WO2019048146A1 - Procédé de protection thermique d'une machine electrique tournante - Google Patents

Procédé de protection thermique d'une machine electrique tournante Download PDF

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WO2019048146A1
WO2019048146A1 PCT/EP2018/071083 EP2018071083W WO2019048146A1 WO 2019048146 A1 WO2019048146 A1 WO 2019048146A1 EP 2018071083 W EP2018071083 W EP 2018071083W WO 2019048146 A1 WO2019048146 A1 WO 2019048146A1
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WO
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temperature
range
thermal
elt
level
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/071083
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English (en)
Inventor
Cyril Granziera
Baptiste GUILLERM
Wilfried Carreiro
Original Assignee
Valeo Equipements Electriques Moteur
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Classifications

    • 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
    • H02P9/48—Arrangements for obtaining a constant output value at varying speed of the generator, e.g. on vehicle
    • 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
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply

Definitions

  • the present invention relates to a method of thermal protection of a rotating electrical machine.
  • the invention finds a particularly advantageous, but not exclusive, application in the field of alternators for motor vehicles.
  • alternator transforms mechanical energy into electrical energy and can be reversible.
  • alternator-starter makes it possible to convert electrical energy into mechanical energy, in particular to start the engine of the vehicle.
  • the invention may also be implemented with an electric motor.
  • an alternator or an alternator-starter comprises a housing and, inside thereof, a rotor, fixed in rotation with a shaft, and a stator which surrounds the rotor with the presence of a gap.
  • the rotor is for example formed of two pole wheels with claws and a core around which is wound an excitation coil.
  • the rotor may comprise a body formed by a stack of sheets of sheets held in package form by means of a suitable fastening system and poles formed for example by permanent magnets housed in cavities in the magnetic mass of the rotor.
  • the stator comprises a body constituted by a stack of thin sheets forming a ring, one face of which is provided with open notches, in particular towards the inside to receive the coil.
  • the winding passes through the notches and forms buns protruding from both sides of the stator body.
  • the phase windings are obtained for example from a continuous wire covered with enamel or from conductive elements in the form of pins connected together by welding.
  • These windings are polyphase windings whose ends corresponding to phase outputs are connected to an electronic control module including a rectifier bridge provided with power modules.
  • These power modules comprise rectifying elements, such as transistors of MOSFET type, and are controlled by a control module.
  • the invention aims to fill this need by proposing a method of thermal protection of a rotating electrical machine, particularly for a motor vehicle, comprising:
  • the invention makes it possible, via the temperature evaluations of the various elements of the rotating electrical machine, to detect overheating as soon as the electric machine exceeds its thermal limits and to protect it by controlling it according to the maximum level of thermal availability determined.
  • the protection of the machine is done globally via a single process that takes into account the temperatures of different elements of the machine.
  • the step of selecting the maximum level allows this global protection taking into account all the elements of the machine at different operating points. Indeed, depending on the operating points of the motor vehicle such as starting or regenerative braking or acceleration, the elements constituting the machine do not heat in the same way from each other, moreover it is not always the same element that heats the most. It is therefore important to be able to adapt the control of the machine according to the temperatures of the components.
  • the thermal availability level of an element can be defined as the thermal capacity of the element.
  • the level of thermal availability indicates the heating state of the element whose temperature has been measured. This calculation of the level of thermal availability makes it possible to provide simplified information to facilitate the control step.
  • the step of controlling the rotating electrical machine comprises a step of transmitting a signal indicating the maximum level of thermal availability to an external engine computer module allowing a general control of the vehicle.
  • a signal indicating the maximum level of thermal availability to an external engine computer module allowing a general control of the vehicle.
  • the engine computer may also decide to limit the regenerative braking or accelerator assistance functions of the engine, when the machine is in engine mode, to prevent the electric machine from reaching its limit performance and thus limit a degraded operation of the latter.
  • the engine computer can anticipate the performance limits of the electric machine.
  • the step of controlling the rotating electrical machine comprises a step of controlling the maximum power supplied by the machine. According to this implementation:
  • the rotating electrical machine is driven in a normal operating mode
  • the operation of said machine is stopped.
  • the third range is greater than the second range which is itself greater than the first range.
  • This second range makes it possible to lower the temperature of the component imposing the maximum level of thermal availability in order to prevent the third range from being reached and thus to avoid a radical cut of the rotating electrical machine.
  • the rotating electrical machine is degradedly controlled by limiting its maximum power and / or mechanical power.
  • the maximum level of supply of current by the latter is limited and, when said machine operates in motor mode, the maximum level of torque transmitted by the machine is limited.
  • the electrical and / or mechanical power of the rotating electrical machine is linearly limited. According to one embodiment, the electrical and / or mechanical power of the rotating electrical machine is limited by means of mapping.
  • the thermal availability levels are expressed in percentages.
  • the temperature is evaluated at least at the level of a control module, a power module, a rotor, and a stator of the rotating electrical machine.
  • the temperature evaluation is performed using a measurement sensor or by estimation using an algorithm.
  • the formula applied to transform the temperature of an element into a level of thermal availability is different as a function of the measured temperature of said element. This helps to hold account of a non-linearity of the evolution of the temperature.
  • the formula applied to transform the temperature of the element into the thermal availability level of said element is that of:
  • the formula applied to transform the temperature of the element into a thermal availability level in the first range corresponding to a normal operating mode is as follows:
  • T elt is the temperature of the element of the electric machine
  • T_deb_lim is the limiting start temperature
  • the formula applied to transform the temperature of the element into a thermal availability level in the second range corresponding to a degraded operating mode is as follows: (T elt - T lim lim) ⁇ / - ⁇ ⁇ ⁇ .
  • - Dispo_th is the level of thermal availability expressed in percent
  • - T_elt is the temperature of the element of the electric machine
  • T_deb_lim is the limiting start temperature
  • X1 is the thermal availability threshold separating the first from the second range
  • X2 is the thermal availability threshold separating the second range from the third range.
  • the thermal availability level of said element is set to a value greater than the thermal availability threshold value separating the second range from the third range.
  • the method comprises, before the selection step, a step of calculating at least one level of thermal availability as a function of an operating mode of the rotating electrical machine and of at least one parameter independent of a temperature.
  • the independent parameter of a temperature can be the phase current or a time notably implemented by means of a timer.
  • the invention also relates to a rotating electrical machine comprising a control module comprising a memory storing software instructions for the implementation of the thermal protection method of the rotating electrical machine, as previously defined.
  • the rotating electrical machine can form an alternator, an alternator-starter, a reversible machine or an electric motor.
  • FIG. 1 is a schematic functional representation of a rotating electrical machine according to the present invention.
  • FIG. 2 is a representation of the various functional blocks implementing the thermal protection method according to the present invention.
  • Figure 3 is a graphical representation of the degradation of the maximum performance of the electric machine according to a thermal availability level of the rotating electrical machine.
  • FIG. 4 is a diagram of the various steps of the thermal protection method of the rotating electrical machine according to the present invention.
  • FIG. 1 schematically shows an alternator-starter 10 implementing the thermal protection method according to the invention.
  • the alternator-starter 10 is intended to be installed in a vehicle comprising an electrical network, also called edge network, connected to a battery Batt.
  • the onboard network may have an operating voltage for example of 12V, 24V, 48V or more.
  • the alternator-starter 10 may operate alternator mode also called generator mode or engine mode including a starter mode, known to those skilled in the art.
  • the alternator-starter may also include other functions such as the regenerative braking function for using the energy of the braking to supply the vehicle's electrical system or the engine assistance function also called "boost".
  • the alternator-starter 10 comprises in particular an electrotechnical part 11, a control module 12 and a power part 13.
  • the electrotechnical part 1 1 comprises an induced element 14 and an inductor element 15.
  • the armature 14 is a stator and the inductor 15 is a rotor.
  • the rotor is a claw rotor comprising an excitation coil 16.
  • the measurement of the angular position as well as the angular velocity of the rotor 15 can be performed by means of analog sensors with hall effect H1, H2, H3 and an associated magnetic target 18 which is integral with the rotor 15.
  • the stator 14 comprises a stator body forming notches through which is wound an electrical winding forming an N number of phases.
  • the stator 14 comprises three phases u, v and w.
  • the number N of phases may be equal to 5 for a pentaphase machine, to 6 for a hexaphase or two-phase type machine or to 7 for a heptaphase machine.
  • the phases of the stator 14 may be coupled in a triangle or star. A combination of triangle and star coupling is also possible.
  • the control module 12 comprises an excitation circuit 121 generating an excitation current which is intended to be injected into the excitation coil 16.
  • the control module 12 further comprises a control circuit 122 comprising, by example a microcontroller, which drives the power modules MP1, MP2, MP3 of the power unit 13 as a function of a control signal from the engine computer 20 and received via a communication means 21 of the CAN ("Controller Area Network") type in English), LIN ("Local Interconnect Network" in English) or other which also manages the notification of thermal availability to the motor control, as is explained in more detail below.
  • CAN Controller Area Network
  • LIN Local Interconnect Network
  • Each power module MP1, MP2, MP3 comprises a first switching element connecting a phase winding u, v, w to the supply voltage B + of the battery Batt when it is conducting and a second switching element connecting this winding of phase u, v, w to ground M when it is blocked.
  • the switching elements used are preferably MOSFET or IGBT type power transistors, the intrinsic diode of which has the characteristic of being bidirectional in current.
  • the control module 12 comprises a memory 123 storing software instructions for the implementation of the thermal protection strategy described below with reference to FIGS. 2 and 4.
  • This method also makes it possible to notify the engine computer 20 the thermal availability of the machine in the form of a percentage and to control the electric machine accordingly.
  • the method comprises a first step 100 of evaluating a plurality of temperatures T_elt_1 -T elt n of different elements of the rotating electrical machine 10.
  • the temperature is evaluated at the level of the control module 12, at least one module of power MP1, ⁇ 2, ⁇ 3, rotor 1 5 and stator 14.
  • a temperature evaluation can be made for each power module.
  • the machine 10 may also include a capacitive block comprising filtering capabilities. An evaluation of the temperature of this capacitive block can also be added.
  • Temperatures assessments can be performed using temperature sensors or estimated using algorithms. For example, the temperature of the rotor and that of the stator are evaluated using a corresponding algorithm. For example, the temperature of the control module and those of the power modules are measured for each module using an associated temperature sensor.
  • This method then comprises a second transformation step 101 T_elt_1 -T temperatures nt recorded in thermal availability levels Dispo_th_1 -Dispo-th-n, respectively.
  • a temperature T elt for each element of the machine 10 is transformed into its corresponding Dispo-th thermal availability level.
  • the control module 122 comprises a first module 23 which receives the evaluated temperatures T elt 1 -T elt n and transforms them into thermal availability levels Available th -Dispo-th-n.
  • this method comprises a third selection step 102 of the maximum level of maximum availability of heat among the thermal availability levels Dispo_th_1 -Dispo-th-n determined in the transformation step 101.
  • This step may also be performed by the first module 23.
  • the method may comprise an additional calculation step 104 of at least one level of thermal availability Dispo_th_A depending on an operating mode of the electric machine rotating and at least one parameter A independent of a temperature.
  • This calculation step is performed before the selection step 102 and can be performed in parallel with the evaluation step 100 and the transformation step 101.
  • the independent parameter of a temperature is the phase current or a time notably implemented by means of a timer.
  • Modes of operation include short-duration modes such as the restart mode, the assistance mode for stopping the engine or the regenerative braking mode.
  • This protection algorithm makes it possible to avoid a too large increase in temperature noted for a part of the machine due mainly to a change in the operating mode of the machine.
  • the maximum level Max availability of thermal availability is chosen from the thermal availability levels Dispo_th_1 -Dispo-th-n determined in the transformation step 101 and the levels of thermal availability.
  • the method comprises a control step 103 of the machine 10 as a function of the maximum level selected in the previous step.
  • This step is performed by the control module 122 and / or the engine computer 20.
  • the control module 122 comprises, in addition to the first module 23, a second module 24 and a third module 25. .
  • the first module 23 manages the maximum level of thermal availability Dispo_max of the electric machine. In addition, this module 23 transmits the maximum level Dispo_max to the engine computer 20 for information. Depending on the range in which this maximum level Max is located, the module 23 transmits a command to the second module 24. As better explained subsequently:
  • the module 23 if the maximum level Dispo_max is in a first range P1, the module 23 does not transmit control to the module 24, - if the maximum level Av max is in a second range P2, the module 23 transmits a degraded operation command in module 24, and
  • the module 23 transmits a stop control of machine functions to the module 24.
  • the second module 24 provides performance management of the machine 10 according to the information provided by the temperature management module 23 and other limitations Lim performance of the electric machine 10 that can affect the control of said machine.
  • these other limitations take into account the rotational speed of the rotor as well as the output voltage supplied by the machine 10.
  • the module 24 then transmits a Lim gen command to third module 25.
  • the module 25 manages the regulation of the machine according to the needs of the engine computer 20 which provides a setpoint Cons and limitation Lim gen information from the module 24 for managing the performance of the electric machine.
  • the machine 10 is then driven according to the internal information provided by the module 24 and external information provided by the engine computer 20.
  • the limitation information provided by the engine ECU may depend on different parameters of the vehicle as well as choices made by the engine. user of said vehicle. For example, if the maximum level Max Max approaches a first threshold value X1 separating the first range P1 from the second range P2, then the motor ECU may decide to limit the use of the machine 10 to avoid reaching the second range P2 degraded operation of the machine. For example, limiting the use of the machine can be done by decreasing the use of the air conditioning of the vehicle.
  • the electrical machine 10 is driven normally, that is to say that no limitation in mechanical or electrical power is applied to it.
  • the electrical machine 10 is degradedly driven.
  • the electric machine 10 is driven in a degraded manner by limiting its maximum power P mel mechanical and / or electrical.
  • the maximum power P mel electrical and / or mechanical rotary electric machine is limited linearly, as shown in the example of Figure 3.
  • the maximum power P mel electrical and / or mechanical machine electrical 10 could be limited by means of mapping establishing a correspondence between a given thermal availability and electrical and / or mechanical power.
  • the formulas applied by the first module 23 for transforming the temperature of an element T elt into a thermal availability level Dispo th depends on the range P1, P2, P3. Before the transformation of the temperature into its thermal availability level, the temperature is compared with threshold values to determine the range concerned and therefore the formula to be applied.
  • the formula of the first range P1 is applied when the temperature T elt of said element is between a first temperature value T1 and a start of functional limitation temperature value Tb lim.
  • the formula of the second range P2 is applied when the temperature T elt of said element is between the starting temperature limit of the functional limitation value T deb lim and a maximum operating temperature value T max of the element.
  • the formula of the third range when the temperature T P3 elt said element is greater than the maximum temperature value T max of use of the element.
  • the formula applied to transform the temperature of the element T elt into the thermal availability level Dispo_th when the temperature T elt is within the first temperature range corresponding to a normal operating mode of the electrical machine 10 is as follows :
  • - T elt is the temperature of the element of the electric machine
  • - T_deb_lim is the limiting start temperature
  • the formula applied to transform the temperature of the element T elt into thermal availability level Dispo_th when the temperature T elt is included in the second temperature range corresponding to a degraded operating mode of the electrical machine 10 is as follows :
  • - Dispo_th is the level of thermal availability expressed as a percentage
  • - T elt is the temperature of the element of the electrical machine
  • T_deb_lim is the limiting start temperature
  • X1 is the thermal availability threshold separating the first range P1 from the second range P2 and
  • X2 is the thermal availability threshold separating the second band P2 from the third band P3.
  • the thermal availability level Dispo_th is a fixed value for which the operation of the rotating electrical machine is cut off.
  • X1 may be a percentage of 100%
  • X2 may be 120%
  • the fixed value of the third may be 121%.
  • the temperature range corresponding to a Dispo_th availability level of between 0% and 100% is between -30 ° C and 230 ° C
  • the temperature range corresponding to a thermal availability level Dispo_th between 101% and 120% is between 230 ° C and 250 ° C
  • the temperature range corresponding to a level of thermal availability Dispo_th greater than 121% is greater than 251 ° C.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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  • Control Of Eletrric Generators (AREA)
  • Protection Of Generators And Motors (AREA)
  • Control Of Electric Motors In General (AREA)

Abstract

L'invention porte principalement sur un procédé de protection thermique d'une machine électrique tournante (10), notamment pour véhicule automobile, comportant : - une étape d'évaluation d'une pluralité de températures de différents éléments (12, 14, 15) de la machine électrique tournante (10), - une étape de transformation de chaque température en niveau de disponibilité thermique, - une étape de sélection du maximum des niveaux de disponibilité thermique, et - une étape de pilotage de la machine électrique tournante (10) en fonction du niveau maximal sélectionné.

Description

PROCÉDÉ DE PROTECTION THERMIQUE D'UNE MACHINE
ELECTRIQUE TOURNANTE
La présente invention porte sur un procédé de protection thermique d'une machine électrique tournante. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, dans le domaine des alternateurs pour véhicules automobiles.
Un tel alternateur transforme de l'énergie mécanique en énergie électrique et peut être réversible. Un alternateur réversible, appelé alterno-démarreur, permet de transformer de l'énergie électrique en énergie mécanique notamment pour démarrer le moteur thermique du véhicule. L'invention pourra également être mise en œuvre avec un moteur électrique.
De façon connue en soi, un alternateur ou un alterno-démarreur comporte un carter et, à l'intérieur de celui-ci, un rotor, solidaire en rotation d'un arbre, et un stator qui entoure le rotor avec présence d'un entrefer. Le rotor est par exemple formé de deux roues polaires à griffes et d'un noyau autour duquel est enroulée une bobine d'excitation. Alternativement, le rotor peut comporter un corps formé par un empilage de feuilles de tôles maintenues sous forme de paquet au moyen d'un système de fixation adapté et des pôles formés par exemple par des aimants permanents logés dans des cavités ménagées dans la masse magnétique du rotor.
Par ailleurs, le stator comporte un corps constitué par un empilage de tôles minces formant une couronne, dont une face est pourvue d'encoches ouvertes notamment vers l'intérieur pour recevoir le bobinage. Le bobinage traverse les encoches et forme des chignons faisant saillie de part et d'autre du corps de stator. Les enroulements de phase sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées entre elles par soudage. Ces enroulements sont des enroulements polyphasés dont les extrémités correspondant à des sorties de phase sont reliées à un module électronique de commande comportant notamment un pont redresseur muni de modules de puissance. Ces modules de puissance comportent des éléments redresseurs, tels que des transistors de type MOSFET, et sont commandés par un module de contrôle.
Dans le but de protéger la machine électrique, il existe le besoin de détecter une surchauffe des différents composants constituant la machine électrique tournante et de protéger thermiquement lesdits composants. L'invention vise à combler ce besoin en proposant un procédé de protection thermique d'une machine électrique tournante, notamment pour véhicule automobile, comportant :
- une étape d'évaluation d'une pluralité de températures de différents éléments de la machine électrique tournante,
- une étape de transformation de chaque température en niveau de disponibilité thermique,
- une étape de sélection du maximum des niveaux de disponibilité thermique et
- une étape de pilotage de la machine électrique tournante en fonction du niveau maximal sélectionné.
L'invention permet, via les évaluations de températures des différents éléments de la machine électrique tournante, de détecter une surchauffe dès que la machine électrique dépasse ses limites thermiques et de la protéger en la commandant en fonction du niveau maximal de disponibilité thermique déterminé. Ainsi, la protection de la machine se fait de manière globale via un seul procédé qui prend en compte les températures de différents éléments de la machine. L'étape de sélection du niveau maximum permet cette protection globale prenant en compte tous les éléments de la machine à différents points de fonctionnement. En effet, en fonction des points de fonctionnement du véhicule automobile tels que le démarrage ou le freinage récupératif ou encore l'accélération, les éléments constituant la machine ne chauffent pas de la même manière les uns des autres, en outre ce n'est pas toujours le même élément qui chauffe le plus. Il est donc important de pouvoir adapter le contrôle de la machine en fonction des températures des composants. Un tel procédé propose une manière simple et fiable de prendre en compte tous ces paramètres pour protéger thermiquement la machine indépendamment des points de fonctionnement du véhicule. La protection thermique de la machine est donc améliorée. Le niveau de disponibilité thermique d'un élément peut être défini comme la capacité thermique de l'élément. Autrement dit, le niveau de disponibilité thermique indique l'état de chauffe de l'élément dont la température a été mesuré. Ce calcul du niveau de disponibilité thermique permet de donner une information simplifiée pour faciliter l'étape de pilotage.
Selon une réalisation, l'étape de pilotage de la machine électrique tournante comporte une étape de transmission d'un signal indiquant le niveau maximum de disponibilité thermique à un module externe de calculateur moteur permettant un contrôle général du véhicule. Cela permet d'avertir le contrôle moteur de l'état thermique de la machine avec un seul signal indiquant un état thermique global de la machine prenant en compte tous les éléments constituant ladite machine. Ainsi, avant d'atteindre les limites thermiques de la machine, un tel procédé permet de fournir, simplement et de manière fiable, au calculateur moteur un état de la disponibilité thermique de la machine électrique. Le calculateur moteur peut alors décider de couper certaines charges du véhicule (autoradio, climatisation...), lorsque la machine est en mode générateur, afin d'éviter que la machine électrique n'atteigne ses performances limites et ainsi limiter un fonctionnement dégradé de cette dernière. Le calculateur moteur peut également décider de limiter les fonctions de freinage récupératif ou d'aide à l'accélération du moteur thermique, lorsque la machine est en mode moteur, afin d'éviter que la machine électrique n'atteigne ses performances limites et ainsi limiter un fonctionnement dégradé de cette dernière. Ainsi, le calculateur moteur peut anticiper les limites de performances de la machine électrique.
Selon une réalisation, l'étape de pilotage de la machine électrique tournante comporte une étape de contrôle de la puissance maximale fournie par la machine. Selon cette mise en œuvre :
- dans le cas où le niveau maximal de disponibilité thermique se situe dans une première plage de niveaux de disponibilité thermique, la machine électrique tournante est pilotée dans un mode de fonctionnement normal,
- dans le cas où le niveau maximal de disponibilité thermique se situe dans une deuxième plage de niveaux de disponibilité thermique, ladite machine est pilotée dans un mode de fonctionnement dégradé,
- dans le cas où le niveau maximal de disponibilité thermique se situe dans une troisième plage de niveaux de disponibilité thermique, le fonctionnement de ladite machine est arrêté. Par exemple, la troisième plage est supérieure à la deuxième plage qui est elle-même supérieure à la première plage.
Cette deuxième plage permet de faire redescendre la température du composant imposant le niveau maximum de disponibilité thermique afin d'éviter que la troisième plage ne soit atteinte et ainsi éviter une coupure radicale de la machine électrique tournante.
Selon une mise en œuvre, la machine électrique tournante est pilotée de façon dégradée en limitant sa puissance maximale électrique et/ou mécanique. L'homme du métier comprendra que, lorsque la machine fonctionne en mode générateur, le niveau maximum de fourniture de courant par cette dernière est limité et, lorsque ladite machine fonctionne en mode moteur, le niveau maximum de couple transmis par la machine est limité.
Selon une mise en œuvre, la puissance électrique et/ou mécanique de la machine électrique tournante est limitée de façon linéaire. Selon une mise en œuvre, la puissance électrique et/ou mécanique de la machine électrique tournante est limitée au moyen d'une cartographie.
Selon une mise en œuvre, les niveaux de disponibilité thermique sont exprimés en pourcents.
Selon une mise en œuvre, la température est évaluée au moins au niveau d'un module de contrôle, d'un module de puissance, d'un rotor, et d'un stator de la machine électrique tournante.
Selon une mise en œuvre, l'évaluation de la température est effectuée à l'aide d'un capteur de mesure ou par estimation à l'aide d'un algorithme.
Selon une mise en œuvre, la formule appliquée pour transformer la température d'un élément en niveau de disponibilité thermique est différente en fonction de la température mesurée dudit élément. Cela permet de tenir compte d'une non-linéarité de l'évolution de la température.
Selon une mise en œuvre, la formule appliquée pour transformer la température de l'élément en niveau de disponibilité thermique dudit élément est celle de :
- la première plage lorsque la température dudit élément est comprise entre une première valeur de température et une valeur de température de début de limitation fonctionnelle ;
- la deuxième plage lorsque la température dudit élément est comprise entre la valeur de température de début de limitation fonctionnelle et une valeur de température maximale d'utilisation de l'élément ;
- la troisième plage lorsque la température dudit élément est supérieure à la valeur de température maximale d'utilisation de l'élément.
Selon une mise en œuvre, la formule appliquée pour transformer la température de l'élément en niveau de disponibilité thermique dans la première plage correspondant à un mode de fonctionnement normal est la suivante :
T elt
Dispo _ th = =^ * 100
T _ deb _ lim dans laquelle :
- Dispo_th est le niveau de disponibilité thermique exprimé en pourcents,
- T elt est la température de l'élément de la machine électrique et
- T_deb_lim est la température de début de limitation.
Selon une mise en œuvre, la formule appliquée pour transformer la température de l'élément en niveau de disponibilité thermique dans la deuxième plage correspondant à un mode de fonctionnement dégradé est la suivante : (T elt - T deb lim) Λ / - ~ ν Λ .
Dispo _ th = X l + ^-^ = = '-τ * (Χ 2 - XI)
(T _ max- T _ deb _ lim) dans laquelle :
- Dispo_th est le niveau de disponibilité thermique exprimé en pourcents, - T_elt est la température de l'élément de la machine électrique,
- T_deb_lim est la température de début de limitation,
- Tjmax est la température maximale d'utilisation de l'élément,
- X1 est le seuil de disponibilité thermique séparant la première de la deuxième plage et
- X2 est le seuil de disponibilité thermique séparant la deuxième plage de la troisième plage.
Selon une mise en œuvre, lorsque la température de l'élément est comprise dans la troisième plage, le niveau de disponibilité thermique dudit élément est fixé à une valeur supérieure à la valeur seuil de disponibilité thermique séparant la deuxième plage de la troisième plage.
Selon une mise en œuvre, le procédé comporte, avant l'étape de sélection, une étape de calcul d'au moins un niveau de disponibilité thermique en fonction d'un mode de fonctionnement de la machine électrique tournante et d'au moins un paramètre indépendant d'une température. Par exemple, le paramètre indépendant d'une température peut être le courant de phase ou encore un temps notamment implémenté au moyen d'un temporisateur.
L'invention a également pour objet une machine électrique tournante comprenant un module de contrôle comportant une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre du procédé de protection thermique de la machine électrique tournante, tel que précédemment défini.
Selon une mise en œuvre, la machine électrique tournante peut former un alternateur, un alterno-démarreur, une machine réversible ou encore un moteur électrique. 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 est une représentation schématique fonctionnelle d'une machine électrique tournante selon la présente invention. La figure 2 est une représentation des différents blocs fonctionnels mettant en œuvre le procédé de protection thermique selon la présente invention. La figure 3 est une représentation graphique de la dégradation des performances maximales de la machine électrique en fonction d'un niveau de disponibilité thermique de la machine électrique tournante.
La figure 4 est un diagramme des différentes étapes du procédé de protection thermique de la machine électrique tournante selon la présente invention.
La figure 1 montre de façon schématique un alterno-démarreur 10 mettant en œuvre le procédé de protection thermique 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 présenter une tension de fonctionnement par exemple de 12V, 24V, 48V ou plus.
L'alterno-démarreur 10 pourra fonctionner en mode alternateur appelé également mode générateur ou en mode moteur comprenant notamment un mode démarreur, connus de l'homme du métier. L'alterno-démarreur peut également comprendre d'autres fonctions telles que la fonction freinage récupératif permettant d'utiliser l'énergie du freinage pour alimenter le réseau de bord du véhicule ou la fonction d'aide au moteur thermique également appelée « boost ». L'alterno-démarreur 10 comprend notamment une partie électrotechnique 1 1 , un module de contrôle 12 et une partie puissance 13.
Plus précisément, la partie électrotechnique 1 1 comprend un élément induit 14 et un élément inducteur 15. Dans un exemple, l'induit 14 est un stator et l'inducteur 15 est un rotor. Par exemple, le rotor est un rotor à griffes comportant une bobine d'excitation 16. La mesure de la position angulaire ainsi que de la vitesse angulaire du rotor 15 pourront être réalisées au moyen de capteurs analogiques à effet hall H1 , H2, H3 et d'une cible magnétique 18 associée qui est solidaire du rotor 15.
Le stator 14 comprend un corps de stator formant des encoches à travers lesquelles est enroulé un bobinage électrique formant un nombre N de phases. Dans l'exemple considéré, le stator 14 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 14 pourront être couplées en triangle ou en étoile. Une combinaison de couplage triangle et étoile est également envisageable.
Le module de contrôle 12 comprend un circuit d'excitation 121 générant un courant d'excitation qui est destiné à être injecté dans la bobine d'excitation 16. Le module de contrôle 12 comprend, en outre, un circuit de contrôle 122, comprenant par exemple un microcontrôleur, qui pilote les modules de puissance MP1 , MP2, MP3 de la partie puissance 13 en fonction d'un signal de commande issu du calculateur moteur 20 et reçu via un moyen de communication 21 de type CAN ("Controller Area Network" en anglais), LIN ("Local Interconnect Network" en anglais) ou autre qui permet également de gérer la notification de disponibilité thermique au contrôle moteur, tel que cela est expliqué plus en détails ci-après.
Chaque module de puissance MP1 , MP2, MP3 comporte un premier élément de commutation 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 reliant cet enroulement de phase u, v, w à la masse M quand il est bloqué. Les éléments de commutation utilisés sont de préférence des transistors de puissance de type MOSFET ou IGBT, dont la diode intrinsèque présente la caractéristique d'être bidirectionnel en courant.
Le module de contrôle 12 comporte une mémoire 123 stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre de la stratégie de protection thermique décrite ci-après en référence avec les figures 2 et 4.
Ce procédé permet également de notifier au calculateur moteur 20 la disponibilité thermique de la machine sous la forme d'un pourcentage et de piloter la machine électrique en conséquence.
Plus précisément, le procédé comporte une première étape 100 d'évaluation d'une pluralité de températures T_elt_1 -T elt n de différents éléments de la machine électrique tournante 10. Suivant une mise en œuvre, on évalue la température au niveau du module de contrôle 12, d'au moins un module de puissance MP1 , ΜΡ2, ΜΡ3, du rotor 1 5 et du stator 14. Par exemple, une évaluation de température peut être faite pour chaque module de puissance. En outre, la machine 10 peut également comporter un bloc capacitif comprenant des capacités de filtrage. Une évaluation de la température de ce bloc capacitif peut également être ajoutée.
Les évaluations de températures peuvent être réalisées à l'aide de capteurs de température ou par estimation à l'aide d'algorithmes. Par exemple, la température du rotor et celle du stator sont évaluées à l'aide d'un algorithme correspondant. Toujours par exemple, la température du module de contrôle et celles des modules de puissances sont mesurées pour chaque module à l'aide d'un capteur de température associé.
Ce procédé comporte ensuite une seconde étape de transformation 101 des températures T_elt_1 -T elt n relevées en niveaux de disponibilité thermique Dispo_th_1 -Dispo-th-n, respectivement. Ainsi, une température T elt pour chaque élément de la machine 10 est transformée en son niveau de disponibilité thermique Dispo-th correspondant. Pour cela, comme illustré par la figure 2, le module de contrôle 122 comporte un premier module 23 qui reçoit les températures évaluées T elt 1 -T elt n et les transforme en niveaux de disponibilité thermique Dispo th l -Dispo-th-n. Puis, ce procédé comporte une troisième étape de sélection 102 du niveau maximum Dispo max de disponibilité thermique parmi les niveaux de disponibilité thermique Dispo_th_1 -Dispo-th-n déterminés à l'étape de transformation 101 . Cette étape peut également être réalisée par le premier module 23. Dans une variante de réalisation, le procédé peut comporter une étape supplémentaire de calcul 104 d'au moins un niveau de disponibilité thermique Dispo_th_A en fonction d'un mode de fonctionnement de la machine électrique tournante et d'au moins un paramètre A indépendant d'une température. Cette étape de calcul est réalisée avant l'étape de sélection 102 et peut être réalisée en parallèle de l'étape d'évaluation 100 et de l'étape de transformation 101 . Par exemple, le paramètre indépendant d'une température est le courant de phase ou un temps notamment implémenté au moyen d'un temporisateur. Les modes de fonctionnement sont notamment des modes de courtes durées tels que le mode de redémarrage, le mode d'aide à l'arrêt du moteur thermique ou encore le mode de freinage récupératif. Cet algorithme de protection permet d'éviter une trop grande augmentation de température relevée pour une partie de la machine due principalement à un changement de mode de fonctionnement de la machine. Dans ce mode, lors de l'étape de sélection 102, le niveau maximum Dispo max de disponibilité thermique est choisi parmi les niveaux de disponibilité thermique Dispo_th_1 -Dispo-th-n déterminés à l'étape de transformation 101 et les niveaux de disponibilité thermique Dispo th A déterminés à l'étape 104.
Enfin, le procédé comporte une étape de pilotage 103 de la machine 10 en fonction du niveau maximal sélectionné à l'étape précédente. Cette étape est réalisée par le module de contrôle 122 et/ou le calculateur moteur 20. Dans cet exemple, pour réaliser cette étape, le module de contrôle 122 comporte, en plus du premier module 23, un deuxième module 24 et un troisième module 25.
Le premier module 23 assure la gestion du niveau maximum de disponibilité thermique Dispo_max de la machine électrique. En outre, ce module 23 transmet le niveau maximum Dispo_max au calculateur moteur 20 à titre d'information. En fonction de la plage dans laquelle se situe ce niveau maximum Dispo max, le module 23 transmet une commande au deuxième module 24. Comme mieux expliqué par la suite :
- si le niveau maximum Dispo_max se situe dans une première plage P1 , le module 23 ne transmet pas de commande au module 24,- si le niveau maximum Dispo max se situe dans une deuxième plage P2, le module 23 transmet une commande de fonctionnement dégradé au module 24, et
- si le niveau maximum Dispo_max se situe dans une troisième plage P3, le module 23 transmet une commande d'arrêt des fonctions de la machine au module 24. Le deuxième module 24 assure une gestion des performances de la machine 10 en fonction de l'information fournie par le module 23 de gestion des températures et des autres limitations Lim de performance de la machine électrique 10 qui peuvent influer sur le pilotage de ladite machine. Par exemple, ces autres limitations prennent en comptent la vitesse de rotation du rotor ainsi que la tension de sortie fournie par la machine 10. Le module 24 transmet alors une commande Lim gen à troisième module 25.
Le module 25 assure une gestion de la régulation de la machine suivant les besoins du calculateur moteur 20 qui fournit une consigne Cons et l'information de limitation Lim gen issue du module 24 de gestion des performances de la machine électrique. La machine 10 est alors pilotée en fonction des informations internes fournies par le module 24 et des informations externes fournies pas le calculateur moteur 20. Les informations de limitation fournies par le calculateur moteur peuvent dépendre de différent paramètre du véhicule ainsi que des choix faits par l'utilisateur dudit véhicule. Par exemple, si le niveau maximum Dispo max approche une première valeur seuil X1 séparant la première plage P1 de la deuxième plage P2, alors le calculateur moteur peut décider de limiter l'utilisation de la machine 10 pour éviter d'atteindre la deuxième plage P2 de fonctionnement dégradé de la machine. Par exemple, la limitation de l'utilisation de la machine peut se faire en diminuant l'utilisation de la climatisation du véhicule.
Comme cela est illustré par la figure 3, dans le cas où le niveau maximal de disponibilité thermique Dispo max se situe dans la première plage P1 de niveaux de disponibilité thermique, la machine électrique 10 est pilotée normalement, c'est-à-dire qu'aucune limitation en puissance mécanique ou électrique ne lui est appliquée.
Dans le cas où le niveau maximal Dispo max de disponibilité thermique se situe dans la deuxième plage P2 de niveaux de disponibilité thermique, la machine électrique 10 est pilotée de façon dégradée. La machine électrique 10 est pilotée de façon dégradée en limitant sa puissance maximum P mel mécanique et/ou électrique. La puissance maximum P mel électrique et/ou mécanique de la machine électrique tournante est limitée de façon linéaire, tel que cela est illustré sur l'exemple de la figure 3. Alternativement, la puissance maximum P mel électrique et/ou mécanique de la machine électrique 10 pourrait être limitée au moyen d'une cartographie établissant une correspondance entre une disponibilité thermique donnée et une puissance électrique et/ou mécanique. Par limitation de la puissance maximum, on entend que la puissance fournie par la machine est diminuée si cette dernière fonctionne à son état de performance maximale. En effet, si la machine ne fonctionne pas à sa puissance maximale, le mode de fonctionnement dégradé n'aura pas nécessairement d'impact sur la puissance fournie par la machine.
Dans le cas où le niveau maximal Dispo max de disponibilité thermique se situe dans la troisième plage P3, la machine électrique 10 ne fonctionne plus, c'est-à-dire que sa puissance fournie électrique ou mécanique est nulle.
Les formules appliquées par le premier module 23 pour transformer la température d'un élément T elt en niveau de disponibilité thermique Dispo th dépend de la plage P1 , P2, P3. Avant la transformation de la température en son niveau de disponibilité thermique, la température est comparée à des valeurs seuils pour déterminer la plage concernée et donc la formule à appliquer. La formule de la première plage P1 est appliquée lorsque la température T elt dudit élément est comprise entre une première valeur de température T1 et une valeur de température de début de limitation fonctionnelle T deb lim. La formule de la deuxième plage P2 est appliquée lorsque la température T elt dudit élément est comprise entre la valeur de température de début de limitation fonctionnelle T deb lim et une valeur de température maximale d'utilisation T max de l'élément. La formule de la troisième plage P3 lorsque la température T elt dudit élément est supérieure à la valeur de température maximale d'utilisation T max de l'élément.
Par exemple, la formule appliquée pour transformer la température de l'élément T elt en niveau de disponibilité thermique Dispo_th lorsque la température T elt est comprise dans la première plage de température correspondant à un mode de fonctionnement normal de la machine électrique 10 est la suivante :
T elt
Dispo _ th = =^ * 100
T _ deb _ lim dans laquelle :
- Dispo_th est le niveau de disponibilité thermique exprimé en pourcents,
- T elt est la température de l'élément de la machine électrique, et - T_deb_lim est la température de début de limitation.
Par exemple, la formule appliquée pour transformer la température de l'élément T elt en niveau de disponibilité thermique Dispo_th lorsque la température T elt est comprise dans la deuxième plage de température correspondant à un mode de fonctionnement dégradé de la machine électrique 10 est la suivante :
(T elt - T deb lim) Λ / - ~ ν Λ .
Dispo _ th = X l + ^ = = '-r * (X 2 - XI)
(Τ _ max - Τ _ deb _ lim) dans laquelle :
- Dispo_th est le niveau de disponibilité thermique exprimé en pourcents, - T elt est la température de l'élément de la machine électrique,
- T_deb_lim est la température de début de limitation,
- Tjmax est la température maximale d'utilisation de l'élément,
- X1 est le seuil de disponibilité thermique séparant la première plage P1 de la deuxième plage P2 et
- X2 est le seuil de disponibilité thermique séparant la deuxième plage P2 de la troisième plage P3.
Par exemple, lorsque la température T elt dépasse la température maximale d'utilisation de l'élément et est comprise dans la troisième plage P3, le niveau de disponibilité thermique Dispo_th est une valeur fixe pour laquelle le fonctionnement de la machine électrique tournante est coupé.
Dans un exemple de réalisation, X1 peut correspondre à un pourcentage de 100%, X2 peut correspondre à un pourcentage de 120% et la valeur fixe de la troisième plage peut être de 121 %. On obtient alors une évolution thermique suivante :
Min Max
Figure imgf000015_0001
Par exemple, si l'on considère le stator de la machine électrique tournante, la plage de température correspondant à un niveau de disponibilité thermique Dispo_th compris entre 0% et 100% (plage P1 ) est comprise entre -30°C et 230°C, la plage de température correspondant à un niveau de disponibilité thermique Dispo_th compris entre 101 % et 120% (plage P2) est comprise entre 230°C et 250°C et la plage de température correspondant à un niveau de disponibilité thermique Dispo_th supérieur à 121 % (plage P3) est supérieure à 251 °C.
Lorsque les fonctions de la machine sont arrêtées car le niveau de disponibilité thermique maximum Dispojmax était dans une plage P3 et que ce dernier diminue et repasse dans la plage P2, la machine recommence à fonctionner avec le mode de fonctionnement dégradé de la plage P2 comme expliqué précédemment. Cette reprise peut être faite en deçà d'une troisième valeur seuil X3 légèrement inférieure à X2 pour créer un phénomène d'hystérésis et éviter que la machine le vacille entre un mode de marche et un mode d'arrêt. En reprenant l'exemple précédent, cette valeur seuil X3 est par exemple égale à 1 18%. 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 protection thermique d'une machine électrique tournante (10), notamment pour véhicule automobile, comportant :
- une étape (100) d'évaluation d'une pluralité de températures (T_elt_1 -T_elt_n) de différents éléments (12, 14, 15) de la machine électrique tournante (10),
- une étape (101 ) de transformation de chaque température en niveau de disponibilité thermique (Dispo_th_1 -Dispo-th-n),
- une étape (102) de sélection du maximum (Dispojmax) des niveaux de disponibilité thermique et
- une étape (103) de pilotage de la machine électrique tournante (10) en fonction du niveau maximal (Dispojmax) sélectionné.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que caractérisé en ce que les niveaux de disponibilité thermique (Dispo_th) sont exprimés en pourcents.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étape de pilotage (103) de la machine électrique tournante (10) comporte une étape de transmission d'un signal indiquant le niveau maximum (Dispojmax) de disponibilité thermique à un module externe de calculateur moteur (20) permettant un contrôle général du véhicule.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que :
- dans le cas où le niveau maximal (Dispojmax) de disponibilité thermique se situe dans une première plage (P1 ) de niveaux de disponibilité thermique, la machine électrique tournante (10) est pilotée dans un mode de fonctionnement normal,
- dans le cas où le niveau maximal (Dispojmax) de disponibilité thermique se situe dans une deuxième plage (P2) de niveaux de disponibilité thermique, ladite machine (10) est pilotée dans un mode de fonctionnement dégradé,
- dans le cas où le niveau maximal (Dispojmax) de disponibilité thermique se situe dans une troisième plage (P3) de niveaux de disponibilité thermique, le fonctionnement de ladite machine (10) est arrêté.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la machine électrique tournante (10) est pilotée de façon dégradée en limitant sa puissance maximale électrique et/ou mécanique.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la puissance électrique et/ou mécanique de la machine électrique tournante
(10) est limitée de façon linéaire.
7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la puissance électrique et/ou mécanique de la machine électrique tournante (10) est limitée au moyen d'une cartographie.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que la formule appliquée pour transformer la température d'un élément (T elt) en niveau de disponibilité thermique (Dispo_th) est différente en fonction de la température mesurée dudit élément.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la formule appliquée pour transformer la température de l'élément en niveau de disponibilité thermique dudit élément est celle de :
- la première plage (P1 ) lorsque la température (T elt) dudit élément est comprise entre une première valeur de température (T1 ) et une valeur de température de début de limitation fonctionnelle (T_deb_lim) ;
- la deuxième plage (P2) lorsque la température (T elt) dudit élément est comprise entre la valeur de température de début de limitation fonctionnelle (T_deb_lim) et une valeur de température maximale d'utilisation (Tjmax) de l'élément ;
- la troisième plage (P3) lorsque la température (T elt) dudit élément est supérieure à la valeur de température maximale d'utilisation (T_max) de l'élément.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la formule appliquée pour transformer la température de l'élément (T elt) en niveau de disponibilité thermique (Dispo_th) dans la première plage correspondant à un mode de fonctionnement normal est la suivante :
T elt
Dispo _ th = =^ * 100
T _ deb _ lim dans laquelle :
- Dispo th est le niveau de disponibilité thermique exprimé en pourcents,
- T elt est la température de l'élément de la machine électrique et - T_deb_lim est la température de début de limitation.
1 1 . Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que la formule appliquée pour transformer la température de l'élément (T elt) en niveau de disponibilité thermique (Dispo_th) dans la deuxième plage correspondant à un mode de fonctionnement dégradé est la suivante : (T elt - T deb lim) Λ / - ~ ν Λ.
Dispo _ th = X\ + = = '-r * (X 2 - XI)
(T _ max - T _ deb _ lim) dans laquelle :
- Dispo th est le niveau de disponibilité thermique exprimé en pourcents,
- T elt est la température de l'élément de la machine électrique,
- T_deb_lim est la température de début de limitation,
- T_max est la température maximale d'utilisation de l'élément,
- X1 est le seuil de disponibilité thermique séparant la première plage (P1 ) de la deuxième plage (P2) et
- X2 est le seuil de disponibilité thermique séparant la deuxième plage
(P2) de la troisième plage (P3).
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 1 1 , caractérisé en ce que lorsque la température (T elt) de l'élément est comprise dans la troisième plage (P3), le niveau de disponibilité thermique (Dispo_th) dudit élément est fixé à une valeur supérieure à la valeur seuil (X2) de disponibilité thermique séparant la deuxième plage (P2) de la troisième plage (P3).
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la température (T elt) est évaluée au moins au niveau d'un module de contrôle (12), d'un module de puissance (MP1 -MP3), d'un rotor (15), et d'un stator (14) de la machine électrique tournante (10).
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte, avant l'étape de sélection (102), une étape de calcul (104) d'au moins un niveau de disponibilité thermique (Dispo_th_A) en fonction d'un mode de fonctionnement de la machine électrique tournante et d'au moins un paramètre (A) indépendant d'une température.
15. Machine électrique tournante comprenant un module de contrôle (12) comportant une mémoire (123) stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre du procédé de protection thermique de la machine (10), tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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