WO2020025634A1 - Machine électrique tournante à résistance électrique adaptée - Google Patents

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    • 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
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    • 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 suitable electrical resistance.
  • 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 of the associated inverter according to the internal resistance of the battery.
  • the invention is particularly well suited to electric machines having an operating voltage of 48V, since the electrical resistances of the windings of this type of electric machine are particularly low.
  • the subject of the invention is an assembly for a motor vehicle comprising:
  • a battery comprising an internal resistance
  • a rotating electrical machine associated with a power inverter, the rotating electrical machine and the associated power inverter having equivalent electrical resistance
  • a ratio between the internal resistance of the battery and the equivalent electrical resistance of the rotary electrical machine and the associated power inverter is between 0.8 and 1.2.
  • the ratio between the internal resistance of the battery and the equivalent electrical resistance of the rotary electrical machine and the power inverter is equal to 1.
  • said assembly comprises a second rotating electrical machine associated with a second power inverter, a ratio between the internal resistance of the battery and the equivalent electrical resistance of the two rotating electrical machines and their corresponding power inverters being between 0.8 and 1.2 and is preferably 1.
  • the two rotary electrical machines are electrically connected in series.
  • the two rotating electrical machines are electrically connected in parallel.
  • an electromotive force of the battery is equal to half of a voltage of the battery.
  • 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 internal resistance of the battery is between 20 mOhms and 40 mOhms.
  • the invention also relates to a motor vehicle characterized in that it comprises an assembly as previously defined.
  • a motor vehicle characterized in that it comprises an assembly as previously defined.
  • Figure 1 is a schematic representation of a motor vehicle according to the invention comprising a rotating electrical machine / battery assembly according to the invention
  • Figure 2 is an electrical diagram of connection between the battery and the rotating electrical machine
  • FIG. 3 is a schematic representation of the electric power as a function of the battery current
  • FIGS. 4a and 4b are electrical diagrams of alternative connections for embodiments of the invention to two electrical machines.
  • Figure 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.
  • a rotary electrical machine 19 can be coupled to the internal combustion 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 stopped or during a transition from a electric driving mode towards 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 the 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 electric battery 24 has an internal resistance denoted r, while the electric machine 19 and the associated inverter have an equivalent electric resistance R.
  • the internal resistance r of the battery 24 is for example between 20 mOhms and 40 mOhms.
  • a ratio between the internal resistance r of the battery 24 and the equivalent electrical resistance R of the electric machine 19 and the associated inverter 21 is between 0.8 and 1.2.
  • the ratio between the internal resistance r of the battery 24 and the equivalent electrical resistance R of the electric machine 19 and the inverter 21 is 1.
  • the power P of the battery 24 tends to increase to a maximum and then decrease to zero.
  • the current I in the case where the current I is low, very little power P is recovered during the braking phase.
  • the power P decreases due to the increase in the voltage drop across the internal resistance r.
  • An intermediate current Imax makes it possible to optimize the power of the battery 24.
  • R being the equivalent electrical resistance of the electrical machine 19, in particular the winding and of the associated inverter 21, and
  • the second rotating electric machine 19 ′ may for example be installed on the rear axle of the vehicle.
  • a ratio between the internal resistance r of the battery 24 and the equivalent electrical resistance of the two electric machines 19, 19 'and their corresponding inverters 21, 21' is between 0.8 and 1.2. And is preferably 1.
  • the two electrical machines 19, 19 ' can be electrically connected in series.
  • the two electric machines 19, 19 ′ can be electrically connected in parallel.
  • the equivalent resistance Requ of the two electric machines 19, 19 'and their inverters 21, 21' is equal to

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Abstract

L'invention porte principalement sur un ensemble pour véhicule automobile comportant: - une batterie (24) comportant une résistance interne (r), et - au moins une machine électrique tournante (19) associée à un onduleur de puissance (21), la machine électrique tournante (19) et l'onduleur de puissance (21) associé ayant une résistance électrique équivalente (R), caractérisé en ce qu'un ratio entre la résistance interne (r) de la batterie (24) et la résistance électrique équivalente (R) de la machine électrique tournante (19) et de l'onduleur de puissance (21) associé est compris entre 0.8 et 1.2.

Description

MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE À RÉSISTANCE
ÉLECTRIQUE ADAPTÉE
La présente invention porte sur une machine électrique tournante à résistance électrique adaptée.
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 résistance interne de la batterie. L'invention est particulièrement bien adaptée aux machines électriques ayant une tension de fonctionnement de 48V, dans la mesure où les résistances électriques des bobinages de ce type de machines électriques sont particulièrement faibles.
Plus précisément, l'invention a pour objet un ensemble pour véhicule automobile comportant:
- une batterie comportant une résistance interne, et - au moins une machine électrique tournante associée à un onduleur de puissance, la machine électrique tournante et l'onduleur de puissance associé ayant une résistance électrique équivalente,
caractérisé en ce qu'un ratio entre la résistance interne de la batterie et la résistance électrique équivalente de la machine électrique tournante et de l'onduleur de puissance associé est compris entre 0.8 et 1.2.
Selon une réalisation, le ratio entre la résistance interne de la batterie et la résistance électrique équivalente de la machine électrique tournante et de l'onduleur de puissance vaut 1.
Selon une réalisation, ledit ensemble comporte une deuxième machine électrique tournante associée à un deuxième onduleur de puissance, un ratio entre la résistance interne de la batterie et la résistance électrique équivalente des deux machines électriques tournantes et de leurs onduleurs de puissance correspondants étant compris entre 0.8 et 1.2 et vaut de préférence 1.
Selon une réalisation, les deux machines électriques tournantes sont connectées électriquement en série.
Selon une réalisation, les deux machines électriques tournantes sont connectées électriquement en parallèle.
Selon une réalisation, une force électromotrice de la batterie est égale à la moitié d'une tension de la batterie.
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.
Selon une réalisation, la résistance interne de la batterie est comprise entre 20 mOhms et 40 mOhms.
L'invention a également pour objet un véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble 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 est une représentation schématique d'un véhicule automobile selon l'invention comportant un ensemble machine électrique tournante/batterie selon l'invention;
La figure 2 est un schéma électrique de connexion entre la batterie et la machine électrique tournante;
La figure 3 est représentation schématique de la puissance électrique en fonction du courant de la batterie;
Les figures 4a et 4b sont des schémas électriques de variantes de connexion pour modes de réalisation de l'invention à deux machines électriques.
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. 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. Comme on peut le voir sur la figure 2, la batterie électrique 24 comporte une résistance interne notée r, tandis que la machine électrique 19 et l'onduleur associé ont une résistance électrique équivalente R. La résistance interne r de la batterie 24 est par exemple comprise entre 20 mOhms et 40 mOhms.
Un ratio entre la résistance interne r de la batterie 24 et la résistance électrique équivalente R de la machine électrique 19 et de l'onduleur 21 associé est compris entre 0.8 et 1.2. Avantageusement, afin de maximiser la puissance électrique emmagasinée par la batterie 24 lors d'une phase de freinage récupératif, le ratio entre la résistance interne r de la batterie 24 et la résistance électrique équivalente R de la machine électrique 19 et de l'onduleur 21 vaut 1.
En effet, comme on peut voir sur la figure 3, la puissance P de la batterie 24 a tendance à augmenter jusqu'à un maximum pour ensuite diminuer jusqu'à zéro. Autrement dit, dans le cas où le courant I est faible, très peu de puissance P est récupérée au cours de la phase de freinage. Dans le cas où le courant I est élevé, la puissance P diminue du fait de l'augmentation de la la chute de tension aux bornes de la résistance interne r. Un courant intermédiaire Imax permet d'optimiser la puissance de la batterie 24. Par ailleurs, la tension Ubatt aux bornes de la batterie 24 vérifie la relation suivante: Ubatt= RI = E-r*l
- E étant la force électromotrice (fem) à vide de la batterie 24,
- r étant la résistance de la batterie 24,
- R étant la résistance électrique équivalente de la machine électrique 19, en particulier le bobinage et de l'onduleur 21 associé, et
- 1 étant le courant continu de la batterie 24.
La puissance électrique P vaut P= Ubatt*l= (E-r*l)*l= E*i -r*l2, Ubatt étant la tension continue aux bornes de la batterie 24.
Cette puissance électrique P atteint un maximum correspondant à un courant optimal Imax lorsque sa dérivé par rapport au courant est nulle (cf. figure 3), soit dP/dl = 0,
0= E-2*rlmax
Imax = E/2*r
E- r*lmax=R*lmax
E-r*E/2*r = R*E/2*r
E(1 -1/2) = R*E/2*r
La valeur de puissance électrique P maximale est donc obtenue pour R = r, soit un ratio R/r=1.
Par ailleurs Ubatt = E- r*lmax = E-r*E/2*r = E-1/2 E = E/2. On a donc un fonctionnement optimal lorsque la force électromotrice E de la batterie 24 est égale à la moitié de la tension Ubatt de la batterie 24, soit E = Ubatt/2. Il est à noter que ce calcul est valable à faible vitesse, c’est-à-dire à une vitesse de rotation de la machine électrique 19 inférieure à 1000 tours/min. En effet, dans ce cas, la composante inductive (Lw) du bobinage est faible car la pulsation w est faible. Cela est valable quelle que soit la configuration du bobinage de la machine électrique 19 (triangle, étoile, ou mixte).
On pourra utiliser une deuxième machine électrique 19' tournante associée à un deuxième onduleur 21 ' de puissance. La deuxième machine électrique 19' pourra par exemple être implantée sur le train arrière du véhicule.
Un ratio entre la résistance interne r de la batterie 24 et la résistance électrique équivalente des deux machines électriques 19, 19' et de leurs onduleurs 21 , 21 ' correspondants est compris entre 0.8 et 1 .2 et vaut de préférence 1 .
Comme cela est représenté sur la figure 4a, les deux machines électriques 19, 19' pourront être connectées électriquement en série. Dans ce cas, la résistance équivalente Requ des deux machines électriques 19, 19' et des onduleurs 21 , 21 ' est égale à la somme de résistance équivalente R de la première machine électrique 19 et de son onduleur 21 ainsi et de la résistance équivalente R' de la deuxième machine électrique 19' et de son onduleur 21 ', soit Requ=R+R'.
Alternativement, comme cela est représenté sur la figure 4b, les deux machines électriques 19, 19' pourront être connectées électriquement en parallèle. Dans ce cas, la résistance équivalente Requ des deux machines électriques 19, 19' et de leurs onduleurs 21 , 21 ' est égale à
Requ=R*R'/(R+R').
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 batterie (24) comportant une résistance interne (r), et
- au moins une machine électrique tournante (19) associée à un onduleur de puissance (21 ), la machine électrique tournante (19) et l'onduleur de puissance (21 ) associé ayant une résistance électrique équivalente (R),
caractérisé en ce qu'un ratio entre la résistance interne (r) de la batterie (24) et la résistance électrique équivalente (R) de la machine électrique tournante (19) et de l'onduleur de puissance (21 ) associé est compris entre 0.8 et 1.2.
2. Ensemble selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le ratio entre la résistance interne (r) de la batterie (24) et la résistance électrique équivalente (R) de la machine électrique tournante (19) et de l'onduleur de puissance (21 ) vaut 1.
3. Ensemble selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une deuxième machine électrique tournante (19') associée à un deuxième onduleur de puissance (21 ') et en ce qu'un ratio entre la résistance interne (r) de la batterie (24) et la résistance électrique équivalente (Requ) des deux machines électriques tournantes (19, 19') et de leurs onduleurs de puissance (21 , 21 ') correspondants est compris entre 0.8 et 1.2 et vaut de préférence 1.
4. Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux machines électriques tournantes (19, 19') sont connectées électriquement en série.
5. Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux machines électriques tournantes (19, 19') sont connectées électriquement en parallèle.
6. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'une force électromotrice (E) de la batterie (24) est égale à la moitié d'une tension (Ubatt) de la batterie (24).
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. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la résistance interne (r) de la batterie (24) est comprise entre 20 mOhms et 40 mOhms.
10. Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007252068A (ja) * 2006-03-15 2007-09-27 Mitsubishi Electric Corp 車輌用回転電機

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JP2007252068A (ja) * 2006-03-15 2007-09-27 Mitsubishi Electric Corp 車輌用回転電機

Non-Patent Citations (1)

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ANONYMOUS: "Adaptation d'impédances - Wikipédia", 25 October 2017 (2017-10-25), XP055596320, Retrieved from the Internet <URL:https://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Adaptation_d'impédances&oldid=141907348> [retrieved on 20190613] *

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