Suite à l'étape de temporisation 103, l'angle de commande AO des éléments de commutation MHS1 , MH82, MHS3, MLS1 , ML82, MLS3 de l'onduleur 10 est ramené à 180° dans une étape 104.
Après l'étape de temporisation 105, le module de contrôle 14 détermine dans l'étape 106 le côté de i'onduieur 15 comportant le plus d'éléments de commutation MHS1 , MHS2, MHS3, MLS1 , MLS2, MLS3 à l'état fermé pour ouvrir ces éléments de commutation dans une étape 107.
Un court-circuit du stator 18 est ensuite commandé dans une étape 108, et après une étape de temporisation 109, le procédé comporte finalement une étape 1 10 d'ouverture de l'ensemble des éléments de commutation de l'onduleur 10.
Alternativement, les éléments de commutation MHS1 , MHS2, MHS3, MLS1 , IV1LS2, MLS3 sont ouverts lorsque le courant de l'alterno-démarreur 10 passe en dessous d'une valeur seuil prédéterminée. L'invention a été décrite en référence avec un stator 18 de type triphasé afin d'en faciliter la compréhension. Toutefois, l'invention est également applicable avec un système ayant un nombre N quelconque de phases.
Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents. En outre, les différentes caractéristiques, variantes, et/ou formes de réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de commande d'un alterno-démarreur (10), comportant :
- un rotor (19) muni d'une bobine d'excitation (20),
- un circuit d'excitation (141 ) de la bobine d'excitation (20) du rotor (19),
- un stator (18) comportant une pluralité de phases (u, v, w),
- un onduleur (15) comportant une pluralité de bras (B1 , B2, B3) reliés électriquement aux phases (u, v, w), chaque bras (B1 , B2, B3) comportant un élément de commutation haut (MHS1 , MHS2, MHS3) et un élément de commutation bas (MLS1 , MLS2, MLS3),
caractérisé en ce qu'une demande d'arrêt de production de couple par l'alterno-démarreur (10) étant requise, le procédé comporte une étape de diminution d'un courant de l'alterno-démarreur (10).
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'étape de diminution de courant comporte une étape de démagnétisation du rotor (19).
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape de démagnétisation du rotor (19) est réalisée par une coupure d'alimentation de la bobine d'excitation (20), de telle façon que le courant de la bobine d'excitation (20) circule en roue libre.
4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape de démagnétisation du rotor (19) est réalisée par application d'une tension négative sur la bobine d'excitation (20).
5. Procédé selon l'une quelconque des revendication précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de variation progressive d'un angle d'avance (AA) entre une commande de l'onduleur (15) et une force électromotrice de l'alterno-démarreur (10) jusqu'à un angle diminuant le courant dans l'alterno-démarreur (10).
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédente, les éléments de commutation haut appartenant à un coté haut de l'onduleur et les éléments de commutation bas appartenant à un coté bas de l'onduleur, caractérisé en ce qu'il comporte en outre: - une étape de détermination d'un des côtés haut ou bas de l'onduleur (15) comportant le plus d'éléments de commutation (MHS1 , MHS2, MHS3, MLS1 , MLS2, MLS3) dans un état fermé,
- une étape d'ouverture des éléments de commutation (MHS1 , MHS2, MHS3, MLS1 , MLS2, MLS3) fermés du côté haut ou bas de l'onduleur (15) préalablement déterminés, et
- une étape de maintien dans un état fermé du ou des éléments de commutation dans l'état fermé (MHS1 , MHS2, MHS3, MLS1 , MLS2, MLS3) qui sont situés de l'autre côté de l'onduleur (15).
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte une étape préalable consistant à ramener un angle de commande (AO) des éléments de commutation (MHS1 , MHS2, MHS3, MLS1 , MLS2, MLS3) de l'onduleur (15) à 180°.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le procédé comporte une étape de mise en court- circuit des phases (u, v, w) du stator (18) par fermeture de l'ensemble des éléments de commutation (MHS1 , MHS2, MHS3; MLS1 , MLS2, MLS3) de l'un des côtés haut ou bas de l'onduleur (15).
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'ouverture de l'ensemble des éléments de commutation (MHS1 , MHS2, MHS3, MLS1 , MLS2, MLS3) lorsque le courant de l'alterno-démarreur (10) passe en dessous d'une valeur seuil prédéterminée ou après une durée de temporisation.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le stator (18) est de type triphasé ou double triphasé.
1 1 . Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il existe une inductance parasite entre l'onduleur (15) et une source d'énergie électrique supérieure à 500 nH.
12. Module de contrôle comportant une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre du procédé tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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