TITRE : PROCÉDÉ DE PILOTAGE D'UNE MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE À L'ÉTAT PASSIF

[0001] La présente invention porte sur un procédé de pilotage d'une machine électrique tournante à l'état passif. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse pour les véhicules automobiles munis d'une chaîne de traction hybride.

[0002] De façon connue en soi, une chaîne de traction hybride de véhicule automobile est formée par un moteur thermique associé à une machine électrique tournante connectée électriquement à une batterie d'un réseau électrique. La machine électrique peut indifféremment être implantée sur le train avant ou le train arrière. La machine électrique peut être liée mécaniquement au moteur thermique par l'intermédiaire d'une courroie, ou intégrée dans une boîte de vitesses, dans un embrayage ou dans tout autre composant de la chaîne de traction.

[0003] Classiquement, la machine électrique tournante comporte un rotor et un stator ayant une pluralité de phases connectées électriquement à un onduleur. A cet effet, l'onduleur comprend une pluralité de bras de commutation montés électriquement en parallèle. Chaque bras comprend un interrupteur de côté haut et un interrupteur de côté bas connectés l’un à l’autre en un point milieu, chaque point milieu étant destiné à être connecté à au moins une phase d’une machine électrique tournante.

[0004] Un module de contrôle commande l’ouverture ou la fermeture de chaque interrupteur pour commander l’alimentation de la machine électrique. Les interrupteurs côté bas ou les interrupteurs côté haut sont des interrupteurs électroniques d’alimentation, par exemple de type transistor à effet de champ métal- oxyde, connu aussi sous l’acronyme MOSFET de l’anglais (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). La diode intrinsèque d'un tel transistor présente la caractéristique d'être bidirectionnelle en courant. [0005] Les interrupteurs permettent de faire fonctionner la machine électrique soit dans un mode moteur à partir d’une batterie alimentant électriquement un réseau de bord du véhicule, soit dans un mode alternateur pour alimenter le réseau de bord et recharger la batterie du véhicule. Dans le cas d’une machine électrique comprenant trois phases au stator, le convertisseur de tension comprend trois interrupteurs côtés bas reliés chacun à une des trois phases et à la masse et trois interrupteurs côté haut reliés chacun à une des trois phases et à une borne positive de la batterie du réseau de bord du véhicule automobile.

[0006] Dans certaines phases de vie du véhicule automobile, il est demandé à la machine électrique d’être au repos dans un état "passif" dit état "idle" en anglais. Cet état "passif" est mis en oeuvre lorsque la volonté d'un calculateur de supervision de la chaîne de traction est de ne pas fournir de puissance au réseau électrique ou de ne pas prélever de puissance mécanique, ou en cas de défaut de la machine électrique tournante.

[0007] Or une machine électrique ayant un rotor muni d’aimants permanents a la particularité d’avoir une présence constante de flux magnétique. En conséquence, si la machine est entraînée en rotation lors de son fonctionnement dans le mode "passif", cela engendre la création d’une force électromotrice (ou FEM). En fonction de la valeur de cette FEM, le mode "passif" peut conduire à piloter l’onduleur de puissance de différentes façons.

[0008] Lorsque la vitesse de rotation de la machine électrique est faible, la machine électrique est pilotée dans un mode ouvert, dit également mode OC (pour "Open Circuit" en anglais) dans lequel les interrupteurs sont ouverts. Ce mode de fonctionnement est acceptable tant que la force électromotrice générée par la machine électrique reste inférieure à la tension du réseau électrique du véhicule. En revanche, lorsque la force électromotrice de la machine électrique devient supérieure à la tension du réseau électrique, un courant non contrôlé peut être injecté par la machine électrique sur le réseau électrique du véhicule, ce qui représente un risque sécuritaire. [0009] Pour éviter cela, le module de contrôle de la machine électrique surveille la force électromotrice ou la vitesse de rotation qui est également une valeur représentative de la force électromotrice.

[0010] Lorsque la force électromotrice ou la vitesse de rotation atteint un seuil risquant d'engendrer l'injection d'un courant non contrôlé, la machine électrique est pilotée dans un mode court-circuit ASC dit également mode ASC (pour « Active Short Circuit >> en anglais) dans lequel tous les interrupteurs électroniques de l'onduleur sont à l'état fermé. Un tel mode de fonctionnement génère un couple parasite sur l'arbre de la machine électrique qui doit être compensé par le moteur thermique qui consomme alors une énergie mécanique importante à cette fin.

[0011 ] L'invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un procédé de pilotage d'une machine électrique tournante intégrée dans une chaîne de traction hybride de véhicule automobile, ladite machine électrique tournante comportant un rotor à aimants permanents et une pluralité de phases connectées électriquement à un onduleur muni pour chaque phase d'un bras de commutation ayant un interrupteur électronique côté haut et un interrupteur électronique côté bas,

- ledit procédé comportant, lorsque la machine électrique tournante est dans un état passif:

- une étape de pilotage de la machine électrique tournante dans un mode circuit ouvert dans lequel les interrupteurs électroniques de l'onduleur sont ouverts, et

- une étape de pilotage de la machine électrique dans un mode court-circuit dans lequel les interrupteurs électroniques de l'onduleur sont à l'état fermé,

- ledit procédé comportant en outre une étape de pilotage de la machine électrique dans un mode intermédiaire d'optimisation énergétique dans lequel une consommation énergétique globale de la chaîne de traction est réduite par rapport au mode court-circuit,

- un passage du mode circuit ouvert au mode intermédiaire d'optimisation énergétique se produisant lorsqu'un premier critère de basculement est rempli, et un passage du mode intermédiaire de compensation de couple au mode court- circuit se produisant lorsqu'un deuxième critère de basculement est rempli. [0012] L'invention permet ainsi, grâce à l'introduction du mode de fonctionnement intermédiaire, de retarder le passage au mode court-circuit dans lequel le moteur thermique compense seul le couple parasite de l'arbre de la machine électrique, tout en obtenant une neutralité mécanique vis-à-vis du fonctionnement du moteur thermique auquel aucun couple n'est prélevé et/ou une neutralité électrique sur le réseau de bord.

[0013] Selon une mise en oeuvre de l'invention, le premier critère de basculement est un critère de vitesse de rotation de la machine électrique tournante ou un critère de force électromotrice générée par la machine électrique tournante.

[0014] Selon un aspect de l’invention, dans le mode intermédiaire d'optimisation énergétique, la machine électrique tournante peut être pilotée par une régulation en couple à une valeur sensiblement nulle, ou la machine électrique tournante peut être pilotée par une régulation en tension à une valeur de référence, ou la machine électrique tournante peut être pilotée par une régulation en courant à une valeur de référence de courant prélevé par la machine électrique tournante.

[0015] Selon une mise en oeuvre de l'invention, dans le mode intermédiaire d'optimisation énergétique, la machine électrique tournante est pilotée par une régulation en couple à une valeur sensiblement nulle de façon à compenser un couple parasite généré sur l'arbre de la machine électrique du fait d'une rotation du rotor à aimants permanents.

[0016] Dans ce mode de réalisation, le couple est maintenu sensiblement nul en consommant une faible énergie sur la batterie. L’impact mécanique est réduit Cela permet avantageusement d’optimiser la consommation globale en énergie. Le courant prélevé sur la batterie pendant cette phase transitoire peut être maintenu dans une plage prédéfinie.

[0017] Selon une mise en oeuvre de l'invention, le deuxième critère de basculement est un critère de consommation de courant de la machine électrique tournante. [0018] Selon une mise en oeuvre de l'invention, dans le mode intermédiaire d'optimisation énergétique, la machine électrique tournante est pilotée par une régulation en tension à une valeur de référence.

[0019] Ce mode de réalisation permet d’obtenir un bon compromis entre la neutralité électrique et la neutralité mécanique. Ce mode de réalisation permet de maintenir l’état de charge de la batterie.

[0020] Selon une mise en oeuvre de l'invention, la valeur de référence est sensiblement égale à une valeur de tension d'un réseau de bord du véhicule automobile.

[0021] Selon une mise en oeuvre de l'invention, le deuxième critère de basculement est un critère de couple de la machine électrique tournante.

[0022] Selon une mise en oeuvre de l'invention, dans le mode intermédiaire d'optimisation énergétique, la machine électrique tournante est pilotée par une régulation en courant à une valeur de référence de courant prélevé par la machine électrique tournante.

[0023] Ce mode de réalisation permet d’obtenir une neutralité électrique. La machine électrique est dans ce mode légèrement en mode générateur afin de compenser ces pertes. Ce mode de réalisation n’a pas d’impact sur l'état de charge de la batterie. L’impact en couple au niveau du véhicule dans ce mode de réalisation est négligeable.

[0024] Selon une mise en oeuvre de l'invention, la valeur de référence de courant est un courant sensiblement nul.

[0025] Selon une mise en oeuvre de l'invention, le deuxième critère de basculement est un critère de couple.

[0026] Selon un aspect de l’invention, le rotor est une machine à aimants permanents sans excitation extérieure. En variante le rotor peut comprendre un bobinage d’excitation. Le rotor peut être un rotor à griffes. Le rotor peut être un rotor bobiné qui comprend également des aimants permanents. [0027] La présente invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages apparaîtront encore à la lecture de la description détaillée qui suit comprenant des modes de réalisation donnés à titre illustratif en référence avec les figures annexées, présentées à titre d’exemples non limitatifs, qui pourront servir à compléter la compréhension de la présente invention et l’exposé de sa réalisation et, le cas échéant, contribuer à sa définition:

[0028] [Fig. 1 ] La figure 1 est une représentation schématique de différentes configurations possibles d'une chaîne de traction hybride mettant en oeuvre le procédé selon l'invention;

[0029] [Fig. 2] La figure 2 est une représentation schématique d'une machine électrique tournante et de son onduleur mettant en oeuvre le procédé de pilotage selon l'invention lorsque la machine électrique se trouve dans un état passif;

[0030] [Fig. 3] La figure 3 est un diagramme des différents modes de fonctionnement de la machine électrique tournante lors de la mise en oeuvre du procédé de pilotage selon l'invention;

[0031] [Fig. 4a] [Fig. 4b] [Fig. 4c] Les figures 4a à 4c sont des diagrammes fonctionnels de différents types de pilotage de la machine électrique tournante dans le mode intermédiaire d'optimisation énergétique;

[0032] [Fig. 5] La figure 5 est une représentation graphique illustrant la différence de consommation énergétique entre le mode de fonctionnement en court- circuit et le mode d'optimisation de consommation énergétique introduit dans le procédé selon l'invention.

[0033] Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre.

[0034] La figure 1 montre différentes configurations d'une chaîne de traction 10 de véhicule automobile comportant un moteur thermique 1 1 associé à une machine électrique tournante 12 pouvant fonctionner dans un mode moteur afin d'assurer la traction du véhicule automobile et dans un mode alternateur de façon à recharger une batterie du réseau de bord, notamment lors d'une phase de freinage récupératif. [0035] Dans une configuration dite de type "PO", la machine électrique 12 est reliée mécaniquement au moteur thermique 1 1 par l'intermédiaire d'une courroie accessoire entraînant également d'autres éléments annexes du moteur thermique, tels qu'une pompe à eau ou un compresseur de climatisation

[0036] Dans une configuration dite de type "P1", la machine électrique 12 est reliée mécaniquement au moteur thermique 11 du côté du vilebrequin 13.

[0037] Dans une configuration dite de type "P2", la machine électrique 12 est disposée en aval d'un embrayage 15 de façon à pouvoir être découplée du moteur thermique 1 1 dans un mode de roulage électrique pur. La machine électrique 12 pourra être intégrée ou non à une boîte de vitesses 16.

[0038] Dans une configuration dite de type "P3", la machine électrique 12 est découplée mécaniquement du moteur thermique 11. La machine électrique 12 présente une vitesse de rotation multiple de celle du moteur thermique 11 .

[0039] Dans une configuration dite de type "P4", la machine électrique 12 peut être implantée sur le train de roues avant 17.1 ou le train de roues arrière 17.2 du véhicule automobile. L'implantation pourra être effectuée par l'intermédiaire d'un dispositif d'accouplement 18, par exemple un dispositif à crabot, apte à sélectivement accoupler ou désaccoupler la machine électrique par rapport aux roues du véhicule.

[0040] Comme on peut le voir sur la figure 2, un onduleur 20 est connecté à des phases d'une machine électrique 12 à rotor à aimants permanents. L'onduleur 20 comprend une pluralité de bras de commutation 21.1 , 21.2, 21.3 montés électriquement en parallèle. Chaque bras de commutation 21.1 , 21.2, 21.3 comprend un interrupteur de côté haut 22 et un interrupteur de côté bas 23 connectés l’un à l’autre en un point milieu, chaque point milieu étant destiné à être connecté à au moins une phase u, v, w d’une machine électrique 12. Dans l'exemple de la figure 2, la machine électrique comporte trois phases u, v, w (et trois bras de ponts correspondants). En variante, la machine électrique 12 pourrait comporter un nombre quelconque de phases, notamment 5 phases pour une configuration pentaphasée ou 6 phases pour une configuration hexaphasée ou double triphasée. [0041] Un module de contrôle de la machine électrique 12 commande l’ouverture ou la fermeture de chaque interrupteur 22, 23 pour commander l’alimentation de la machine électrique 12. Les interrupteurs côté bas 23 ou les interrupteurs côté haut 22 sont des interrupteurs électroniques d’alimentation, par exemple de type transistor à effet de champ métal-oxyde, connu aussi sous l’acronyme MOSFET de l’anglais (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). La diode intrinsèque 25 d'un tel transistor présente la caractéristique d'être bidirectionnelle en courant.

[0042] Les interrupteurs 22, 23 permettent d’alimenter les phases u, v, w du stator, soit dans un mode moteur à partir d’une batterie 26 alimentant électriquement un réseau de bord du véhicule, soit dans un mode alternateur pour alimenter le réseau de bord et recharger la batterie 26 du véhicule. Dans le cas d’une machine électrique 12 comprenant trois phases au stator, l'onduleur 20 comprend trois interrupteurs côtés bas 23 reliés chacun à une des trois phases u, v, w et à la masse et trois interrupteurs côté haut 22 reliés chacun à une des trois phases u, v, w et à une borne positive de la batterie 26 du réseau de bord du véhicule automobile.

[0043] Dans certaines phases de vie du véhicule automobile, il est demandé à la machine électrique 12 d’être au repos dans un état "passif" dit état "idle" en anglais. Cet état "passif" est mis en oeuvre lorsque la volonté d'un calculateur de supervision de la chaîne de traction 10 est de ne pas fournir de puissance au réseau électrique ou de ne pas prélever de puissance mécanique, ou en cas de défaut de la machine électrique 12.

[0044] Comme cela est illustré par la figure 3, lorsque la machine électrique 12 est à l'état passif, la machine électrique 12 est pilotée dans le mode circuit ouvert ou mode OC (pour "Open Circuit" en anglais) dans lequel les interrupteurs électroniques 22, 23 de l'onduleur 20 sont ouverts. Le pilotage de la machine électrique 12 en mode circuit ouvert OC est effectué jusqu'à ce qu'un premier critère de basculement Crit_1 soit rempli. Le premier critère de basculement Crit_1 est un critère de vitesse de rotation de la machine électrique 12 ou un critère de force électromotrice générée par la machine électrique 12. Le critère de vitesse est défini par exemple par une vitesse de rotation de machine électrique 12 comprise entre 3000 et 5000 tours/min. Alternativement, le critère de basculement Crit_1 est défini par une force électromotrice comprise par exemple entre 20 et 50 Volts.

[0045] Lorsque le premier critère de basculement Crit_1 est rempli, la machine électrique 12 est pilotée dans un mode intermédiaire d'optimisation énergétique INT dans lequel une consommation énergétique globale de la chaîne de traction 10 est réduite par rapport au mode court-circuit ASC dit également mode ASC (pour Active Short Circuit en anglais) dans lequel tous les interrupteurs 22, 23 sont fermés. La consommation énergétique globale de la chaîne de traction 10 est l'ensemble de l'énergie consommée par la chaîne de traction 10 en fonctionnement correspondant à la somme d'une énergie mécanique consommée par le moteur thermique 1 1 et d'une énergie électrique consommée par la machine électrique 12.

[0046] Comme cela est expliqué plus en détails ci-après, dans le mode intermédiaire d'optimisation énergétique INT, la machine électrique 12 pourra être pilotée par une régulation en couple à une valeur sensiblement nulle de façon à compenser un couple parasite généré sur l'arbre de la machine électrique 12 du fait d'une rotation du rotor à aimants permanents. Par "valeur de couple sensiblement nulle", on entend une valeur de couple nulle ou dans tous les cas inférieure à quelques Newton-mètres, notamment inférieur à 1 N.m ou 2 N.m.

[0047] Alternativement, la machine électrique 12 est pilotée par une régulation en tension à une valeur de référence qui est de préférence sensiblement égale à la valeur de tension du réseau de bord du véhicule automobile. Par "tension sensiblement égale à la valeur de tension du réseau de bord", on entend une tension égale à la tension du réseau de bord ou une tension présentant un écart de quelques Volts uniquement, notamment 1 à 2 Volts, par rapport à la tension du réseau de bord. La tension du réseau de bord dépend du véhicule et pourra être comprise entre 24Volts et 56 Volts, et notamment égale à 48 Volts.

[0048] Alternativement, dans le mode intermédiaire d'optimisation énergétique INT, la machine électrique 12 est pilotée par une régulation en courant à une valeur de référence de courant prélevé par la machine électrique 12 sur le réseau de bord du véhicule. De préférence, la valeur de référence est un courant sensiblement nul. Par "courant sensiblement nul", on entend un courant nul ou dans tous les cas inférieur à quelques ampères, notamment inférieur à 1 ampère ou 2 ampères.

[0049] Le pilotage de la machine électrique 12 dans le mode intermédiaire d'optimisation énergétique INT est effectué jusqu'à ce qu'un deuxième critère de basculement Crit_2 soit rempli. Ce deuxième critère de basculement Crit_2 dépend du pilotage choisi de la machine électrique 12.

[0050] Dans le cas d'un pilotage en couple de la machine électrique 12, le deuxième critère de basculement Crit_2 est un critère de consommation de courant de la machine électrique 12 (et donc un critère de consommation de courant prélevé sur le réseau de bord du véhicule). Ce critère de consommation de courant est défini par exemple par un courant compris entre 30A et 100A et valant de préférence de l'ordre de 50A. Par "de l'ordre de", on entend une variation de plus ou moins 10% par rapport à la valeur indiquée.

[0051] Dans le cas d'un pilotage en tension de la machine électrique 12 à une valeur de tension sensiblement égale à la tension du réseau de bord ou d'un pilotage en courant de la machine électrique 12 à une valeur de courant sensiblement nulle, le deuxième critère de basculement Crit_2 est un critère de couple de la machine électrique 12. Ce critère de couple est par exemple défini par un couple de l'ordre de plus ou moins 3N.m. Cette valeur de couple présente l'intérêt d'avoir un faible impact sur la consommation du moteur thermique 1 1 et de ne pas perturber l'agrément de conduite.

[0052] Lorsque le deuxième critère de basculement Crit_2 est rempli, la machine électrique 12 est pilotée dans le mode court-circuit ASC dans lequel tous les interrupteurs électroniques 22, 23 de l'onduleur 20 sont à l'état fermé.

[0053] La figure 4a montre un diagramme fonctionnel du pilotage de la machine électrique 12 par une régulation en couple à un couple sensiblement nul.

[0054] Un module de gestion de la machine électrique M1 permet de définir, à partir du couple de consigne C* (ici égal à 0), des courants de consigne Id*, Iq* dans le repère de Park. [0055] Un module de contrôle de courant M2 définit des tensions de consigne correspondantes Vd*, Vq* dans le repère de Park.

[0056] Un module de modulation de tension M3 définit des rapports cycliques RC de tension de phase envoyés à l'onduleur 20 relié électriquement à la batterie 26 du réseau de bord. L'onduleur 20 commande alors la machine électrique tournante 12 dans un mode moteur.

[0057] Un capteur de courant permet de retourner les valeurs réelles de courant Id, Iq vers le module de contrôle en courant qui pourra adapter les tensions de consigne Vd*, Vq* en conséquence.

[0058] Un système 28 de suivi de la position du rotor de la machine électrique 12 permet de déterminer une position Pr ainsi qu'une vitesse de rotation Wr du rotor. Ces valeurs Pr, Wr sont communiquées au module de gestion de la machine électrique 12. Le système de suivi 28 pourra comporter notamment un capteur à effet Hall ou tout autre capteur équivalent adapté à l'application,

[0059] La figure 4b montre un diagramme fonctionnel du pilotage de la machine électrique 12 par une régulation en tension à une tension sensiblement égale à la tension du réseau de bord du véhicule automobile. Par rapport au diagramme de la figure 4a, on introduit un module de régulation de tension 29 qui compare la tension de consigne Vdc* correspondant à la tension de fonctionnement optimale du réseau de bord avec la tension réelle Vdc du réseau de bord et détermine une consigne de couple C* correspondante.

[0060] La figure 4c montre un diagramme fonctionnel du pilotage de la machine électrique 12 par une régulation en courant à un courant sensiblement nul. Par rapport au diagramme de la figure 4a, on introduit un module de régulation de courant 30 qui compare le courant de consigne Idc* (dans notre cas sensiblement nul) avec le courant réel débité Idc par le réseau de bord et détermine une consigne de couple C* correspondante.

[0061] La figure 5 met en évidence que lorsque la machine électrique 12 est dans un état passif, la puissance électrique P consommée par la machine électrique 12 dans le mode intermédiaire INT basé sur une régulation à couple nul (cf. courbe C1 ) est inférieure à la puissance mécanique P consommée par le moteur thermique 11 lorsque la machine électrique 12 fonctionne dans le mode court-circuit ASC (cf. courbe C2). Cette réduction de la consommation énergétique est observable sur tout le régime Wr de la machine électrique 12.

[0062] Bien entendu, 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. [0063] En outre, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment et fournis uniquement à titre d'exemple. Elle englobe diverses modifications, formes alternatives et autres variantes que pourra envisager l'homme du métier dans le cadre de la présente invention et notamment toutes combinaisons des différents modes de fonctionnement décrits précédemment, pouvant être pris séparément ou en association.