Brevet FR2823028A1 — publié le 20021004

La présente invention est relative à un procédé pour déterminer le couple d'entraînement d'un alternateur, en particulier celui qui dans un véhicule automobile assure la production d'énergie électrique pour son réseau de bord. Il y a actuellement une forte tendance à augmenter la puissance électrique installée à bord des véhicules automobiles, notamment celle de charges diverses nécessaires au chauffage qui est de plus en plus assuré au moyen de résistances à coefficient de température positif (résistances CTP). La mise en circuit et la coupure de ces charges importantes sur le réseau de bord font varier considérablement le couple d'entraînement demandé par l'alternateur, ce qui se ressent au niveau du moteur à combustion interne entraînant le véhicule et auquel l'alternateur est également couplé mécaniquement. Par ailleurs, le calculateur de commande d'un tel moteur d'entraînement à combustion interne a de plus en plus besoin de connaître les valeurs des couples d'entraînement réclamés par les accessoires entourant le moteur et parmi ces accessoires on trouve l'alternateur. Le besoin se fait donc sentir dans ce contexte de pouvoir déterminer avec une précision satisfaisante et à tout instant la valeur du couple d'entraînement d'un tel alternateur. Par US 5 952 586, on connaît un procédé de détermination du couple d'entraînement demandé par un alternateur par lequel la valeur de ce couple est déduite d'une relation entre les vitesses d'une poulie de sortie du moteur à combustion interne et d'une poulie d'entraînement montée sur l'arbre de l'alternateur, les deux poulies étant couplées mécaniquement par une courroie. La vitesse de la poulie de l'alternateur est déduite du courant fourni par l'alternateur. Ce procédé présente l'inconvénient de donner un résultat imprécis, notamment en raison du fait que dans le calcul du couple demandé par l'alternateur, il faut faire intervenir les propriétés élastiques de la courroie couplant les deux poulies l'une à l'autre. L'invention a pour but de proposer un procédé de détermination du couple demandé par un alternateur qui ne présente pas ces inconvénients de la technique antérieure. L'invention a donc pour objet un procédé pour déterminer le couple d'entraînement d'un alternateur comprenant un enroulement rotorique caractérisé en ce qu'il consiste : a) à calculer le courant circulant dans le rotor de l'alternateur en prenant en compte la température actuelle rotorique ; b) à relever la vitesse de rotation de l'alternateur ; et c) à déterminer la valeur dudit couple d'entraînement à partir d'une relation prédéterminée propre à cet alternateur et reliant ce couple d'entraînement aux valeurs calculées du courant rotorique et de la vitesse de rotation, établies au cours des étapes a) et b). Grâce à ces caractéristiques, il devient possible, moyennant un minimum de moyens matériels et logiciels de déterminer le couple d'entraînement de l'alternateur en tenant compte de la température actuelle de fonctionnement rotorique et en s'affranchissant de toute implication de paramètres relatifs aux éléments mécaniques d'entraînement de l'alternateur dans la détermination du couple d'entraînement. Le procédé suivant l'invention peut également présenter les particularités avantageuses suivantes : il consiste à extraire la valeur dudit couple d'entraînement d'une première table caractéristique relevée sur banc d'essai et dans laquelle les valeurs de courant et de vitesse répondant à ladite relation prédéterminée ont préalablement été mémorisées ; il consiste à déterminer ledit courant rotorique par calcul du quotient de la tension actuelle délivrée à l'enroulement rotorique, par la résistance rotorique corrigée en fonction de la température actuelle rotorique. la détermination du courant rotorique n'est effectuée que si la valeur de la tension actuelle délivrée par l'alternateur dépasse une valeur minimale prédéterminée ; dans le cas où ledit alternateur comporte un régulateur de courant rotorique comprenant un composant semi-conducteur commandé dont le signal de commande est impulsionnel pour déterminer la valeur du courant rotorique en fonction du rapport cyclique de ce signal de commande, le procédé consiste à calculer le produit dudit rapport cyclique par la tension actuelle délivrée par l'alternateur afin de déterminer ladite tension délivrée à l'enroulement rotorique ; il consiste à soumettre la valeur dudit rapport cyclique à une opération de filtrage passe-bas de premier ordre dont la fréquence de coupure est déterminée par le quotient de la résistance rotorique établie à une première température prédéterminée, par la valeur de l'inductance rotorique, ladite résistance rotorique à une première température prédéterminée étant corrigée en température en fonction de ladite température rotorique actuelle ; ladite fréquence de coupure est établie selon la relation : dans laquelle : Fc = Fréquence de coupure Tx = Ladite première température prédéterminée RT. = Résistance de l'enroulement rotorique à la température Tx 0,0039 = Coefficient de température de la résistivité du cuivre TR = Température actuelle de l'enroulement rotorique L = Inductance rotorique il consiste à calculer ledit courant rotorique à l'aide d'une relation de la forme : dans laquelle : IR = Courant rotorique Ualt = Tension actuelle délivrée par l'alternateur RCODFfiltré = Rapport cyclique filtré Tx = Première température prédéterminée RTZ = Résistance rotorique à la température Tx 0, 0039 = Coefficient de température de la résistivité du cuivre TR = Température actuelle de l'enroulement rotorique dans le cas où la tension appliquée à l'enroulement rotorique de l'alternateur est compensée en température avec une constante de compensation prédéterminée, il consiste à déterminer la température actuelle rotorique selon la relation : dans laquelle : TR = Température actuelle rotorique Ty = Seconde température prédéterminée de l'alternateur Ualt Ty Tension délivrée par l'alternateur à la température Ty Usait = Tension actuelle délivrée par l'alternateur Constante de compensation de température de la tension de régulation Coefficient de corrélation entre la température rotorique Tr et la température dudit régulateur le procédé consiste à limiter le taux de variation de la température rotorique à une valeur majorante prédéterminée ; le calcul du courant rotorique n'est effectué que si la température actuelle rotorique dépasse un taux de variation prédéterminée ; il consiste à extraire la valeur de la température actuelle rotorique d'une seconde table caractéristique préalablement relevée sur banc d'essai et dans laquelle sont mémorisées les valeurs de ladite température actuelle rotorique en fonction de la tension délivrée par l'alternateur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est un diagramme montrant l'évolution du couple d'entraînement Ce d'un alternateur en fonction du courant rotorique IR pour deux vitesses de rotation Vi et V2 de cet alternateur ; la figure 2 est un schéma simplifié montrant à titre d'exemple d'application de l'invention, une installation électrique d'un véhicule automobile alimentée par un alternateur dont le couple d'entraînement est déterminé selon le procédé de l'invention ; la figure 3 est un diagramme montrant un exemple de signal de commande d'un composant semi-conducteur inséré dans le circuit d'excitation d'un alternateur pour en commander le courant rotorique IR ; et la figure 4 est un ordinogramme illustrant les opérations exécutées au cours de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. L'invention est basée sur la constatation que le couple nécessaire pour l'entraînement d'un alternateur peut être évalué avec une très bonne approximation à partir de sa vitesse de rotation et du courant qui circule dans son rotor, à condition de dûment tenir compte des phénomènes de saturation magnétique et de la température rotorique. La figure 1 illustre cette constatation qui a été confirmée par de nombreuses mesures faites par la Demanderesse sur des alternateurs disponibles dans le commerce pour les applications dans le domaine des véhicules automobiles. On voit que la relation entre le couple d'entraînement Ce et le courant IR circulant dans le rotor suit au moins approximativement une loi linaire pour les différentes vitesses de rotation, par exemple les vitesses V1 et V2, et que chaque courbe correspondante comporte un domaine linéaire 1 et un domaine de saturation s. Selon l'invention, le faisceau de courbes du couple d'entraînement en fonction du courant rotorique correspondant à l'alternateur considéré est relevé au préalable pour un alternateur ou un type d'alternateur considéré et les valeurs correspondantes sont mémorisées dans une première table de caractéristiques TC1 (voir les figures 2 et 4). Pour extraire les valeurs de couple de la table caractéristique TC1, il est nécessaire de connaître la vitesse de rotation V de l'alternateur et le courant IR qui circule dans son rotor, la valeur du couple étant calculée à des intervalles réguliers pour être rafraîchie périodiquement avec une période prédéterminée qui peut être de 10 ms par exemple. Une telle périodicité est suffisante dans l'environnement d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile. La vitesse de rotation V de l'alternateur peut être mesurée aisément par exemple par un capteur approprié spécialement prévu sur l'alternateur. Cependant, dans le cas de l'application dans un véhicule automobile, la valeur de la vitesse de rotation de l'alternateur est directement disponible à partir du calculateur de commande du moteur qui peut la déduire de la vitesse de rotation du moteur, celleci ayant un rapport constant avec cette vitesse de l'alternateur. On va maintenant décrire un mode de mise en oeuvre préféré d'obtention de l'autre valeur déterminant le couple de l'alternateur à savoir la valeur du courant rotorique IR. Afin de faciliter la compréhension de l'exposé, on se référera d'abord à la figure 2 qui représente un schéma très simplifié d'une installation électrique équipée d'un alternateur 1 auquel est appliqué le procédé de détermination de couple d'entraînement selon l'invention. Cet exemple concerne à titre non limitatif l'installation électrique d'un véhicule automobile. L'alternateur 1 comprend un bobinage statorique 2, de type triphasé par exemple, et un enroulement d'excitation rotorique 3. Le bobinage statorique 2 est connecté à un pont redresseur 4 qui fournit une tension continue à une batterie 5 et, par l'intermédiaire d'une clé de contact 6, à un réseau de bord 7 du véhicule automobile. L'alimentation de l'enroulement rotorique 3 est prélevée sur le pôle + de la batterie 6 et envoyée dans l'enroulement 3 par l'intermédiaire d'un composant semi-conducteur commandé 8. Ce dernier fait partie d'un régulateur 9. L'ensemble qui vient d'être décrit est classique dans la technique automobile. Cet ensemble comprend également un dispositif de calcul 10 chargé de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. Ce dispositif de calcul 10 peut être intégré dans le calculateur de bord (non représenté) du véhicule chargé notamment d'assurer la commande de son moteur à combustion interne. Il comporte notamment la table caractéristique TCl dont il a déjà été question ci-dessus. Le dispositif de calcul 10 reçoit plusieurs signaux d'entrée. Tout d'abord, le régulateur 9 de l'enroulement d'excitation 3 lui fournit un signal DF de commande du composant semi-conducteur commandé 8. Ce signal est représenté sous forme complémentée sur la figure 3. On voit qu'il s'agit d'un signal impulsionnel sur le rapport cyclique Ton/T duquel peut agir le régulateur 9, T étant la durée de la période du signal DF et Ton la durée de l'intervalle pendant lequel le signal est actif pour rendre le composant 8 conducteur. Le dispositif de calcul 10 élabore à partir de ce signal DF un signal RCO DF représentatif de la tension moyenne instantanée appliquée à l'enroulement 2 selon la relation : Le dispositif de calcul 10 reçoit également la tension Ubat régnant aux bornes de la batterie 5, ainsi qu'une valeur de vitesse de rotation V comme déjà décrit ci-dessus. La figure 4 illustre le déroulement du procédé de détermination selon l'invention. Le bloc fonctionnel Bl symbolise l'opération de calcul du signal RCODF à partir du signal DF selon la relation (1) donnée ci-dessus. Le bloc fonctionnel B2 symbolise une opération de filtrage du premier ordre fait sur le signal RCODF. Cette opération est souhaitable pour tenir compte de la plage de variation de la résistance et de l'inductance de l'enroulement 2 en fonction de la température. De préférence, le filtrage exécuté au cours de l'opération B2 est du type passe-bas et présente une fréquence de coupure de la forme : dans laquelle : Fc = Fréquence de coupure Tx = Première température prédéterminée (elle est de 20 C par exemple) RT. = Résistance de l'enroulement rotorique à la température Tx 0,0039 = Coefficient de température de la résistivité du cuivre TR = Température de l'enroulement rotorique L = Inductance rotorique relevé sur banc d'essai pour chaque type d'alternateur, une seule valeur pouvant suffire pour l'ensemble de la plage de fonctionnement de l'alternateur. On voit que la mise en oeuvre du calcul de la fréquence de coupure Fc de l'opération de filtrage nécessite la connaissance de la température rotorique TR se présentant au cours du fonctionnement de l'alternateur. Cette température rotorique TR n'est pas directement disponible. Il convient de savoir par ailleurs, que les alternateurs utilisés dans les véhicules automobiles peuvent être refroidis soit par de l'air seulement, soit à la fois par de l'eau et de l'air. Dans le premier cas, la température rotorique TR est influencée essentiellement : par les pertes rotoriques qui dépendent ellesmêmes du courant IR, ce dernier variant à son tour en fonction du courant statorique Is ; par la température de l'air de refroidissement ; par le débit de cet air de refroidissement qui dépend de la vitesse de rotation V de l'alternateur. Dans le second cas, s'ajoute à ces paramètres agissant sur la température rotorique également la température de l'eau de refroidissement qui dans le cas d'un véhicule automobile est généralement celle circulant dans le moteur à combustion interne pour le refroidir. La prise en compte de tous ces paramètres présente des difficultés considérables et rend complexe la détermination de la température rotorique. L'invention propose de contourner ces difficultés de la façon suivante. L'alternateur 1 étant équipé du régulateur 9, celui-ci doit être compensé en température notamment pour corriger la tension de régulation en vue d'un maintien optimal de la charge de la batterie 6. Il s'est avéré que la température du régulateur 9 présente une corrélation étroite avec la température rotorique TR dans les limites de précision compatibles avec une mise en oeuvre correcte du procédé selon l'invention. La température du régulateur 9 peut être estimée par la relation : dans laquelle : Usait = Tension régulée délivrée par l'alternateur Ty = Deuxième température prédéterminée (elle peut être égale à 23OC, par exemple) Ualt~Ty = Tension régulée délivrée par l'alternateur à la température Ty (elle peut être de 14,55 Volts, par exemple) Test = Température estimée de la puce du régulateur 9 Kc = Constante de compensation de température de la tension de régulation (elle peut être égale à 0,01 par exemple) Du fait de la corrélation entre la température Test de la puce du régulateur 9 et de la température rotorique TR, il vient d'après la relation (3) : dans laquelle : TR = Température actuelle rotorique Coefficient de corrélation entre la température rotorique TR et la température du régulateur 9 De préférence, la droite représentée par la relation 4 peut être mémorisée dans une table de caractéristiques TC2 (figure 2 et 4) relevée sur banc d'essai. En se référant de nouveau à la figure 4, le procédé fournit la température TR de la façon suivante sur la base des éléments de calcul qui viennent d'être exposés. Pendant l'opération représentée par le bloc fonctionnel B3, la tension Ubatt Fcu est relevée de préférence sur le calculateur de commande (non représenté) du moteur à combustion interne dont elle est la tension d'alimentation. Elle est donc facilement disponible pour le dispositif de calcul 10. Avantageusement, on déduit de cette tension d'alimentation, la tension Ualt en majorant la tension Ubatt ECU d'une tension de décalage calibrable Uoffsetr représentant la différence à peu près constante entre les deux tensions pour un type d'alternateur donné. Le calcul de la somme Ubattreg + Uoffset est symbolisé par le bloc fonctionnel B4. Il s'est avéré que le procédé de détermination du couple d'entraînement selon l'invention ne donne de résultats fiables qu'en l'absence des deux situations de fonctionnement suivantes. Si l'alternateur 1 fonctionne avec un champ d'excitation maximale (le rapport cyclique DF de la figure 3 est alors de 100%), la tension Ualt n'est plus régulée de sorte que la compensation thermique pour l'estimation de la température actuelle rotorique TR n'est plus active. Cette situation correspond au cas où la batterie fonctionne en "dévers". Il s'agit en fait d'une situation théorique car, par ailleurs, la régulation est réalisée de telle manière que cette situation soit évitée. Néanmoins, par mesure de sécurité, le procédé de l'invention effectue un test (bloc fonctionnel B5) pour vérifier si la tension Ualt est supérieure à une valeur minimale Ualtmin qui peut typiquement être fixée à 13,4 Volts par exemple. Tant que cette condition n'est pas satisfaite, l'exécution du procédé est figée (bloc fonctionnel B6) et le test en B5 continue à être mise en oeuvre. Par contre, tant que la condition ci-dessus est satisfaite, pendant l'opération représentée par le bloc fonctionnel B7, le procédé recherche dans la table caractéristique TC2 la valeur de la température TR qui correspond à la tension actuelle régulée Usait de l'alternateur 1. Par ailleurs, de préférence, pour compenser les fluctuations de la tension du réseau 7, il est avantageux de limiter le taux de variation Tpmc de la température rotorique TR à une valeur maximale TR-mcmax prédéterminée. Cette valeur correspond à une augmentation de l'échauffement du rotor pouvant typiquement être de 0, 25 C par 10 millisecondes. L'opération correspondante est effectuée pendant un test symbolisé par le bloc fonctionnel B8. Dans ce bloc, on examine l'inégalité : En d'autres termes, on examine si la température rotorique actuelle TR (n) de l'itération n est supérieure ou non à la somme de la température rotorique TR (n-l) établie au cours de l'itération précédente et gardée en mémoire (bloc fonctionnel B9). S'il est répondu par la négative au test B8, la température TR (n) calculée est utilisée pour la suite des opérations. Dans le cas contraire, on impose comme température rotorique la valeur (bloc fonctionnel B10) : Ce processus mis en oeuvre dans les blocs fonctionnels B8, 9 et 10 revient à limiter le taux de variation de la température rotorique à une valeur majorante prédéterminée égale à TRmax. L'opération correspondant au bloc fonctionnel B2 aboutit à l'obtention de la valeur RC0~DF~filtré, cette valeur étant ensuite normée sur une plage de 100 % pendant l'opération qui est symbolisée par le bloc fonctionnel Bll. L'opération suivante (bloc fonctionnel B12) consiste à calculer le courant IR selon la relation : Les paramètres de cette relation (7) sont les mêmes que ceux déjà définis ci-dessus. On notera cependant que la valeur de la résistance Rrx inclut de préférence une part due à une résistance parasite composée en particulier de la résistance de contact au niveau des bagues et des balais de l'alternateur 1 et de la résistance RDsoN que présente le composant semi-conducteur 8 lorsqu'il est passant. La valeur de cette résistance parasite peut être estimée à 0, 25 Q dans le cas de la plupart des alternateurs du commerce. Pendant l'opération symbolisée par le bloc fonctionnel B13, il est alors procédé au calcul de la valeur recherchée du couple d'entraînement Ce de l'alternateur à l'aide de la table caractéristique TC1 à laquelle sont appliquées la valeur du courant IR qui vient d'être calculée et la valeur actuelle de la vitesse de rotation V de l'alternateur 1. Dans l'application à l'alternateur d'un véhicule automobile, les paramètres nécessaires à l'exécution du procédé selon l'invention et propres au type d'alternateur utilisé, et notamment les tables caractéristiques TC1 et TC2 sont de préférence communiqués au calculateur 10, en fin de chaîne de fabrication du véhicule concerné. Par exemple, ce transfert de données peut être réalisé par introduction des données sur un bus CAN du véhicule ou par une liaison bidirectionnelle par laquelle le calculateur 10 peut s'identifier et recevoir ensuite les données appropriées. REVENDICATIONS 1. Procédé pour déterminer le couple d'entraînement (Ce) d'un alternateur (1) comprenant un enroulement rotorique (3) caractérisé en ce qu'il consiste : a) à calculer le courant (IR) circulant dans le rotor de l'alternateur (1) en prenant en compte la température actuelle rotorique (top) ; b) à relever la vitesse de rotation (V) de l'alternateur (1) ; et c) à déterminer la valeur dudit couple d'entraînement (Ce) à partir d'une relation prédéterminée propre à cet alternateur et reliant ce couple d'entraînement (Ce) aux valeurs calculées du courant rotorique (IR) et de la vitesse de rotation (V) établies au cours des étapes a) et b). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à extraire la valeur dudit couple d'entraînement (Ce) d'une première table caractéristique relevée sur banc d'essai (TC1) dans laquelle les valeurs de courant et de vitesse répondant à ladite relation prédéterminée ont préalablement été mémorisées. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il consiste à déterminer ledit courant rotorique (IR) par calcul du quotient de la tension actuelle (usait) délivrée à l'enroulement rotorique (3) par la résistance rotorique corrigée en fonction de la température actuelle rotorique (top). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la détermination du courant rotorique (IR) n'est effectuée que si la valeur de la tension actuelle (malt) délivrée par l'alternateur (1) dépasse une valeur minimale prédéterminée (Ualt~mln). 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que, dans le cas où ledit alternateur (1) comporte un régulateur de courant rotorique (9) comprenant un composant semi-conducteur commandé (8) dont le signal de commande est impulsionnel pour déterminer la valeur du courant rotorique en fonction du rapport cyclique (RCODF) de ce signal de commande, le procédé consiste à calculer le produit dudit rapport cyclique (RCODF) par la tension actuelle (Ualt) délivrée par l'alternateur afin de déterminer ladite tension délivrée à l'enroulement rotorique. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il consiste soumettre la valeur dudit rapport cyclique (RCO DF) à une opération de filtrage passe-bas de premier ordre dont la fréquence de coupure (fic) est déterminée par le quotient de la résistance rotorique établie à une première température prédéterminée (Tx), par la valeur de l'inductance rotorique (L), ladite résistance rotorique à une première température prédéterminée étant corrigée en température en fonction de ladite température rotorique actuelle (TR). 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il ladite fréquence de coupure est établie selon la relation : dans laquelle : Fc = Fréquence de coupure Tx = Ladite première température prédéterminée Rïx = Résistance de l'enroulement rotorique à la température Tx 0, 0039 = Coefficient de température de la résistivité du cuivre TR = Température actuelle de l'enroulement rotorique L = Inductance rotorique 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il consiste à calculer ledit courant rotorique à l'aide d'une relation de la forme : dans laquelle : Courant rotorique Ualt = Tension actuelle délivrée par l'alternateur RCO~DF~filtré = Rapport cyclique filtré Tx = Première température prédéterminée RTX = Résistance rotorique à la température T Tx 0, 0039 = Coefficient de température de la résistivité du cuivre TR = Température actuelle de l'enroulement rotorique 9. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que dans le cas où la tension appliquée à l'enroulement rotorique (3) de l'alternateur (1) est compensée en température avec une constante de compensation prédéterminée (KG), il consiste à déterminer la température actuelle rotorique selon la relation : dans laquelle : TR = Température actuelle rotorique Ty = Seconde température prédéterminée de l'alternateur UaltTy = Tension délivrée par l'alternateur à la température Ty Ualt = Tension actuelle délivrée par l'alternateur Kc = Constante de compensation de température de la tension de régulation Coefficient de corrélation entre la température rotorique TR et la température dudit régulateur (9) 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à limiter le taux de variation de la température rotorique à une valeur majorante prédéterminée (TR~inc~max). 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisé en ce qu'il consiste à extraire la valeur de la température actuelle rotorique (TR) d'une seconde table caractéristique (TC2) préalablement relevée sur banc d'essai et dans laquelle sont mémorisées les valeurs de ladite température actuelle rotorique (TR) en fonction de la tension (Ualt) délivrée par l'alternateur (1).