WO2022148869A1 - Procédé et dispositif d'estimation embarqué de température d'un rotor d'une machine électrique - Google Patents

Procédé et dispositif d'estimation embarqué de température d'un rotor d'une machine électrique Download PDF

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WO2022148869A1
WO2022148869A1 PCT/EP2022/050355 EP2022050355W WO2022148869A1 WO 2022148869 A1 WO2022148869 A1 WO 2022148869A1 EP 2022050355 W EP2022050355 W EP 2022050355W WO 2022148869 A1 WO2022148869 A1 WO 2022148869A1
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model
temperature
thermal model
calculation
rotor
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PCT/EP2022/050355
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Bassel Assaad
Yu Cao
Mohamad KOTEICH
Original Assignee
Renault S.A.S
Nissan Motor Co., Ltd.
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K13/00—Thermometers specially adapted for specific purposes
    • G01K13/04—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving solid bodies
    • G01K13/08—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving solid bodies in rotary movement
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/42—Circuits effecting compensation of thermal inertia; Circuits for predicting the stationary value of a temperature
    • G01K7/427—Temperature calculation based on spatial modeling, e.g. spatial inter- or extrapolation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H02K11/25—Devices for sensing temperature, or actuated thereby
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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
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K2205/00—Application of thermometers in motors, e.g. of a vehicle

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for on-board estimation of the temperature of a rotor of an electric machine.
  • overheating of the machine can cause both a deterioration in the performance of the electric motor and the loss of torque or power.
  • overheating can also deteriorate the machine and therefore impact its reliability.
  • temperature monitoring is implemented through the use of temperature sensors in order to measure in real time the temperature of these zones, mainly at the stator (TCTN), the fixed part of the motor.
  • the temperature of the coolant (Tldr) such as oil or water is in some cases also measured in order to avoid the risk of ignition of the oil, for example by exceeding a temperature limit.
  • the invention aims to acquire improved accuracy of the temperature of the rotating parts of an electrical machine, the winding of the rotor, the permanent magnets, etc., embarked in a motor vehicle and operating in real time.
  • a method for estimating the temperature of a rotor of an electric machine comprising: a first set of steps, intended to be implemented on a first calculating device, comprising:
  • this method is suitable for any type of electric machine.
  • the definition of the complete thermal model includes:
  • the heat loss calculation step comprises the generation of at least one map so as to determine a loss value as a function of the acquired data.
  • the heat loss calculation step comprises the generation of at least one map so as to determine a loss value as a function of the acquired data.
  • the acquisition step is followed by an acquisition data verification step during which the consistency of the acquired data is verified.
  • an acquisition data verification step during which the consistency of the acquired data is verified.
  • the thermal model is obtained by a finite element calculation method.
  • a finite element calculation method e.g., one can obtain a relatively reliable and robust thermal model, making it possible to serve as a basis for obtaining the reduced model.
  • the thermal model reduction step is adapted to keep the static gain of said thermal model.
  • said provided state observer comprises a Kalman filter to adjust the dynamics and the precision of said state observer.
  • the Kalman filter it is possible to ensure a relatively reliable estimation of the temperatures of the rotor in the transient state.
  • Kalman filter provides significant robustness with respect to parametric variations of the reduced thermal model, or of the environment, by the effect of the corrective action in the observer, which uses the information available on the measured temperatures.
  • gain sequencing in other words by adjusting the gains according to the characteristics of the system, in the torque/rev plan.
  • the invention also relates to a digital computing device comprising means for:
  • the invention also relates to an on-board device comprising means for:
  • the invention also relates to a motor vehicle comprising an electric machine and an on-board device as described above.
  • FIG. 1 is a schematic view of the process according to a complete thermal model of embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a schematic view of the steps for estimating the temperature of the rotor according to the reduction of the method of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a schematic view of the state representation implemented by the method according to Figure 1 and Figure 2.
  • Figures 1 to 3 relate to the same embodiment of the method for estimating the temperature of the rotating parts of an electrical machine, in particular to avoid overheating of the electrical machine, and will therefore be commented on simultaneously.
  • Figure 1 represents the different stages of evaluation of a complete thermal model of an electrical machine.
  • Such a complete model generally includes:
  • the motor losses are evaluated using an analytical and numerical approach; the losses are encapsulated in maps which are used to more simply evaluate the losses according to the inputs — the rotational speed W (rpm), the torque C (N. m), the voltage VDC (Volt), the simulated temperatures of the stator Tstator (°C) and of the rotor Trotor (°C) which are the same temperatures of 25, in particular in an on-board context.
  • the loss evaluation step 22 is not limited solely to this method of calculation or to the prior production of a map.
  • the loss evaluation step 22 also makes it possible to assign the losses in each node of the complete thermal model according to the proportion of the physical volume, the steps are explained below.
  • the complete thermal model comprises a step 23 for calculating the thermal resistances and thermal capacities of the model, so as to evaluate the value of the thermal resistances of the complete thermal model as a function of the variation of the temperatures simulated in step 25 and of rotation regime in step 26, and to evaluate the thermal capacities.
  • a reduced thermal model referenced 27 in FIG. 2 and 3, is implemented, which includes a reduced version of the complete thermal model, described in the continuation of the description.
  • the temperature calculation step includes for this purpose, with reference to Figure 2, the implementation of the reduced thermal model 27 which includes:
  • the module 29 comprises a Kalman filter which can be implemented on board.
  • the method 30 comprises the definition 21-24 of a complete thermal model with n nodes.
  • the latter could be reduced, as described previously, to a reduced thermal model 27, to estimate the temperature of the rotor.
  • the method implements, for estimating the temperature of the rotor, a step 27 of reduction of the complete model 20, so that there are fewer nodes to calculate in the model and is simpler to implement in an on-board electric motor management computer.
  • each thermal element can be modeled as a node in an electrical circuit.
  • Each node i is linked to ground by a capacitor which represents its thermal capacity C it , in other words its capacity to change its temperature (analogous to the electric voltage) in the presence of a heat flow (analogous to an electric current ).
  • a resistance R i; ⁇ is considered which represents the thermal resistance of the medium separating the 2 nodes.
  • the equation which governs the evolution of the temperature T, at node i (T j ) is then:
  • the losses are calculated based on analytical formulations or electromagnetic simulation software.
  • the resistances between two nodes R i ; ⁇ are calculated according to the mode of heat transfer present between two consecutive components. These can be conduction, convection or radiation resistors.
  • Each mode of heat transfer is evaluated through empirical correlations, analytical or numerical calculation methods.
  • the heat capacity of each node depends on the specific heat of the component that the node represents and on its mass.
  • state vector x represents the temperatures of n nodes T
  • input vector u represents the losses injected at each node P.
  • the output of the state model being state x, the output matrix C is an identity matrix of the same size of A.
  • the matrix D equals [0]
  • n can exceed 50 knots, this depends on the desired precision of the model and the complexity of the thermal phenomena to be modelled.
  • the values of the capacitance C and transmittance g matrix are obtained by physical and empirical correlations based on thermal tests on the motor. The complete model is thus readjusted in relation to these tests on the range of voltages, engine rotation speed, torque, cooling temperature and flow rate, ambient temperature.
  • the state vector x is divided into 2 vectors: x lt vector of the states to be kept in the calculation with the input i ⁇ which corresponds to x ⁇ ; and x 2 , vector of the states to be eliminated with the input u 2 which corresponds to x 2.
  • a reduction technique is used which preserves the static gain of the system, i.e. the reduced model will be equivalent to the full model in steady state. In the transient regime, there will be a difference between the two models. We will see later that this dynamic difference can be reduced by adding a correction term to the reduced model (structure of reduced state observer).
  • x 1 A red x 1 + B red u
  • a state observer is a mathematical process which is used to estimate or reconstruct the state x of a dynamic system, from knowledge of the available measurements, outputs y, and inputs u, based on a representative model of the system.
  • the observation is a model-based estimate with a correction by the measurements.
  • the model of a state observer is a replica of the model of the system to be observed (estimator part in the figure above), to which is added a correction term, function of the difference e between the measured output y and the estimated one y:
  • a Kalman filter is implemented, because it makes it possible to make an optimized adjustment based on the statistical characteristics of the model and of the measurements (degree of confidence, the measurements come from an estimate of the complete thermal model in this case).
  • the matrix K can vary with the model if the latter varies according to the operating point.
  • the pole placement technique or any other suitable technique could have been implemented.
  • the Kalman filter gain formula is as follows:
  • the matrices ⁇ , R and P 0 are definite positive symmetric matrices.
  • the matrix P Q plays a role on the dynamics of the observer at the start of the algorithm; large values of its coefficients mean that a large initial error is expected, which generates faster observation dynamics at start-up, and vice versa.
  • the Kalman filter is applied to the temperature estimation of the electrical machine.
  • a Kalman filter is then designed for the reduced model.
  • the temperatures to be estimated are those of the reduced model, and the measurements available are the NTC temperature and the coolant temperature.
  • the vector u represents the losses P, which are calculated from a module 22 which is based on the battery voltage, the torque and the engine rotation speed.
  • gain scheduling strategy in French “gain sequencing”
  • gain sequencing which consists in changing the observer gain according to the state of the system (according to the torque and the speed of spin). This contributes to improving the quality of the estimate over the entire operating range.

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Abstract

Procédé (27) d'estimation de la température d'un rotor d'une machine électrique, comprenant un premier ensemble d'étapes, destiné à être mis en œuvre sur un premier dispositif de calcul, comprenant la réduction d'un modèle thermique complet (20) de sorte à simplifier sa résolution (28) et un deuxième ensemble d'étapes, destiné à être mis en œuvre sur un deuxième dispositif, comprenant une étape de fourniture d'un observateur d'état (29) défini en fonction dudit modèle thermique réduit, et le calcul de l'estimation de la température du rotor en fonction de l'observateur d'état, du modèle thermique réduit et des données acquises.

Description

Description
Titre de l'invention : Procédé et dispositif d’estimation embarqué de température d’un rotor d’une machine électrique
[0001] L’invention concerne un procédé et un dispositif d’estimation embarqué de la température d’un rotor d’une machine électrique.
[0002] Dans le domaine des machines électriques, il est bien connu que la surveillance de la température des zones critiques comme le bobinage du rotor, le bobinage du stator ou encore les aimants permanents est indispensable pour éviter un risque de surchauffe de la machine.
[0003] En effet, une surchauffe de la machine peut entraîner tant une dégradation des performances du moteur électrique, que la perte de couple ou de la puissance. De plus, la surchauffe peut aussi détériorer la machine et impacter par conséquent sa fiabilité.
[0004] Dans la pratique, une surveillance de température est mise en oeuvre à travers l’utilisation des capteurs de température afin de mesurer en temps réel la température de ces zones, principalement au stator (TCTN), partie fixe du moteur. La température du liquide de refroidissement (Tldr) comme de l’huile ou de l’eau est dans certains cas aussi mesurée afin d’éviter les risques d’inflammation de l’huile par exemple en dépassant une température limite.
[0005] Cependant, il est relativement difficile de placer un capteur dans la partie tournante de la machine électrique et principalement le rotor.
[0006] On connaît alors le document US20170131158 A1 qui présente une technique d’estimation de la température du rotor par calcul d’un modèle thermique. Toutefois cette solution est relativement complexe d’un point de vue calculatoire et n’est pas adaptée pour être embarquée dans un véhicule automobile.
[0007] Aussi, l’invention vise à acquérir une précision améliorée de la température des parties tournantes d’une la machine électrique, le bobinage du rotor, les aimants permanents, etc., embarquable dans un véhicule automobile et fonctionnant en temps réel. [0008] A cet effet on propose un procédé d’estimation de la température d’un rotor d’une machine électrique, comprenant : un premier ensemble d’étapes, destiné à être mis en œuvre sur un premier dispositif de calcul, comprenant:
- La définition d’un modèle thermique complet d’une machine électrique pour estimer les températures des éléments dans la machine électrique ;
- Le calcul d’une réduction dudit modèle thermique réduit de sorte à simplifier sa résolution de modèle thermique complet pour estimer la température d’un rotor de la machine électrique ; et un deuxième ensemble d’étapes, destiné à être mis en œuvre sur un deuxième dispositif, comprenant :
- Une étape de fourniture du module de calcul des températures par modèle réduit ;
- Une étape de fourniture d’un module de correction de calcul des températures par un observateur d’état ;
- Une étape d’acquisition de données de vitesse du régime de rotation, de couple et d’au moins une valeur de tension de commande de ladite machine électrique ; et
- le calcul de l’estimation de la température du rotor en fonction du module de calcul, du module de correction, du modèle de calcul des températures par modèle réduit et desdites données acquises.
[0009] Ceci permet ainsi d’obtenir un procédé d’estimation des températures du rotor d’une machine électrique, dont le calcul est embarquable dans un véhicule automobile avec une précision comparable à un modèle thermique complet.
[0010] En particulier, il permet d’obtenir une relativement bonne qualité d’estimation sur toute la plage de fonctionnement, dans différents cas d’usage.
[0011] Ceci est particulièrement notable par rapport à une estimation par mesures physiques dans un moteur d’un rotor à aimants ou à rotor bobiné sachant qu’à faible régime de rotation (<1000-3000 rpm) ou des faibles courants d’excitation (<3-4 A) l’estimation n’est pas capable de fournir de résultats exploitables du fait de la perturbation des mesures [0012] En outre, ceci permet de réduire de manière relativement importante les ressources occupées pour l’estimation de la température du rotor dans le microcontrôleur embarqué.
[0013] Au surplus, ce procédé est adapté à tout type de machine électrique.
[0014] Avantageusement, la définition du modèle thermique complet comprend :
- Une étape de calcul des températures de la machine électrique, permettant la surveillance des températures de stator et de rotor de la machine électrique ;
- Une étape d’estimation de valeurs de résistances thermiques et de capacités thermiques ; et
- Une étape de calcul des pertes thermiques.
[0015] Ceci permet d’avoir un modèle thermique complet relativement performant et permet d’obtenir un modèle réduit plus précis.
[0016] Avantageusement l’étape de calcul des pertes thermiques comprend la génération d’au moins une cartographie de sorte à déterminer une valeur de perte en fonction des données acquises. Ainsi, on peut simplifier les temps et la quantité de calcul en obtenant une cartographie précalculée pour le calcul des pertes thermiques.
[0017] Avantageusement, l’étape d’acquisition est suivie d’une étape de vérification des données d’acquisition au cours de laquelle on vérifie la cohérence des données acquises. Ainsi, on peut éviter un fonctionnement indésirable du procédé lors de la réception de données erronées.
[0018] Avantageusement, le modèle thermique est obtenu par une méthode de calcul aux éléments finis. Ainsi, on peut obtenir un modèle thermique relativement fiable et robuste, permettant de servir de base à l’obtention du modèle réduit.
[0019] Avantageusement, l’étape de réduction du modèle thermique est adaptée pour conserver le gain statique dudit modèle thermique. Ainsi, on peut assurer une estimation particulièrement fiable des températures du rotor en régime permanent par le modèle thermique réduit. [0020] Avantageusement, ledit observateur d’état fourni comprend un filtre de Kalman pour régler la dynamique et la précision dudit observateur d’état. Ainsi, par l’usage du filtre de Kalman on peut assurer une estimation relativement fiable des températures du rotor en régime transitoire.
[0021] En particulier l’usage d’un filtre de Kalman procure une robustesse notable vis-à-vis des variations paramétriques du modèle thermique réduit, ou de l’environnement, par l’effet de l’action de correction dans l’observateur, qui exploite l’information disponible sur les températures mesurées.
[0022] En outre on peut assurer un réglage relativement intuitif de l’observateur d’état, pouvant s’appliquer à une variété de machine électrique, en faisant notamment du gain scheduling (« séquencement du gain »), autrement dit en ajustant les gains en fonction des caractéristiques du système, dans le plan couple/régime.
[0023] L’invention concerne aussi un dispositif de calcul numérique comprenant des moyens pour :
- Définir un modèle thermique d’une machine électrique ;
Réduire ledit modèle thermique de sorte à simplifier sa résolution.
[0024] L’invention concerne aussi un dispositif embarqué comprenant des moyens pour :
- Acquérir un modèle thermique réduit calculé par le dispositif de calcul numérique précédent, et un observateur d’état,
- Acquérir des données du régime de rotation, de couple et d’au moins une valeur de tension de commande de ladite machine électrique ;
- Calculer l’estimation de la température du rotor en fonction de l’observateur d’état, du modèle thermique réduit et des données acquises.
[0025] L’invention concerne aussi un véhicule automobile comprenant une machine électrique et un dispositif embarqué tel que décrit précédemment.
[0026] D’autres particularités et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d’un mode de réalisation particulier de l’invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
[0027] [Fig. 1] est une vue schématique du procédé selon un modèle thermique complet de réalisation de l’invention ;
[0028] [Fig. 2] est une vue schématique des étapes d’estimation de la température du rotor selon la réduction du procédé de la figure 1 ; et
[0029] [Fig. 3] est une vue schématique de la représentation d’état mis en oeuvre par le procédé selon la figure 1 et la figure 2.
[0030] Les figures 1 à 3 se rapportent à un même mode de réalisation du procédé d’estimation de la température des parties tournantes d’une machine électrique, notamment pour éviter la surchauffe de la machine électrique, et seront donc commentées simultanément.
[0031] La figure 1 représente les différentes étapes d’évaluation d’un modèle thermique complet d’une machine électrique.
[0032] Un tel modèle complet comprend généralement :
[0033]- une étape 21 de vérification des données acquises 26 du régime de rotation W (rpm — rotations par minutes) de la machine électrique, du couple C (N. m) de la machine électrique et de la tension VDC du bus DC de la batterie (Volt) qui sont envoyées à l’entrée du modèle, de sorte à s’assurer de la validité et de la cohérence de ces valeurs.
[0034]- une étape d’évaluation 22 des pertes de la machine électrique, aussi appelée moteur, en basant sur une cartographie de sorte à déterminer une valeur de perte en fonction des données acquises et vérifiées par l’étape 26.
[0035] À cet effet, on procède à l’évaluation des pertes du moteur à travers une approche analytique et numérique ; les pertes sont encapsulées dans des cartographies qui sont utilisées pour évaluer 22 plus simplement les pertes en fonction des entrées — le régime de rotation W (rpm), le couple C (N. m), la tension VDC (Volt), les températures simulées du stator Tstator (°C) et du rotor Trotor(°C) qui sont les même températures de 25, en particulier dans un contexte embarqué. Ainsi, on embarque uniquement la ou les cartographies de calcul des pertes du modèle thermique pour en simplifier l’estimation. [0036] Toutefois l’étape d’évaluation des pertes 22 n’est pas uniquement limitée à cette méthode de calcul ou à la réalisation préalable d’une cartographie.
[0037] L’étape d’évaluation 22 des pertes permet aussi d’affecter les pertes dans chaque nœud du modèle thermique complet selon la proportion du volume physique, les étapes sont expliquées ci-dessous.
[0038] Le modèle thermique complet comprend une étape de calcul 23 des résistances thermiques et capacités thermiques du modèle, de sorte à évaluer la valeur des résistances thermiques du modèle thermique complet en fonction de la variation des températures simulées dans l’étape 25 et de régime de rotation dans l’étape 26, et d’évaluer les capacités thermiques.
[0039] Il comprend aussi une étape de calcul des températures 24, par la résolution de l’équation différentielle du bilan d’énergie décrit ci-après, et l’évaluation de la température de chaque nœud en considérant la variation des résistances thermiques R (K/W), des pertes injectées P (W), de la température du liquide de refroidissement Tidr (°C) et de la température ambiante du système Tamb (°C).
[0040] En effet, une modélisation thermique complète de la machine électrique, aussi appelée moteur ou moteur électrique, permet de décrire son comportement thermique. Il est bien connu que pour avoir un modèle relativement fidèle à la réalité, ce procédé de calcul peut être utilisé par l’homme du métier.
[0041] Toutefois, un tel modèle est relativement lourd et complexe à mettre en œuvre, et n’est pas adapté à une exploitation dans un système embarqué.
[0042] Afin de simplifier rembarquement dans un véhicule automobile, ou dans tout autre contexte embarqué, on met en œuvre un modèle thermique réduit, référencé 27 à la figure 2 et 3, qui comprend une version réduite du modèle thermique complet, décrite dans la suite de la description.
[0043] L’étape de calcul des températures comprend à cet effet, en référence à la figure 2, la mise en œuvre du modèle thermique réduit 27 qui comprend :
[0044] Un module de calcul températures par modèle réduit 28, qui prend comme entrées les données des pertes 22, des résistances et des capacités thermiques 23, et la correction par l’observateur d’état 29. [0045] Un observateur d’état 29, qui prend en entrée le régime moteur et le couple moteur 26, les mesures des températures de stator et de liquide de refroidissement du moteur 20, et les températures de stator et de liquide de refroidissement calculées par le modèle réduit 28. Le module 29 comprend un filtre de Kalman qui peut être implémenté de manière embarquée.
[0046] De manière plus détaillée, le procédé 30 selon l’invention, comprend la définition 21-24 d’un modèle thermique complet à n noeuds. Ce dernier pourra être réduit, tel que décrit précédemment, à un modèle thermique réduit 27, pour estimer la température du rotor.
[0047] Aussi, le procédé met en oeuvre, pour l’estimation de la température du rotor, une étape de réduction 27 du modèle complet 20, de sorte qu’il ait moins de noeuds à calculer dans le modèle et soit plus simple à implémenter dans un calculateur embarqué de gestion du moteur électrique.
[0048] À cet effet, au cours de l’étape 30 et de réduction 27, chaque élément thermique peut être modélisé comme un nœud dans un circuit électrique.
[0049] Chaque nœud i est lié à la masse par un condensateur qui représente sa capacité thermique Cit autrement dit sa capacité à changer sa température (analogue à la tension électrique) en présence d’un flux de chaleur (analogue à un courant électrique).
[0050] Entre 2 nœuds i et j, on considère une résistance R i;· qui représente la résistance thermique du milieu séparant les 2 nœuds. Dans le cas de systèmes à 2 nœuds uniquement ( i et j), l’équation qui régit l’évolution de la température T, au nœud i (Tj) est alors :
Figure imgf000009_0001
[0052] Dans le cas d’un système à n nœuds, comme le modèle thermique complet de la machine électrique en référence à la figure 1 , l’équation ci-dessus devient :
Figure imgf000009_0002
[0054] Pi représente les pertes injectées à chaque nœud. [0055] Si un nœud représente un élément passif sans pertes (comme un carter du moteur par exemple, ou un arbre, alors Rέ = 0.
[0056] Pour les nœuds actifs comme le bobinage, les parties ferromagnétiques (culasse par exemple) ou roulements, les pertes sont calculées en se basant sur des formulations analytiques ou des logiciels de simulation électromagnétique.
[0057] Les résistances entre deux nœuds R i;· sont calculées suivant le mode de transfert de chaleur présent entre deux composants consécutifs. Celles-ci peuvent être des résistances de conduction, convection ou rayonnement.
Chaque mode de transfert de chaleur est évalué à travers des corrélations empiriques, des méthodes de calcul analytiques ou numériques.
[0058] La capacité thermique de chaque nœud dépend de la chaleur spécifique du composant que le nœud représente et de sa masse.
[0059] Une synthèse de calcul des différents paramètres est présente dans plusieurs articles scientifiques, dont les trois publications suivantes, que nous incorporons par référence dans la présente demande, pour le calcul des paramètres :
[0060] A. Boglietti, A. Cavagnino and D. Staton, “Détermination of Critical Parameters in Electrical Machine Thermal Models”, Industry Applications Conférence, 2007. 42nd IAS Annual Meeting. Conférence Record of the 2007 IEEE, 2007.
[0061] D. Staton and A. Cavagnino, “Convection Heat Transfer and Flow Calculations Suitable for Electric Machines Thermal Models”, Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol. 55, n° 110, pp. 3509-3516, Oct 2008.
[0062] D. Staton, A. Boglietti and A. Cavagnino, “Solving the more difficult aspects of electric motor thermal analysis”, Electric Machines and Drives Conférence, 2003. IEMDC’03. IEEE International, 2003.
[0063] L’équation ci-dessus s’écrit sous la forme matricielle comme suit :
Figure imgf000010_0001
[0065] Avec :
Figure imgf000011_0001
[0069] Sous la forme et en référence à la figure 3:
Figure imgf000011_0002
[0071] Où le vecteur d’état x représente les températures de n noeuds T, et le vecteur d’entrée u représente les pertes injecté à chaque noeuds P.
[0072] La matrice d’état A = -C~1g, et la matrice d’entrée B = C 1. La sortie du modèle d’état étant l’état x, la matrice de sortie C est une matrice identité de la même taille de A. La matrice D égale [0]
[0073] Dans le cadre d’un modèle thermique complet, n peut dépasser les 50 noeuds, ceci dépend de la précision souhaitée du modèle et de la complexité des phénomènes thermiques à modéliser.
[0074] Les valeurs de la matrice capacité C et transmittance g sont obtenues par des corrélations physiques et empiriques en se basant sur des essais thermiques sur le moteur. Le modèle complet est ainsi recalé par rapport à ces essais sur l’intervalle des tensions, régime de rotation du moteur, couple, température et débit de refroidissement, température ambiante.
[0075] La précision du modèle complet est visée à +/-10 °C par rapport aux différents essais thermiques réalisés en stabilisation thermique, dynamique thermique et cycle de conduite.
[0076] Afin de réduire le modèle thermique complet sous la forme [0068], on divise le vecteur d’état x en 2 vecteurs : xlt vecteur des états à garder dans le calcul avec l’entrée i^qui correspond à x± ; et x2, vecteur des états à éliminer avec l’entrée u2 qui correspond à x2. on réarrange le vecteur x et u comme suit :
Figure imgf000012_0001
[0078] En conséquence, le système d’état s’écrit sous la forme suivante :
Figure imgf000012_0002
[0080] On utilise une technique de réduction qui conserve le gain statique du système, c.-à-d. le modèle réduit sera équivalent au modèle complet en régime permanent. En régime transitoire, on aura un écart entre les deux modèles. On verra dans la suite que cet écart dynamique peut être réduit en rajoutant un terme de correction au modèle réduit (structure d’observateur d’état réduit).
[0081] La réduction du modèle utiliser consiste à considérer que les états à éliminer sont tous en régime permanent ( x2 = 0). Cela permet d’évaluer le vecteur x2 en fonction de x et u2 :
Figure imgf000012_0003
[0083] On remplace l’expression de x2 dans l’équation différentielle de xx:
Figure imgf000012_0004
[0085] Sous la forme :
[0086] x1 = Aredx1 + Bredu
[0087] Avec les matrices réduites:
[0088] Ared = A1± — A12A22A21 et Bred = [B1 — A12A22B2\
Figure imgf000012_0005
[0090] Donc à partir des matrices d’état du modèle complet [A, B, C,D], on peut déduire un modèle réduit [Ared,Bred, Cred,Dred\ des températures qu’on souhaite estimer (vecteur
Figure imgf000012_0006
[0091] On met ensuite en œuvre un observateur d’état en référence à la figure 3.
[0092] Un observateur d’état est un procédé mathématique qui sert à estimer ou reconstruire l’état x d’un système dynamique, à partir de la connaissance des mesures disponibles, les sorties y, et des entrées u, en se basant sur un modèle représentatif du système.
[0093] L’observation est une estimation à base de modèle avec une correction par les mesures. Le modèle d’un observateur d’état est une réplique du modèle du système à observer (partie estimateur dans la figure ci-dessus), à laquelle s’ajoute un terme de correction, fonction de l’écart e entre la sortie mesurée y et celle estimée y :
[0094] ~ x = Ax + Bu + K (y — y)
[0095] En remplaçant y = Cx :
Figure imgf000013_0001
[0097] Le réglage de la dynamique et la précision de l’observateur se font par la matrice de gain K. Pour les systèmes linéaires, il existe principalement 2 méthodes pour définir cette matrice :
[0098]- Le placement de pôles
[0099] - La mise en oeuvre d’un filtre de Kalman
[0100] Dans ce mode de réalisation, on met en oeuvre un filtre de Kalman, car il permet de faire un réglage optimisé en se basant sur les caractéristiques statistiques du modèle et des mesures (degré de confiance, les mesures viennent d’estimation du modèle thermique complet dans ce cas). En appliquant ce filtre, la matrice K peut varier avec le modèle si ce dernier varie en fonction du point de fonctionnement.
[0101] Toutefois selon une alternative de mise en oeuvre de l’invention la technique de placement de pôles ou toute autre technique adaptée aurait pu être mise en oeuvre.
[0102] La formule du gain du filtre de Kalman est la suivante :
[0103] tf = P^R-1
[0104] Où P est la matrice de covariance de l’erreur d’observation, est la solution de l’équation différentielle de Riccati :
Figure imgf000014_0001
[0106] P(0) = P0
[0107] Les matrices Ç, R et P0 sont des matrices symétriques positives définies.
Dans le contexte de reconstruction d’état, elles sont considérées comme des matrices de pondération qui servent à régler la dynamique de l’observateur ; si on augmente tous les coefficients de Q, la dynamique de reconstruction devient plus rapide, et si, inversement, on augmente tous les coefficients de R, le filtrage des bruits de mesures devient plus important, et la dynamique d’observation ralentit.
Il n’existe pas de méthode systématique pour calculer ces deux matrices, leur réglage nécessite une expertise sur le filtrage de Kalman et sur le système observé. La matrice PQ joue un rôle sur la dynamique de l’observateur au démarrage de l’algorithme ; de grandes valeurs de ses coefficients signifient qu’on s’attend à une grande erreur initiale, ce qui génère une dynamique d’observation plus rapide au démarrage, et vice versa.
[0108] Aussi on applique le filtre de Kalman à l’estimation de température de la machine électrique.
[0109] À cet effet, en partant du modèle complet obtenu à partir d’un logiciel de calcul éléments finis en référence à la figure 1, on définit le procédé d’une réduction du modèle complet en référence à la figure 2, enfin le système d’état du modèle thermique complet et réduit en référence à la figure 3.
[0110] Concernant la réduction du modèle, on souhaite garder les 3 nœuds qui correspondent à la température du rotor, la température stator et la température de la tête de bobine stator mesuré par un thermocouple de type CTN. Donc on suppose :
't 1 rotor
[0111] Xi f 1 sotor
- TCTN -
[0112] On conçoit alors un filtre de Kalman pour le modèle réduit. Les températures à estimer sont celles du modèle réduit, et les mesures disponibles sont la température CTN et la température de liquide de refroidissement. On suppose : [0113] x = xx
Figure imgf000015_0001
[0114] Le vecteur u représente les pertes P, qui sont calculées à partir d’un module 22 qui se base sur la tension de batterie, le couple et le régime de rotation du moteur.
[0115] Concernant le réglage des matrices de Kalman ( Q et R), on se base sur une approche d’essai-erreur, en prenant en compte la connaissance du système.
[0116] En particulier, on sait qu’en fonction du point de fonctionnement, la représentativité du modèle et la pertinence des mesures changent, de sorte qu’on peut ajuster le choix de Q et de R en conséquence.
[0117] Aussi, on peut employer une stratégie dite de gain scheduling (en français « séquencement de gain »), qui consiste à changer le gain d’observateur en fonction de l’état du système (en fonction du couple et du régime de rotation). Ceci contribue à l’amélioration de la qualité de l’estimation sur toute la plage de fonctionnement.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Procédé (20, 27) d’estimation de la température d’un rotor d’une machine électrique, caractérisé en ce qu’il comprend : un premier ensemble d’étapes destiné à être mis en œuvre sur un premier dispositif de calcul, comprenant:
- La définition (21-24) d’un modèle thermique complet (20) d’une machine électrique pour estimer les températures des éléments dans la machine électrique (25) ;
- Le calcul d’une réduction (27) dudit modèle thermique réduit de sorte à simplifier sa résolution de modèle thermique complet (20) pour estimer la température d’un rotor de la machine électrique ; et un deuxième ensemble d’étapes, destiné à être mis en œuvre sur un deuxième dispositif, comprenant :
- Une étape de fourniture du module de calcul des températures par modèle réduit (28) ;
- Une étape de fourniture d’un module de correction de calcul des températures par un observateur d’état (29) ;
- Une étape d’acquisition (26) de données de vitesse du régime de rotation, de couple et d’au moins une valeur de tension de commande de ladite machine électrique ; et
- le calcul (25) de l’estimation de la température du rotor en fonction du module de calcul, du module de correction, du modèle de calcul des températures par modèle réduit et desdites données acquises.
[Revendication 2] Procédé (20) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la définition (21-25) du modèle thermique complet comprend :
- Une étape de calcul (24) des températures de la machine électrique, permettant la surveillance des températures de stator et de rotor de la machine électrique (25) ;
- Une étape d’estimation (23) de valeurs de résistances thermiques et de capacités thermiques ; et
- une étape de calcul (22) des pertes thermiques.
[Revendication 3] Procédé (20) selon la revendication 2 caractérisé en ce que l’étape de calcul (22) des pertes thermiques comprend la génération d’au moins une cartographie de sorte à déterminer une valeur de perte en fonction des données acquises.
[Revendication 4] Procédé (27) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l’étape de réduction (28) du modèle thermique est adaptée pour conserver le gain statique dudit modèle thermique.
[Revendication 5] Procédé (27) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit observateur d’état (29) fourni comprend un filtre de Kalman pour régler la dynamique et la précision dudit observateur d’état (29).
[Revendication 6] Procédé (20 et 27) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l’étape d’acquisition (26) est suivie d’une étape de vérification (21) des données d’acquisition au cours de laquelle on vérifie la cohérence des données acquises.
[Revendication 7] Procédé (20) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le modèle thermique est obtenu par une méthode de calcul aux éléments finis.
[Revendication 8] Dispositif de calcul numérique comprenant des moyens pour :
- Définir un modèle thermique (20) d’une machine électrique ;
- Réduire (27) ledit modèle thermique de sorte à simplifier sa résolution.
[Revendication 9] Dispositif embarqué comprenant des moyens pour
- acquérir un modèle thermique réduit calculé par le dispositif selon la revendication 8, et un observateur d’état (29),
- acquérir des données du régime de rotation, de couple et d’au moins une valeur de tension de commande de ladite machine électrique ; - Calculer (25) l’estimation de la température du rotor en fonction de l’observateur d’état, du modèle thermique réduit et des données acquises.
[Revendication 10] Véhicule automobile comprenant une machine électrique et un dispositif embarqué selon la revendication 9.
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