Brevet FR2739599A1 — publié le 19970411

PROCEDE DE GESTION DE LA CONSIGNE OPTIMISEE EN VITESSE DU GROUPE MOTOPROPULSEUR D'UN VEHICULE ELECTRIQUE AUTOMOBILE L'invention concerne un procédé de commande du groupe motopropulseur d'un véhicule électrique automobile, assurant une gestion de consigne optimisée en vitesse pour augmenter l'autonomie du véhicule électrique en respect avec la performance du véhicule. Actuellement, une solution proposée, notamment par la demande de brevet européen publiée sous le numéro 0 610 682 Al, pour augmenter l'autonomie du véhicule consiste à limiter la puissance maximale susceptible d'être délivrée par une limitation du couple du moteur. Cette solution entraîne une forte limitation du couple à moyennes et hautes vitesses, ou une diminution de la plage de fonctionnement du véhicule. Le manque de puissance étant déjà un des inconvénients des véhicules électriques, cette solution ne peut être utilisée que dans un mode économique du véhicule. Une autre solution, proposée par la demande de brevet européen publiée sous le numéro 0 572 279 A2, consiste à faire tourner le moteur à un régime élevé qui correspond aux meilleurs rendements d'un entraînement électrique. Elle a pour inconvénient de nécessiter l'ajout d'un réducteur à rapports continus pour disposer de toute la plage de vitesses, ce qui induit un surcoût. Une troisième solution, objet de la demande de brevet européen publiée sous le numéro 0 257 662 A2, s'applique à un train effectuant un trajet entre deux stations et consiste à effectuer une optimisation multicritères. Comme le trajet du train est connu, la commande reproduit une commande optimale définie en simulation ou à partir de nombreux essais. L'inconvénient de cette solution vient du fait que le principe est uniquement reproductif et ne peut donc être appliqué à un véhicule automobile dont le trajet est aléatoire. Pour pallier ces inconvénients, l'invention propose une gestion de consigne optimisée en vitesse, basée sur l'utilisation du modèle énergétique et dynamique du véhicule pour choisir la meilleure trajectoire de couple en fonction de la vitesse sur une accélération du conducteur par rapport à l'énergie consommée, tout en respectant un critère de performance tel que l'accélération moyenne afin d'obtenir un comportement acceptable du véhicule. Pour cela, l'objet de l'invention est un procédé de gestion de la consigne optimisée en vitesse d'un groupe motopropulseur d'un véhicule automobile à partir d'un objectif de vitesse, correspondant à l'enfoncement de la pédale d'accélérateur, par un conducteur et transmis à un calculateur électronique qui délivre une consigne de couple Cg(t) dans le temps au groupe motopropulseur, caractérisé en ce que la consigne optimisée est déterminée à partir de la consigne de couple, et d'un modèle énergétique et dynamique du véhicule définissant la vitesse instantanée V en fonction de sa valeur à l'instant précédent et de la consigne de couple, par les étapes suivantes - détermination d'une accélération moyenne r sur une montée de vitesse prédéterminée - calcul de la durée Tg de montée en vitesse du véhicule passant d'une vitesse initiale V0 à l'objectif de vitesse V0 + SV0, correspondant à la durée d'optimisation Tg = 6VO/r - détermination de la consigne optimisée Cgo(t) qui minimise l'énergie E consommée par le véhicule tout en maximisant la distance parcourue xO atteinte pendant la durée de montée en vitesse Tg avec la vitesse finale VO+EVo, par calcul du minimum d'une fonction de coût J qui est une fonction de ladite distance xO parcourue pendant la durée Tg, de la vitesse V du véhicule et de l'énergie consommée E, elle-même fonction de la vitesse et de la consigne de couple Cg(t) appliquée au moteur - application de cette consigne optimisée Cgo(t) au groupe motopropulseur. Un des avantages de cette invention réside dans l'utilisation des moyens électroniques équipant le véhicule électrique, sans ajout d'organe supplémentaire ce qui induit un surcoût très faible. De plus, le procédé mis en oeuvre pour déterminer la commande optimale est prédictif sur une durée courte à l'échelle du temps de réaction du conducteur et modifie peu le comportement du véhicule qui ne donne pas la sensation d'être bridé. L'optimisation de la consigne délivrée au groupe motopropulseur s'effectue sur toute la plage de fonctionnement du véhicule sans la réduire. Enfin, ce procédé est applicable sur tout véhicule électrique modélisé dynamiquement et énergétiquement, quelque soit son type de motorisation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit, illustrée par les figures jointes qui représentent - la figure 1 est un schéma fonctionnel situant le procédé selon l'invention dans une chaîne de traction de véhicule électrique; - la figure 2 est l'organigramme du procédé de gestion selon l'invention; - la figure 3 est un exemple de calcul des consignes optimisées à appliquer au groupe motopropulseur d'un véhicule, selon l'invention; - la figure 4 est un exemple de consigne optimisée en vitesse, en fonction du temps. Sur un véhicule électrique, l'enfoncement de la pédale d'accélérateur 1 par le conducteur correspond à une information, généralement de tension électrique générée par un potentiomètre 2 placé à cet effet dans le dispositif de pédale, comme le montre la figure 1, cette information étant transmise à un calculateur électronique central 3 dont une des fonctions, dans le vehicule électrique, est de générer une consigne d'entrée Cg au groupe motopropulseur 4. Le groupe motopropulseur est composé du moteur 5, de sa commande et d'un convertisseur statique 6 alimentés par des batteries 60, et la consigne d'entrée qu'il reçoit du calculateur est une consigne de couple approximativement proportionnelle à l'enfoncement de la pédale.De façon générale, une stratégie de commande en vitesse consiste à transformer l'information de position de pédale en une consigne de vitesse finale, la montée de vitesse se faisant en respectant un compromis de minimisation de l'énergie et de performance. L'intérêt d'une commande en vitesse réside principalement dans le fait que l'optimisation se déroule sur une grande durée, garantissant ainsi une consommation minimum absolue, la performance étant fixée. Le procédé de gestion selon l'invention modifie la commande Cg actuellement délivrée par le calculateur en tenant compte de la vitesse du véhicule mesurée par un capteur de vitesse 7, pour délivrer une commande optimisée en vitesse Cgo au groupe motopropulseur. Ce capteur de vitesse est placé sur l'arbre moteur 8 reliant le moteur à l'ensemble 9 constitué par un réducteur et un différentiel placé entre les deux roues motrices 10. Le problème posé consiste à passer d'une vitesse initiale V0 du véhicule, à un instant initial t0, à une vitesse finale V0 + 6V0, déterminée par la position de la pédale, en un intervalle de temps donné Tg et en minimisant l'énergie consommée. Pour résoudre ce problème, on fixe tout d'abord une accélération moyenne r du véhicule sur une montée de vitesse acceptable pour le conducteur, et qui est soit calculée à l'aide d'essais et de simulations, soit obtenue par réglage par le conducteur lui-même. L'intérêt de fixer a priori une accélération moyenne compense le fait que le conducteur, en imposant une consigne de vitesse qui serait proportionnelle à l'enfoncement de la pédale, n'a pas la maîtrise de l'accélération du véhicule. Cette accélération r étant fixée, on peut calculer le temps de montée du véhicule sur un échelon de vitesse imposée par le conducteur. Entre la vitesse initiale V0 et la vitesse à atteindre V0 + 6V0, la durée Tg de la montée en vitesse est égale au quotient de la différence 6V0 entre les deux vitesses par l'accélération r Tg = 6VO/r Disposant d'un modèle dynamique et énergétique du véhicule, on connaît sa vitesse réelle V instantanée qui est fonction de sa valeur à l'instant précédent et de la consigne de couple appliquée.A partir de là, on calcule la loi de consigne optimisée pendant la durée Te de montée en vitesse qui minimise une fonction de coût J, dont la caractéristique est d'être une fonction de la distance parcourue xO pendant la durée Tg, de la vitesse V et de l'énergie E consommée, cette énergie étant elle-même une fonction de la vitesse et de la consigne de couple appliquée au moteur. En effet, la loi de consigne optimisée pendant la montée en vitesse doit minimiser l'énergie consommée tout en maximisant la distance xO à parcourir à la vitesse V fixée par le conducteur. Ces contraintes sont respectées quand la fonction de coût J est minimale.Cette fonction de coût J s'écrit a et ss étant des paramètres de répartition entre maximisation de la distance xO, respect de la vitesse finale V0+6VO et minimisation de l'énergie E qui est en réalité l'intégrale de la puissance P du moteur, qui est elle-même fonction de la vitesse du véhicule V et de la consigne de couple Cg délivrée par le calculateur. Ces paramètres sont déterminés en simulations afin de garantir que l'autonomie du véhicule est effectivement maximisée. Un procédé de gestion de la consigne optimisée en vitesse appliquée à une commande échantillonnée de couple consiste à générer à l'avance une succession de commandes durant la montée en vitesse, autrement dit à chaque changement de consigne imposé par le conducteur correspondant au temps t0, toutes les consignes de couple à appliquer au groupe motopropulseur entre l'instant t0 et l'instant t0+Tg sont calculées à l'avance. Une fois déterminées, ces consignes sont réellement appliquées au cours du temps au groupe motopropulseur.En utilisant une loi de consigne échantillonnée dans le temps, avec t e comme période d'échantillonnage et k comme indice courant de la consigne Cgk, le nombre n de consignes Cg appliquées sera égal à la partie entière du quotient de la durée de temps de montée en vitesse par la période d'échantillonnage n = T0/te Pour cela, le procédé de gestion selon l'invention comporte, comme cela apparaîtra sur l'organigramme de la figure 2, à chaque changement de position de la pédale d'accélérateur imposé par le conducteur du véhicule (étape a), une étape b) de calcul de la durée Tg de montée en vitesse du véhicule entre la vitesse initiale V0 et la vitesse à atteindre V0 + 6VO, suivie d'une étape c) de calcul du nombre n de consignes de couple à appliquer à partir de l'instant t0 de changement de position de la pédale et pendant la durée T0 de montée en vitesse, et d'une étape d) de détermination de ces n consignes. Cette suite finie de consignes optimisées (Cgo) doit minimiser l'énergie consommée par le véhicule tout en maximisant la distance xO qu'il est possible d'atteindre au temps t0+T0, avec la vitesse finale V0 + 6V0 demandée par le conducteur. Une fois déterminées, ces commandes (Cgon) sont effectivement appliquées au groupe motopropulseur, de la première (étape e) à la nième (étape f), si un nouveau changement de position de la pédale n'a pas été constaté. Chacune des n commandes est appliquée successivement à chaque période d'échantillonnage te (étapes g et h), ce qu'on vérifie en comparant le rang k de la consigne avec le nombre n (étape i). Si, alors que le conducteur n'a pas modifié sa consigne de vitesse, il faut appliquer plus de n consignes de couple (Cgon) au moteur, les consignes de rangs supérieurs à n seront identiques (étape j) à la nième consigne Cgon précédemment mémorisée (étape k). Par contre, dès que le conducteur modifie l'enfoncement de la pédale, le procédé redémarre les premières étapes de calcul de Tg, de n et des nouvelles consignes de couple à appliquer. Selon l'invention, la détermination de la suite finie (Cgon) de n consignes de couple optimisées est obtenue par la méthode du gradient, appliquée à une consigne de couple Cg, calculée par l'ordinateur, échantillonnée de période te On peut alors écrire cette suite (Cgn) des consignes sous forme de matrice Cg1 (Cgn) = Cg Cg, a n composantes a appliquer penchant un lnzervalle ae temps Tg qui correspond à la durée d'optimisation. Sachant que l'on dispose d'une part, d'un modèle énergétique et dynamique du véhicule traduisant la vitesse Vk du véhicule à un instant k en fonction de sa vitesse à l'instant précédent k-l et de la consigne de couple Cgk~l appliquée audit instant k-l Vk = f(Vk-l' Cgk-l) (2) et d'autre part d'une fonction de coût J qui dépend de la distance maximale x0 à parcourir, de la vitesse à atteindre selon la commande du conducteur V0 + #V0 et de l'énergie minimale à consommer la méthode du gradient consiste à calculer le gradient 6J de cette fonction de coût, en fonction de la variation d'une des consignes Cg de la suite (Cgn) et à modifier en conséquence cette suite de consignes pour obtenir les consignes optimisées en vitesse. L'organigramme de la méthode du gradient représenté par la figure 3, montre une première étape a') d'initialisation de toutes les consignes de la suite à une valeur aléatoire admissible par le véhicule et d'initialisation de l'indice i de la fonction de coût J et de l'indice j de la consigne de couple Cg. Selon une deuxième étape b') , le procédé comporte le calcul de la fonction de coût J(i) du temps t0 de changement de position de la pédale au temps t0+T0, à l'aide du modèle énergétique et dynamique du véhicule selon la formule (2).A l'étape c') suivante, on incrémente de 1 chacun des deux indices i et j, et tant que j est inférieur au nombre n de consignes à appliquer au groupe motopropulseur, on calcule la nouvelle fonction de coût J(i) en modifiant une seule des consignes de la suite Cgj, à laquelle on ajoute 6Cgj fixé (étape d'). Etant admis que la fonction de coût J à minimiser admet un minimum, on fixe un pas de convergence positif PCw et à l'étape e'), on calcule la valeur réelle de la consigne modifiée à partir de l'équation suivante, avec le gradient 6J de la fonction de coût J égal à J(i) - J(i-l) Cgok -Pc*GJ(Cgk + 6Cgk) + Cg. (3) Tant que la durée allouée à la détermination des consignes n'est pas atteinte (étape f') ou que la valeur du gradient 6J de la fonction de coût reste supérieure à un seuil déterminé, correspondant au minimum global de J ou au pire à un minimum local (étape g'), les étapes c') à g') sont répétées pour calculer le gradient de J en fonction de la variation de chacune des consignes de la suite successivement et pour modifier en conséquence toutes les valeurs de cette suite.La suite (Cgon) de consignes ainsi obtenue correspond alors à la commande optimale du groupe motopropulseur et est alors affectée à la suite de consignes optimisées en vitesse qui sera appliquée au cours du temps au moteur. La figure 4 est la représentation de la consigne optimisée en vitesse en fonction du temps. La courbe 4a représente la vitesse réelle V du véhicule en fonction du temps, partant d'une valeur VO à un instant t0 de changement d'objectif voulu par le conducteur et correspondant au début de l'optimisation, pour atteindre ledit objectif de vitesse de valeur VO + 6V,, à l'instant tO+TO correspondant à la montée en vitesse, soit la fin de l'optimisation.Simultanément, la courbe 4b représente la suite des consignes optimisées Cgok, échantillonnées avec une période d'échantillonnage te, entre l'instant t0 et l'instant t0+T0. Selon le principe de la méthode du gradient, le conducteur du véhicule applique un objectif de vitesse qui doit être atteint dans un temps donné et le procédé de gestion selon l'invention détermine alors une succession de commandes dans le temps qui vont être appliquées jusqu'à ce que l'objectif de vitesse soit atteint. La figure 4 est la représentation de la consigne optimisée en vitesse, selon l'invention, en fonction du temps. Une autre méthode de détermination des n consignes de couple optimisées en vitesse, à appliquer au groupe motopropulseur, consiste à calculer une consigne qui, à partir de la fonction de coût J à minimiser précédemment définie, du modèle dynamique du véhicule et de l'objectif de vitesse fixé par le conducteur, délivre instantanément une commande. Dans ce cas, les n prochaines consignes optimisées ne sont pas mémorisées avant d'être effectivement appliquées dans le temps. Une telle méthode peut utiliser par exemple un réseau neuronal, qui est une fonction non linéaire à plusieurs entrées et plusieurs sorties. Cette fonction dépend de plusieurs paramètres déterminés lors d'une phase d'apprentissage avec un exemple de référence dans les valeurs des sorties correspondant à un jeu d'entrées connues. Selon l'invention, l'exemple de référence est fourni par des simulations avec une méthode déterministe du type gradient pour des points de fonctionnement représentatifs, et les entrées du réseau choisies sont la consigne de couple délivrée par le calculateur électronique du véhicule en fonction de l'enfoncement de la pédale d'accélérateur, la vitesse du moteur, ainsi que la tension et le courant de la batterie. La sortie choisie est la consigne de couple optimisée en vitesse. Cette méthode est également bien adaptée au véhicule électrique car, bien qu'elle utilise un modèle dynamique du véhicule, les consignes de couple futures ne sont pas anticipées sur le temps de montée en vitesse, chacune étant déterminée en temps réel. Le procédé de gestion de consigne optimisée en vitesse selon l'invention permet d'optimiser l'autonomie du véhicule, c'est-à-dire de minimiser l'énergie dépensée, tout en respectant un critère de performance représenté par l'obligation de monter en vitesse en un temps donné. Et cela grâce à la définition d'une fonction de coût définie à partir de la vitesse finale à atteindre, de la distance à parcourir et de l'énergie consommée. REVENDICATIONS 1. Procédé de gestion de la consigne optimisée en vitesse d'un groupe motopropulseur d'un véhicule automobile à partir d'un objectif de vitesse, correspondant à l'enfoncement de la pédale d'accélérateur, par un conducteur et transmis à un calculateur électronique qui délivre une consigne de couple [Cg(t)] dans le temps au groupe motopropulseur, caractérisé en ce que la consigne optimisée est déterminée à partir de la consigne de couple, et d'un modèle énergétique et dynamique du véhicule définissant la vitesse instantanée (V) en fonction de sa valeur à l'instant précédent et de la consigne de couple , par les étapes suivantes - détermination d'une accélération moyenne (r) sur une montée de vitesse prédéterminée - calcul du temps (Tg) de montée en vitesse du véhicule passant d'une vitesse initiale (VO) à la vitesse souhaitée (VO + 6VO), correspondant à la durée d'optimisation :: To = 6VO/r - détermination de la consigne optimisée [Cgo(t)] qui minimise l'énergie (E) consommée par le véhicule tout en maximisant la distance parcourue (xO) atteinte pendant la durée de montée en vitesse (Tg) avec l'objectif de vitesse finale (V0+6VO), par calcul du minimum d'une fonction de coût (J) qui est une fonction de ladite distance (xO) parcourue pendant la durée (Tg), de la vitesse (V) du véhicule et de l'énergie consommée (E), elle-même fonction de la vitesse et de la consigne de couple [Cg(t)] appliquée au moteur - application de cette consigne optimisée [Cgo(t)] au groupe motopropulseur. 2. Procédé de gestion optimisée en vitesse selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à chaque changement d'objectif de vitesse fixé par le conducteur, la consigne de couple optimisée est déterminée avant son application effective, au groupe motopropulseur durant le temps de montée en vitesse (To) 3.Procédé de gestion optimisée en vitesse selon la revendication 2, caractérisé en ce que la consigne de couple est échantillonnée dans le temps, avec une période d'échantillonnage (te) et en ce que la consigne de couple optimisée est déterminée à partir de la consigne de couple, et d'un modèle énergétique et dynamique du véhicule définissant la vitesse instantanée (Vk) en fonction de sa valeur à l'instant précédent et de la consigne de couple, par les étapes suivantes - détermination d'une accélération moyenne (r) sur une montée de vitesse prédéterminée - calcul du temps (Tg) de montée en vitesse du véhicule passant d'une vitesse initiale (VO) à la vitesse souhaitée (VO + 6VO), correspondant à la durée d'optimisation Tg = 6VO/r - calcul du nombre (n) de consignes [Cgn] à appliquer à partir de l'instant (t0) correspondant au changement d'objectif de vitesse et pendant la montée en vitesse (T0) - détermination de la suite des consignes optimisées (Cgon) qui minimisent l'énergie (E) consommée par le véhicule tout en maximisant la distance (xO) parcourue pendant la durée (Tg) avec la vitesse finale (V0+6VO), par calcul du minimum d'une fonction de coût (J) qui est une fonction de la distance (xO) parcourue, de la vitesse (V) du véhicule et de l'énergie consommée (E), elle-même fonction de la vitesse et de la consigne de couple (Cgn) appliquée au moteur - application de cette suite de consignes optimisées (Cgon) au groupe motopropulseur. 4. Procédé de gestion optimisée en vitesse selon la revendication 3, caractérisé en ce que - la suite des consignes de couple (Cgn) délivrées par le calculateur est échantillonnée, avec une période (te) le nombre (n) de consignes à appliquer pendant la montée en vitesse (Tg) étant égal à la partie entière du quotient de la durée de montée en vitesse (Tg) par la période d'échantillonnage (te) - le modèle dynamique du véhicule traduit sa vitesse instantanée en fonction de sa vitesse à l'instant précédent et de la consigne de couple - la fonction de coût (J) ayant un minimum, on fixe un pas de convergence positif (pc) ;; et en ce que le calcul du minimum de la fonction de coût (J) comprend les étapes suivantes - modification d'une des consignes de couple (Cgk) délivrées par l'ordinateur, par ajout d'une valeur prédéterminée (6Cgk) - calcul de la fonction de coût (J) avec la nouvelle valeur de la consigne ainsi modifiée (Cgk + 6Cgk) - calcul de la consigne optimisée en vitesse (Cgok) à partir du gradient de la fonction de coût (J) obtenu en fonction de la variation de ladite consigne (Cgk) et du pas de convergence Cgok = -Pc*#J(Cgk + #Cgk) + cgk. 5. Procédé de gestion selon la revendication 2, caractérisé en ce que la détermination des n consignes de couple optimisées en vitesse consiste à calculer chaque consigne à partir de la précédente obtenue en utilisant un réseau neuronal dont les entrées sont la consigne de couple (Cg) délivrée par le calculateur du véhicule en fonction de l'enfoncement de la pédale d'accélérateur, la vitesse du moteur, la tension et le courant de la batterie, et qui délivre en sortie, à partir de la fonction de coût à minimiser (J), du modèle dynamique du véhicule et de l'objectif de vitesse, la consigne de couple optimisée (Cgo) à appliquer.