WO2020025611A1 - Machine électrique tournante à dimensionnement optimisé - Google Patents

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WO2020025611A1
WO2020025611A1 PCT/EP2019/070504 EP2019070504W WO2020025611A1 WO 2020025611 A1 WO2020025611 A1 WO 2020025611A1 EP 2019070504 W EP2019070504 W EP 2019070504W WO 2020025611 A1 WO2020025611 A1 WO 2020025611A1
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WO
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maximum
electric machine
power
resistance
losses
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PCT/EP2019/070504
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English (en)
Inventor
Paul Armiroli
Jean-Claude Matt
Original Assignee
Valeo Equipements Electriques Moteur
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    • 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
    • H02P3/00—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters
    • H02P3/06—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter
    • H02P3/08—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter for stopping or slowing a dc motor
    • H02P3/14—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter for stopping or slowing a dc motor by regenerative braking
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L7/00—Electrodynamic brake systems for vehicles in general
    • B60L7/10—Dynamic electric regenerative braking
    • B60L7/16—Dynamic electric regenerative braking for vehicles comprising converters between the power source and the motor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility

Definitions

  • the present invention relates to a rotary electrical machine with optimized dimensioning.
  • the invention is particularly well suited to electric machines having an operating voltage of less than 60 volts and preferably worth 48V.
  • the invention may also be implemented with high voltage electric machines operating at a voltage of the order of 300V.
  • an electric or hybrid type motor vehicle comprises a rotary electric machine integrated in the traction chain, in particular in the gearbox or in the clutch, or installed on one of the trains of the motor vehicle.
  • the electric machine is generally a reversible machine capable of operating in a generator mode to recharge a vehicle battery as well as in an engine mode to ensure traction of the vehicle.
  • Hybrid or recharging vehicles on an external network make it possible to significantly reduce the emission of polluting particles in approval cycles or outside cycles, that is to say in real life. driving of the motor vehicle.
  • the invention aims to optimize the configuration of the electric machine at these operating points in energy recovery mode by adapting the resistance of the electric machine and the associated inverter according to the power of the electric machine.
  • the subject of the invention is an assembly for a motor vehicle comprising:
  • a rotary electric machine capable of operating in an engine mode and in a generator mode, in particular during a braking phase recuperative, said rotary electrical machine comprising a stator provided with N phases having a phase resistance and being intended to be traversed by a maximum phase current, and
  • an associated power inverter having an electrical resistance, characterized in that the sum of the phase resistance and the resistance of the power inverter is proportional to the ratio between the maximum mechanical power divided by the square of the maximum phase current .
  • the sum of the phase resistance and the resistance of the power inverter is substantially equal to the product between 17.5% / N and the ratio between the maximum mechanical power divided by the square of the maximum phase current.
  • a minimum speed of rotation of the rotary electric machine is substantially equal to half the ratio between the maximum mechanical power divided by a maximum torque of the rotary electric machine.
  • maximum electrical losses of the rotary electric machine and of the associated power inverter are less than 35% of the mechanical power of the rotary electric machine at a given speed of rotation.
  • maximum electrical losses of the rotary electric machine and of the associated power inverter are less than 17.5% of the maximum mechanical power of the rotary electric machine.
  • an operating voltage of the rotary electric machine is 48 Volts.
  • the rotary electric machine has a power of between 10 kW and 30 kW.
  • the invention also relates to a motor vehicle characterized in that it comprises an assembly as previously defined.
  • said vehicle is of the electric or hybrid type.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a motor vehicle according to the invention comprising a rotary electrical machine / power inverter assembly according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic representation of the electric power as a function of the torque of the rotary electric machine
  • Figures 3a and 3b are graphical representations showing a range of use of a rotary electric machine of 25kW respectively for a rotation speed of 1500 revolutions / min and 1000 revolutions / min. Identical, similar, or analogous elements retain the same reference from one figure to another.
  • FIG. 1 shows a motor vehicle 10 having a traction chain 1 1 installed on a front axle.
  • This traction chain 1 1 comprises a heat engine 13 coupled to a gearbox 14 by means of a clutch 16.
  • the gearbox 14 is mechanically connected to a differential 17.
  • the traction chain 1 1 is located on the rear axle of the vehicle.
  • a rotary electrical machine 19 may be coupled to the heat engine via a movement transmission device 20, in particular with a belt, or integrated in the gearbox 14, or even integrated in the clutch 16.
  • the electric machine 19 is capable of operating in a generator mode for recharging a vehicle battery as well as in an engine mode for ensuring starting of the thermal engine 13 while the vehicle is at stopping or during a transition from an electric driving mode to a thermal driving mode. This electric machine 19 can also be used to supply energy to the battery during a regenerative braking phase.
  • the electrical machine 19 is connected, via its associated power inverter 21, to a first electrical network 23 to which a battery 24 is also connected.
  • This electrical network 23 has an operating voltage of less than 60 volts.
  • the operating voltage of the electrical network is 48 Volts.
  • Other electrical charges 25 may also be connected to the electrical network 23.
  • the electric machine 19 may have a power between 10 kW and 30 kW and provide a torque between 55Nm and 100Nm depending on its length.
  • the electric machine 19 could for example be of the synchronous type with permanent magnets or with excitation.
  • the cooling circuit of the electric machine 19 may be based on water or oil.
  • the electric machine 19 operates under high voltage, that is to say at a voltage of the order of 300 volts.
  • the electrical network 23 is interfaced with a second low voltage electrical network 27 by means of a DC / DC converter 28.
  • the engine computer as well as electrical consumers 29 of the vehicle of the lighting type, window or seat actuators are connected to the electrical network 27.
  • This electrical network 27 called "on-board network” is associated with a battery 30 having an operating voltage lower than that of the first electrical network 23.
  • the operating voltage of the electrical network 27 is preferably of the order of 12 Volts.
  • the motor vehicle may be of the purely electric type.
  • the objective is to maximize the energy recovered by using the electric machine 19 at its maximum electric output power (cf. FIG. 2).
  • the maximum electric power is strongly influenced by the losses of the electric machine 19 and the inverter 21, which can lead to a decrease in the available output power when the torque increases. This is due to the fact that the mechanical power is proportional to the torque, while the losses increase as the square of the torque.
  • the factor 6 corresponds to an electric machine with 6 phases but it could be replaced by a factor N for a number N of phases.
  • the objective is to obtain the maximum electrical power at maximum torque and to avoid using the machine in the area where the output electrical power decreases when the torque increases.
  • This can be translated by a mathematical rule according to which the electric power Pe (T) must increase in the range of usable torque, which means that the derivative of Pe (T) compared to T must be positive, that is to say d / dT [ Pe (T) j> 0
  • the power losses of the electric machine 19 and of the inverter 21 at the maximum torque must be less than 35% of the mechanical input power, ie a yield of 65% at the maximum torque at a given speed N.
  • the minimum speed proposed to apply the rule is approximately equal to half the speed at which the machine can reach maximum power. By substantially equal is meant that a variation of plus or minus 10% around the target value can be observed.
  • the recommended minimum speed value is derived from the following rule:
  • N 0.5 * (Pmmax / Cmax)
  • the minimum speed can be adapted according to the application.
  • the losses of the electric machine 19 and the inverter 21 at the maximum torque must be less than 17.5% of the maximum mechanical input power.
  • the losses of the electric machine 19 and the inverter 21 are unknown, it is considered that for a system operating at 48V:
  • the losses of the electric machine 19 correspond to 75% of the total losses at low speed and high torque
  • the losses of the inverter 21 correspond to 25% of the total losses at low speed and high torque when the machine operates with a pulsed current of PWM type (Puise Width Modulation).
  • the factor 6 is valid for an electric machine 19 with six phases and could be replaced by a factor N for a machine with N phases.
  • phase resistance Rcp of the electric machine 19 and of the Rinv inverter for a 6-phase machine is therefore provided by the following relation:
  • the resistances must be taken into account at the maximum operating temperature up to which the system generates maximum power.
  • An example of sizing of a 25 kW electric machine is provided below.
  • the total phase resistance of the inverter 21 at a junction temperature of 25 ° C is 1 mOhms.
  • the total phase resistance of the inverter 21 at a junction temperature of 150 ° C is 1.5 mOhms.
  • the data of the electric machine 19 are as follows:
  • the maximum losses of the electric machine 19 having a torque of 80Nm and operating at a temperature of 150 ° C are 4485W.
  • the maximum losses of the inverter 21 at 320Arms and at a temperature of 150 ° C are 922W.
  • a surplus of power between 300 and 400W Watts could be obtained at a torque of 90Nm but this would be accompanied by a large increase in losses (+1, 4kW of losses).
  • the 70% criterion for maximum losses applied in the methodology presented is therefore a value adapted to the application.
  • phase resistances Rcp of the electric machine 19 must be reduced, in accordance with the calculations set out above.

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Abstract

L'invention porte principalement sur un ensemble pour véhicule automobile comportant: - une machine électrique tournante (19) apte à fonctionner dans un mode moteur et dans un mode générateur, notamment au cours d'une phase de freinage récupératif, ladite machine électrique tournante (19) comportant un stator muni de N phases ayant une résistance de phase et étant destinées à être parcourues par un courant de phase maximal, et - un onduleur de puissance (21) associé ayant une résistance électrique, caractérisé en ce que la somme de la résistance de phase et de la résistance de l'onduleur de puissance (21) est proportionnelle au ratio entre la puissance mécanique maximale divisée par le carré du courant de phase maximal.

Description

MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE À DIMENSIONNEMENT OPTIMISÉ
La présente invention porte sur une machine électrique tournante à dimensionnement optimisé. L'invention est particulièrement bien adaptée aux machines électriques ayant une tension de fonctionnement inférieur à 60 Volts et valant de préférence 48V. Toutefois, l'invention pourra également être mise en oeuvre avec des machines électriques haute tension fonctionnant sous une tension de l'ordre de 300V.
De façon connue en soi, un véhicule automobile de type électrique ou hybride comporte une machine électrique tournante intégrée dans la chaîne de traction, notamment dans la boîte de vitesses ou dans l'embrayage, ou implantée sur un des trains du véhicule automobile. La machine électrique est généralement une machine réversible apte à fonctionner dans un mode générateur pour recharger une batterie du véhicule ainsi que dans un mode moteur pour assurer une traction du véhicule.
Les véhicules hybrides ou à rechargement sur un réseau externe (architecture dite "plug-in en anglais) permettent de réduire sensiblement les émissions de particules polluantes dans les cycles d’homologations ou hors des cycles, c'est à dire dans la vraie vie de roulage du véhicule automobile.
Une part importante de ces gains est obtenue en mode de récupération d’énergie lors d'une phase de freinage ou de décélération du véhicule. La phase de récupération d'énergie se produit le plus souvent dans des zones de fonctionnement à basse vitesse et pleine charge de la machine électrique, pour des durées courtes de l’ordre de 5 à 20 secondes.
L’invention vise à optimiser la configuration de la machine électrique sur ces points de fonctionnement en mode de récupération d’énergie en adaptant la résistance de la machine électrique et de l'onduleur associé en fonction de la puissance de la machine électrique.
Plus précisément, l'invention a pour objet un ensemble pour véhicule automobile comportant:
- une machine électrique tournante apte à fonctionner dans un mode moteur et dans un mode générateur, notamment au cours d'une phase de freinage récupératif, ladite machine électrique tournante comportant un stator muni de N phases ayant une résistance de phase et étant destinées à être parcourues par un courant de phase maximal, et
- un onduleur de puissance associé ayant une résistance électrique, caractérisé en ce que la somme de la résistance de phase et de la résistance de l'onduleur de puissance est proportionnelle au ratio entre la puissance mécanique maximale divisée par le carré du courant de phase maximal.
Selon une réalisation, la somme de la résistance de phase et de la résistance de l'onduleur de puissance est sensiblement égale au produit entre 17.5%/N et le ratio entre la puissance mécanique maximale divisée par le carré du courant de phase maximal.
Selon une réalisation, une vitesse de rotation minimale de la machine électrique tournante est sensiblement égale à la moitié du ratio entre la puissance mécanique maximale divisée par un couple maximal de la machine électrique tournante.
Selon une réalisation, des pertes électriques maximales de la machine électrique tournante et de l'onduleur de puissance associé sont inférieures à 35% de la puissance mécanique de la machine électrique tournante à une vitesse de rotation donnée.
Selon une réalisation, des pertes électriques maximales de la machine électrique tournante et de l'onduleur de puissance associé sont inférieures à 17.5% de la puissance mécanique maximale de la machine électrique tournante.
Selon une réalisation, pour dimensionner la machine électrique tournante sans connaître ses pertes, on considère que 75% des pertes totales sont imputables à la machine électrique tournante et 25% des pertes totales sont imputables à l'onduleur de puissance.
Selon une réalisation, une tension de fonctionnement de la machine électrique tournante est de 48 Volts.
Selon une réalisation, la machine électrique tournante présente une puissance comprise entre 10kW et 30kW. L'invention a également pour objet un véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble tel que précédemment défini.
Selon une réalisation ledit véhicule est de type électrique ou hybride.
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 d'un véhicule automobile selon l'invention comportant un ensemble machine électrique tournante/onduleur de puissance selon l'invention; La figure 2 est représentation schématique de la puissance électrique en fonction du couple de la machine électrique tournante;
Les figures 3a et 3b sont des représentations graphiques montrant une plage d'utilisation d'une machine électrique tournante de 25kW respectivement pour une vitesse de rotation de 1500 tours/min et de 1000 tours/min. Les éléments identiques, similaires, ou analogues, conservent la même référence d’une figure à l’autre.
La figure 1 montre un véhicule automobile 10 comportant une chaîne de traction 1 1 implantée sur un train avant. Cette chaîne de traction 1 1 comporte un moteur thermique 13 accouplé à une boîte de vitesses 14 par l'intermédiaire d'un embrayage 16. La boîte de vitesses 14 est reliée mécaniquement à un différentiel 17. En variante, la chaîne de traction 1 1 est implantée sur le train arrière du véhicule.
Une machine électrique tournante 19 pourra être accouplée au moteur thermique via un dispositif 20 de transmission de mouvement, à courroie notamment, ou intégrée dans la boîte de vitesses 14, ou encore intégrée dans l'embrayage 16.
La machine électrique 19 est apte à fonctionner dans un mode générateur pour recharger une batterie du véhicule ainsi que dans un mode moteur pour assurer un démarrage du moteur thermique 13 alors que le véhicule est à l'arrêt ou lors d'une transition d'un mode de roulage électrique vers un mode de roulage thermique. Cette machine électrique 19 pourra également être utilisée pour fournir de l'énergie à la batterie lors d'une phase de freinage récupératif. La machine électrique 19 est connectée, via son onduleur de puissance 21 associé, à un premier réseau électrique 23 sur lequel est également branchée une batterie 24. Ce réseau électrique 23 présente une tension de fonctionnement inférieure à 60 Volts. Avantageusement, la tension de fonctionnement du réseau électrique est de 48 Volts. D'autres charges électriques 25 pourront également être connectées sur le réseau électrique 23.
La machine électrique 19 pourra présenter une puissance comprise entre 10kW et 30kW et fournir un couple compris entre 55Nm et 100Nm en fonction de sa longueur. La machine électrique 19 pourra par exemple être de type synchrone à aimants permanents ou à excitation. Le circuit de refroidissement de la machine électrique 19 pourra être à base d'eau ou d'huile. En variante, on pourra également utiliser une machine électrique 19 de type asynchrone. En variante, la machine électrique 19 fonctionne sous haute tension, c’est-à-dire à une tension de l'ordre de 300 Volts. Le réseau électrique 23 est interfacé avec un deuxième réseau électrique 27 basse tension par l'intermédiaire d'un convertisseur continu/continu 28. Le calculateur moteur ainsi que des consommateurs électriques 29 du véhicule de type éclairage, actionneurs de vitres ou de sièges sont connectés au réseau électrique 27. Ce réseau électrique 27 appelé "réseau de bord" est associé à une batterie 30 présentant une tension de fonctionnement inférieure à celle du premier réseau électrique 23. La tension de fonctionnement du réseau électrique 27 est de préférence de l'ordre de 12 Volts. En variante, le véhicule automobile pourra être de type purement électrique. Lors d'une phase de freinage récupératif, l'objectif est de maximiser l'énergie récupérée en utilisant la machine électrique 19 à sa puissance de sortie électrique maximale (cf. figure 2). A basse vitesse, la puissance électrique maximale est fortement influencée par les pertes de la machine électrique 19 et de l'onduleur 21 , ce qui peut entraîner une diminution de la puissance de sortie disponible lorsque le couple augmente. Ceci est dû au fait que la puissance mécanique est proportionnelle au couple, tandis que les pertes augmentent comme le carré du couple. On décrit ci-après les différentes variables utilisées dans la suite du document:
- Puissance mécanique: Pm exprimée en Watts. Cette puissance est positive lorsque la machine électrique 1 9 fonctionne en mode générateur,
- Puissance mécanique maximale Pmmax exprimée en Watts. Cette puissance est positive lorsque la machine électrique 1 9 fonctionne en mode générateur.
- Puissance électrique Pe exprimée en Watts. Cette puissance est positive lorsque la machine électrique 1 9 fonctionne en mode générateur.
- Résistance de phase Rcp exprimée en Ohms,
- Résistance de l'onduleur Rinv exprimée en Ohms,
- Courant de phase Icp exprimé en Arms,
- Courant de phase maximum Icpmax exprimé en Arms,
- Couple maximum Tmax exprimé en Nm,
- Couple produit T exprimé en Nm,
- Vitesse N de la machine électrique tournante 1 9 exprimée en rad/s,
- Pertes de puissance totales de la machine électrique 1 9 et de l'onduleur 21 PI exprimées en Watts,
- Pertes de puissance totales maximales de la machine électrique 1 9 et de l'onduleur 21 Plmax exprimées en Watts. La puissance électrique Pe en mode générateur peut être calculée comme suit : Pe = Pm - PI
Les pertes sont des pertes résistives en sorte que PI = 6*(Rcp+Rinv)*lcp2 si les pertes de commutation de l'onduleur 21 et les pertes fer de la machine sont négligées. Le facteur 6 correspond à une machine électrique à 6 phases mais il pourrait être remplacé par un facteur N pour un nombre N de phases.
PI = 6*(Rcp+Rinv)* Icp2,
Plmax = 6* (Rcp+Rinv)* lcpmax2, En faisant le rapport entre les deux équations, on obtient la relation suivante: Pl/PImax = (Icp/ lcpmax)A2
Le couple étant proportionnel au courant, on obtient en négligeant la saturation et l'effet de réluctance: (Icp/ Icpmax) = (T/Tmax)
Les pertes peuvent être exprimées de la façon suivante:
PI = Plmax * (T/Tmax)2.
La puissance électrique vaut Pe= Pm - Plmax(T/Tmax)2.
Comme Pm = N*T, on obtient Pe= N*T - Plmax(T/Tmax)2. Par ailleurs, on cherche déterminer les pertes maximales acceptables à basse vitesse, c’est-à-dire à une vitesse inférieure à 2000 tours/min.
L'objectif est d'obtenir la puissance électrique maximale au couple maximal et d'éviter d'utiliser la machine dans la zone où la puissance électrique de sortie diminue lorsque le couple augmente. Ceci peut être traduit par une règle mathématique suivant laquelle la puissance électrique Pe(T) doit croître dans la plage de couple utilisable, ce qui signifie que la dérivée de Pe(T) par rapport à T doit être positive, soit d/dT [Pe(T)j > 0
N - 2*Plmax *T/ Tmax2 >0 Cela doit être vrai jusqu'à Tmax, de sorte que l'on a:
N - 2 *Plmax/Tmax >0 Plmax <((N.Tmax)/2
Comme N.Tmax = Pm (N), on obtient Plmax < Pm(N)*(N)/2. L'objectif est d'obtenir une croissance significative de Pe proche du couple maximum. Par conséquent, la valeur de Plmax doit être significativement plus petite que la valeur de Pmmax. Un coefficient de 70 % sera utilisé pour garantir ce critère. Par conséquent, la règle générique pour s'assurer que le couple de la machine électrique 19 soit utilisable jusqu'au couple maximum en mode de freinage régénératif à la vitesse N est la suivante:
Plmax < 35% * Pm(N)
Autrement dit, les pertes de puissance de la machine électrique 19 et de l'onduleur 21 au couple maximal doivent être inférieures à 35% de la puissance mécanique d'entrée, soit un rendement de 65% au couple maximal à une vitesse donnée N.
Le rendement diminue à basse vitesse. Il est donc important de définir la vitesse minimale à laquelle cette règle doit être appliquée. La vitesse minimale proposée pour appliquer la règle est sensiblement égale à la moitié de la vitesse à laquelle la machine peut atteindre la puissance maximale. Par sensiblement égal, on entend le fait qu'une variation de plus ou moins 10% autour de la valeur cible peut être observée.
Ainsi, la valeur de vitesse minimale recommandée est issue de la règle suivante:
N = 0.5* (Pmmax/Cmax)
Néanmoins, la vitesse minimale pourra être adaptée en fonction de l'application.
En appliquant la valeur de vitesse minimale N = 0.5 * (Pmmax/Cmax) à la règle générique Plmax < 35% * Pm(N), on obtient:
Pm(N) =N* Cmax = 0.5 *(Pmmax/Cmax)*Cmax =1/2*Pmmax
Et Plmax = 35%*1/2*Pmmax =17,5%*Pmmax
On en déduit une règle de rendement à basse vitesse et à couple élevé Plmax < 17,5 % * Pmmax
Autrement dit, les pertes de la machine électrique 19 et de l'onduleur 21 au couple maximal doivent être inférieures à 17,5% de la puissance d'entrée mécanique maximale. Dans le cas où les pertes de la machine électrique 19 et de l'onduleur 21 sont inconnues, on considère que pour un système fonctionnant en 48V:
- les pertes de la machine électrique 19 correspondent à 75% des pertes totales à basse vitesse et couple élevé, et
- les pertes de l'onduleur 21 correspondent à 25% des pertes totales à basse vitesse et couple élevé lorsque la machine fonctionne avec un courant pulsé de type PWM (Puise Width Modulation).
Dans le cas contraire, on utilise les pertes calculées.
On déduit des relations précédentes les pertes maximales autorisées ainsi que les résistances de phase de la machine électrique 19 et de l'onduleur 21 : Plmax < 17,5 % * Pmmax
Plmax = 6* (Rcp+Rinv)* Icpmax2
Le facteur 6 est valable pour une machine électrique 19 à six phases et pourrait être remplacé par un facteur N pour une machine à N phases.
La somme de résistance de phase Rcp de la machine électrique 19 et de l'onduleur Rinv pour une machine à 6 phases est donc fournie par la relation suivante:
(Rcp+Rinv) = (1/N)*17,5%*Pmax / Icpmax2.
Les résistances doivent être prises en compte à la température maximale de fonctionnement jusqu'à laquelle le système génère une puissance maximale. On fournit ci-après un exemple de dimensionnement d'une machine électrique de 25 kW.
On considère les données suivantes: - Température maximale du cuivre de la machine pour une puissance maximale: 150°C,
- Température maximale de jonction des éléments de commutation de l'onduleur 21 : 150°C,
La résistance de phase totale de l'onduleur 21 à une température de jonction de 25°C vaut 1 mOhms.
La résistance de phase totale de l'onduleur 21 à une température de jonction de 150°C vaut 1 ,5 mOhms.
Les données de la machine électrique 19 sont les suivantes:
Tmax=80Nm
Icpmax = 320Arms,
La puissance d'entrée mécanique vaut 25kW/80%=31 ,2kW pour un rendement hypothétique de 80% à 25kW de puissance électrique.
On en déduit pour une machine à 6 phases (de type double triphasé) que la résistance Rcp de phase au neutre vaut:
6*(Rcp+Rinv) = 17,5%*Pmax / Icpmax2,
Rcp =17.5%*Pmax / Icpmax2 - Rinv,
Rcp =(1 /6)*17.5%*31200W / 3202 - 1 5mOhms,
Soit Rcp = 7,3 mOhms pour une température de cuivre Temp maximale valant 150°C,
Rcp = 4.9 mOhms pour une température de cuivre Temp valant 25°C.
Les pertes maximales de la machine électrique 19 ayant un couple de 80Nm et fonctionnant à une température de 150°C sont de 4485W.
Les pertes maximales de l'onduleur 21 à 320Arms et à une température de 150°C sont de 922W.
Les pertes maximales du système à 320Arms et à une température de 150°C sont de 5407W (=17,5 % de 31 ,2 kW).
On vérifie ainsi que pour des pertes totales de 5407W, le rendement à 25kW est de (25/(25+5.4))=82%, ce qui est conforme à l'hypothèse de 80%. Comme on peut le voir sur la figure 3a, pour une machine de 25kW ayant des pertes de puissance totales Plmax valant 5407W et ayant une vitesse de 1500 tours/min, la plage P1 de couple 0-80 Nm peut être exploitée efficacement. La puissance de sortie électrique Pe augmente avec un couple allant jusqu'à 80 Nm. La puissance électrique Pe maximale à 1500tours/min est de 7,7 kW.
Un surplus de puissance compris entre 300 et 400W Watts pourrait être obtenus à un couple de 90Nm mais cela s'accompagnerait d'une forte augmentation des pertes (+1 ,4kW de pertes). Le critère de 70% pour les pertes maximales appliquées dans la méthodologie présentée est donc une valeur adaptée à l'application.
Comme on peut le voir sur la figure 3b, pour une machine de 25kW ayant des pertes de puissance totales Plmax valant 5407W et tournant à une vitesse de 1000 tours/min, le couple maximum précédemment calculé n'est plus exploitable car à 80 N.m, le niveau de puissance de sortie a déjà diminué. Dans ce cas, un couple maximal 50Nm suffit pour optimiser la puissance (cf. plage P2).
Si un couple à hauteur de 80Nm doit être exploité à 1000rpm pour générer la puissance maximale, alors les résistances de phase Rcp de la machine électrique 19 doivent être diminuées, conformément aux calculs exposés précédemment.
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. Ensemble pour véhicule automobile comportant:
- une machine électrique tournante (19) apte à fonctionner dans un mode moteur et dans un mode générateur, notamment au cours d'une phase de freinage récupératif, ladite machine électrique tournante (19) comportant un stator muni de N phases ayant une résistance de phase (Rcp) et étant destinées à être parcourues par un courant de phase maximal (Icpmax), et
- un onduleur de puissance (21 ) associé ayant une résistance électrique (Rinv),
caractérisé en ce que la somme de la résistance de phase (Rcp) et de la résistance (Rinv) de l'onduleur de puissance (21 ) est proportionnelle au ratio entre la puissance mécanique maximale (Pmmax) divisée par le carré du courant de phase maximal (Icpmax).
2. Ensemble selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la somme de la résistance de phase (Rcp) et de la résistance (Rinv) de l'onduleur de puissance (21 ) est sensiblement égale au produit entre 17.5%/N et le ratio entre la puissance mécanique maximale (Pmmax) divisée par le carré du courant de phase maximal (Icpmax).
3. Ensemble selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'une vitesse de rotation minimale (Nmin) de la machine électrique tournante (19) est sensiblement égale à la moitié du ratio entre la puissance mécanique maximale (Pmmax) divisée par un couple maximal (Cmax) de la machine électrique tournante (19).
4. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que des pertes électriques maximales (Plmax) de la machine électrique tournante (19) et de l'onduleur de puissance (21 ) associé sont inférieures à 35% de la puissance mécanique (Pm) de la machine électrique tournante (19) à une vitesse de rotation (N) donnée.
5. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que des pertes électriques maximales (Plmax) de la machine électrique tournante (19) et de l'onduleur de puissance (21 ) associé sont inférieures à 17.5% de la puissance mécanique maximale (Pmmax) de la machine électrique tournante (19).
6. Ensemble selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que, pour dimensionner la machine électrique tournante sans connaître ses pertes, on considère que 75% des pertes totales sont imputables à la machine électrique tournante (19) et 25% des pertes totales sont imputables à l'onduleur de puissance (21 ).
7. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une tension de fonctionnement de la machine électrique tournante (19) est de 48 Volts.
8. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la machine électrique tournante (19) présente une puissance comprise entre 10kW et 30kW.
9. Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes.
10. Véhicule automobile selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est de type électrique ou hybride.
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