Brevet FR2835486A1 — publié le 20030808

DISPOSITIF DE TRANSMISSION DE PUISSANCE POUR UN VEHICLE AUTOMOBILE, COMPRENANT AU MOINS UNE MACHINE ELECTRIQUE. L'invention concerne le domaine des véhicules automobiles dont la propulsion est assurée par au moins une machine électrique, éventuellement associée à un moteur thermique. Une telle machine électrique est alors reliée par l'intermédiaire d'un convertisseur statique d'énergie à une batterie, destinée à fournir de l'énergie à cette machine électrique ou à stocker de l'énergie provenant de cette même machine. Un convertisseur statique d'énergie se présente sous la forme d'un onduleur pour une machine électrique à courant alternatif, par exemple du type synchrone ou asynchrone, ou encore d'un hacheur pour une machine électrique à courant continu. Les convertisseurs statiques d'énergie comportent des semiconducteurs de puissance qui sont onéreux. Ils ont donc un prix de revient très élevé, peu compatible avec les contraintes de coûts de l'industrie automobile. Ceci constitue un frein au développement des véhicules automobiles électriques ou hybrides. L'invention a pour objet de pallier ces inconvénients en réduisant de façon importante le prix de revient des convertisseurs statiques d'énergie associés aux machines électriques. L'invention concerne donc un dispositif de transmission de puissance aux roues d'un véhicule automobile, comprenant au moins une machine électrique, associée à un convertisseur statique d'énergie comprenant des semi-conducteurs de puissance et à des moyens d'alimentation en énergie. Selon l'invention, le dispositif de transmission comprend en outre des moyens de régulation de la tension U aux bornes des moyens d'alimentation en énergie, grâce auxquels la tension U est maintenue à une valeur de référence UREF égale à : UREF = MIN [ (Ui-X. 1) ; MAX (U2 ; (U3/k)) ] où : U, est la tension de tenue des semi-conducteurs de puissance, ? l est la surtension aux bornes des semi-conducteurs de puissance, 1 étant le courant circulant dans la machine électrique, U2 est la différence entre U, et la surtension maximale aux bornes des semi-conducteurs, Us est ta tension aux bornes de la machine électrique, k est un coefficient constant, 1 et U3 étant définis à partir du flux et du régime de la machine électrique, laquelle est dimensionnée pour atteindre le couple maximum et la puissance maximale souhaités. Ce mode de régulation convient bien à une machine électrique soumise à un défluxage aux régimes élevés. La régulation peut également être simplifiée en maintenant la tension U aux bornes des moyens d'alimentation en énergie entre deux valeurs limites, la première correspondant à U2, c'est-à-dire la différence entre U1 (tension de tenue des semi-conducteurs) et la surtension maximale aux bornes des semi-conducteurs et la deuxième correspondant à (Ui-. I), c'est-à-dire la différence entre la tension de tenue des semi-conducteurs et la surtension réelle calculée en fonction du courant 1 circulant dans la machine électrique. Cette régulation peut encore être simplifiée en maintenant la tension aux bornes des moyens d'alimentation en énergie à U2, c'est-à-dire la différence entre U1 (tension de tenue des semi-conducteurs) et la surtension maximale aux bornes des semi-conducteurs. Ainsi, dans le dispositif de transmission de puissance selon l'invention et ce, quelle que soit la tension de référence choisie pour effectuer la régulation de la tension aux bornes des moyens d'alimentation en énergie, cette tension est maintenue la plus haute possible, compte tenu des contraintes liées aux semi-conducteurs eux-mêmes. En effet, l'invention est basée sur le constat suivant. Aux bornes d'une batterie associée à une machine électrique et donc, aux bornes du convertisseur statique d'énergie, la tension peut varier entre deux valeurs extrêmes, typiquement 400 volts et 200 volts. La valeur de 400 volts correspond à la recharge de la batterie et la valeur de 200 volts correspond à sa décharge. Ceci est dû à la résistance interne de la batterie. La tension de tenue des semi-conducteurs est alors typiquement de 600 volts. Or, les semi-conducteurs de puissance d'un convertisseur statique d'énergie doivent être dimensionnés pour supporter le courant maximum susceptible de les traverser. Pour une puissance donnée de la machine, ce courant maximum est obtenu lorsque la tension aux bornes de la batterie est minimale. Ainsi, c'est typiquement la tension de 200 volts qui détermine le courant maximal pouvant circuler dans le convertisseur statique d'énergie et donc, la dimension des semi-conducteurs et leur coût. Or, le dispositif de transmission de puissance selon l'invention permet de maintenir la plus haute possible, compte tenu du mode de régulation choisi, la tension aux bornes des moyens d'alimentation et donc, la tension aux bornes de la machine électrique. De façon générale, la relation entre la tension U3 aux bornes de la machine électrique et la tension U aux bornes des moyens d'alimentation est définie par : U3 Ce coefficient est dénommé coefficient de MLI (modulation de largeur d'impulsions) ou de PWM (pulse width modulation). Il est déterminé par le fonctionnement de l'onduleur et sa valeur est typiquement de 0,76. Pour reprendre les valeurs indiquées plus haut, c'est une tension d'au moins 400 volts qui peut ainsi être maintenue aux bornes des moyens d'alimentation en énergie. Ceci a des conséquences directes sur le dimensionnement de la machine électrique et le courant circulant dans cette machine. En effet, la tension U3 aux bornes de la machine électrique est définie par : U3 = n. (p. w où : n est le nombre de spires de la machine électrique. (p est le flux magnétique dans la machine électrique et west le régime de la machine. Grâce aux moyens de régulation selon l'invention, la tension U3 aux bornes de la machine est maximisée, puisque la tension U aux bornes des moyens d'alimentation est elle-même maximisée. Donc, pour pouvoir atteindre le régime w souhaité, il faut prévoir un produit n. (p maximal lors du calcul de la machine électrique. En particulier, il faut augmenter le nombre n de spires, par rapport à une machine électrique qui fonctionnerait avec une batterie et sans moyen de régulation de la tension. Or, le couple C de la machine électrique est égal à : C = n. Ainsi, la machine électrique étant dimensionnée pour que le produit n. (p soit maximal, le couple C souhaité peut être atteint avec un courant 1 minimal. Or, le courant 1 circulant dans la machine électrique circule également dans les semi-conducteurs de puissance du convertisseur statique d'énergie. Les moyens de régulation prévus dans le dispositif de transmission selon l'invention permettent donc, en maintenant à une valeur haute la tension U aux bornes des moyens d'alimentation en énergie, de diminuer le courant 1 circulant à la fois dans la machine électrique et dans le convertisseur statique d'énergie, grâce à un dimensionnement approprié de la machine électrique. Le courant 1 circulant dans les semi-conducteurs de puissance étant relativement faible, le dimensionnement des semi-conducteurs peut être réduit en conséquence. Le coût des semi-conducteurs est alors diminué de façon radicale. Ainsi, le dispositif de transmission selon l'invention permet d'utiliser des semi-conducteurs de puissance sous-dimensionnés par rapport à ceux qui sont nécessaires pour une machine électrique fonctionnant avec une batterie, ce qui permet de réduire considérablement le coût du convertisseur statique d'énergie. Il faut noter à cet égard que le prix de revient de la machine électrique n'est pas augmenté, malgré l'augmentation du nombre de spires. En effet, le courant circulant dans la machine électrique est diminué, ce qui permet de réduire en conséquence la section du fil de cuivre utilisé. Bien entendu, le dispositif de transmission de puissance selon l'invention ne peut pas utiliser une batterie pour fournir de l'énergie à une machine électrique. Il est nécessaire d'utiliser d'autres moyens d'alimentation en énergie, dont la tension peut effectivement être régulée. On peut par exemple utiliser un convertisseur courant continu/courant continu associé à une supercapacité ou encore une autre machine électrique associée elle-même à un convertisseur statique d'énergie. L'invention va maintenant être décrite de façon plus détaillée en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente un dispositif de transmission de puissance selon l'invention, comportant une machine électrique et un moteur thermique - la figure 2 représente un dispositif de transmission de puissance selon l'invention, comportant deux machines électriques et un moteur thermique et - la figure 3 est un algorithme schématisant le procédé de détermination de la tension de référence UREF pour les moyens de régulation. La figure 1 représente donc un exemple de réalisation du dispositif de transmission selon l'invention qui comporte une machine électrique 1 et un moteur thermique 2, la machine électrique et le moteur thermique étant reliés par l'intermédiaire d'un embrayage 3. La machine électrique 1 est reliée aux roues 4 du véhicule, par l'intermédiaire d'une boîte de vitesses 5. Par ailleurs, un convertisseur statique d'énergie 6 est associé à la machine électrique 1. Les alimentations continues 60 du convertisseur 6 sont reliées à un bus 7 dont les deux lignes portent les références 70 et 71. Entre les deux lignes du bus est connecté un condensateur 72 qui assure un petit stockage d'énergie. Il a une capacité typiquement de 2000 u F et contient donc une énergie maximale de 300 J. Ce condensateur a une fonction de filtrage des courants haute fréquence générés par l'onduleur. Les deux lignes du bus sont reliées entre elles par une supercapacité 8. Elle a une capacité de typiquement 10 F et contient donc une énergie maximale de 50kJ. Entre le condensateur 72 et la supercapacité 8, un convertisseur courant continu/courant continu 9 est relié entre les deux lignes 70 et 71 du bus. Les moyens de régulation agissent directement sur le convertisseur courant continu/courant continu 9 pour maintenir la tension U, entre les deux lignes du bus et donc aux bornes du convertisseur statique 6 à la valeur maximale souhaitée UREF- Comme expliqué précédemment, cette valeur peut être constante et correspondre à la tension Us dont ta valeur est égale à la différence entre la valeur de la tension U1, tension de tenue des semi-conducteurs du convertisseur statique 6, et la surtension maximale aux bornes de ces mêmes semi-conducteurs. La régulation peut également être effectuée en prenant comme valeur de référence une tension comprise entre U2 et une autre valeur limite définie par (Ui-AJ), c'est-à-dire par la différence entre la valeur de la tension U, de tenue des semi-conducteurs et la surtension réelle aux bornes des semi-conducteurs. Cette régulation peut également être réalisée sur la base d'une tension de référence correspondant à : UpEF=M) N [ (Ui- ?..)) ; MAX (U2 ; (Us/k))] ci-après dénommée expression (1) La détermination de cette valeur de référence sera expliquée plus en détails en référence à l'algorithme de la figure 3. On se réfère maintenant à la figure 2 qui décrit un autre mode de réalisation du dispositif de transmission de puissance selon l'invention. Ce dispositif de transmission comprend un moteur thermique 10, une première machine électrique 20 et une deuxième machine électrique 30. Le moteur thermique 10 est relié à un train épicycloïdal 40 par l'intermédiaire d'un arbre 100. La puissance générée par le moteur thermique 10 est transmise par l'intermédiaire du train 40, d'une part directement aux roues 4 par l'intermédiaire des arbres 100 et 104 et d'un autre train épicycloïdal 50 et d'autre part, à la machine électrique 20 par l'intermédiaire de l'arbre 102. A la première machine électrique 20 est associé un convertisseur statique d'énergie 21, lequel est relié par l'intermédiaire de ses alimentations continues 210 à un bus 22. La deuxième machine électrique 30 est elle-même associée à un convertisseur statique d'énergie 31 dont les alimentations continues 310 sont également reliées au bus 22, dont les deux lignes portent les références 220 et 221. La deuxième machine électrique 30 est reliée par l'intermédiaire d'un crabot 32 à l'arbre 103 ou à l'arbre 104. L'arbre 103 est relié au train épicycloïdal 50, comme les arbres 101 et 104. L'arbre de sortie du train 50 est relié aux roues 4 du véhicule par l'arbre 104. Dans ce mode de réalisation, c'est la deuxième machine électrique 30 qui sert de moyen d'alimentation en énergie pour la première machine 20. Suivant les modes de fonctionnement, la deuxième machine électrique 30 peut être reliée à l'arbre 103 ou à l'arbre 104, par l'intermédiaire du crabot 32. Aucune batterie de puissance n'est prévue, de telle sorte que toute puissance électrique générée par un des convertisseurs statiques et fournie au bus 22 doit être immédiatement consommée par l'autre convertisseur statique. Les moyens de régulation agissent directement sur les convertisseurs statiques 21 et 31 pour d'une part, réaliser cette condition et d'autre part, maintenir la tension sur le bus, c'est-à-dire entre les deux lignes 220 et 221, à une valeur de référence UREF. Comme indiqué précédemment, cette tension de référence UREF peut être égale à U2, être comprise entre U2 et (U1 - Â.. 1) ou encore être égale à UREF=M) N [ (Ui- i) ; MAX (U2 ; (Us/k))]. On se réfère maintenant à la figure 3 qui décrit schématiquement le procédé de détermination de la valeur UREF la plus générale Le procédé consiste tout d'abord à comparer le régime w de la machine électrique à la valeur w base qui correspond au régime de base de la machine. Ce régime de base est tel que, lorsque le régime de la machine est inférieur à w base, le couple maximal de la machine électrique est indépendant du régime, tandis que la puissance maximale est indépendante du régime lorsque le régime de la machine est supérieur à w base. Ainsi, si le régime west supérieur à w base, on calcule le flux dans la machine par la formule : (p = (p base. (w base/w). Dans le cas contraire, le flux dans la machine est égal à : (p = (p base. La valeur du flux (p dans la machine étant ainsi déterminée, le procédé consiste alors à calculer : - d'une part, la valeur de la tension U3 aux bornes de la machine électrique, à partir du nombre n de spires de la machine électrique, selon l'équation U3 = n. (p. w, w étant le régime de la machine et (p le flux calculé, et - d'autre part, le courant 1 circulant dans la machine électrique selon l'équation 1 = C/ (n. La valeur de U2 étant connue et les valeurs de (Us/k) et (U1-À. t) pouvant être calculées à partir de U3 et de t, le procédé consiste enfin à déterminer UREF selon l'expression (1). Ainsi, avec un dispositif de transmission de puissance selon l'invention, le coût d'un convertisseur statique d'énergie associé à une machine électrique peut être en pratique diminué par deux, par rapport aux systèmes classiques dans lesquels la machine électrique est reliée à une batterie. Ce dispositif de transmission de puissance nécessite de dimensionner de façon particulière la machine électrique associée au convertisseur, mais ceci n'a pas d'incidence sur son coût. Les signes de référence insérés après les caractéristiques techniques figurant dans les revendications ont pour seul but de faciliter la compréhension de ces dernières et ne sauraient en limiter la portée. REVENDICATIONS 1. Dispositif de transmission de puissance aux roues (4) d'un véhicule automobile, comprenant au moins une machine électrique (1,20) associée à un convertisseur statique d'énergie (6,21) comprenant des semi-conducteurs de puissance et à des moyens d'alimentation en énergie, caractérisé en ce que le dispositif de transmission comprend en outre des moyens de régulation de la tension U aux bornes des moyens d'alimentation en énergie, grâce auxquels la tension U est maintenue à une valeur de référence UREF, égale à : UREF=MIN [ (U1 - Â. 1) ; MAX (U2 ; (U3/k))] où : U, est la tension de tenue des semi-conducteurs de puissance, k. l est la surtension aux bornes des semi-conducteurs de puissance, 1 étant le courant circulant dans la machine électrique, U2 est la différence entre U1 et la surtension maximale aux bornes des semi-conducteurs, Us est) a tension aux bornes de la machine électrique et k est un coefficient constant, 1 et U3 étant définis à partir du flux et du régime de la machine électrique, laquelle est dimensionnée pour atteindre le couple maximum et la puissance maximale souhaités. 2. Dispositif de transmission de puissance aux roues (4) d'un véhicule automobile, comprenant au moins une machine électrique (1,20) associée à un convertisseur statique d'énergie (6,21) comprenant des semi-conducteurs de puissance et à des moyens d'alimentation en énergie, caractérisé en ce que le dispositif de transmission comprend en outre des moyens de régulation de la tension U aux bornes des moyens d'alimentation en énergie, grâce auxquels la tension U est maintenue entre deux valeurs limites, la première correspondant à U2 et la deuxième correspondant à (U1-Â. !), où : U, est la tension de tenue des semi-conducteurs de puissance, .) est) a surtension aux bornes des semi-conducteurs de puissance, 1 étant le courant circulant dans la machine électrique, et U2 est la différence entre U, et la surtension maximale aux bornes des semi-conducteurs. 3. Dispositif de transmission aux roues (4) d'un véhicule automobile, comprenant au moins une machine électrique (1,20) associée à un convertisseur statique d'énergie (6,21) comprenant des semi-conducteurs de puissance et à des moyens d'alimentation en énergie, caractérisé en ce que le dispositif de transmission comprend en outre des moyens de régulation de la tension U aux bornes des moyens d'alimentation en énergie, grâce auxquels la tension U est maintenue à une valeur limite correspondant à2, des à dire à la différence entre U1, tension de tenue des semi-conducteurs de puissance, et la surtension maximale aux bornes des semi-conducteurs. 4. Dispositif de transmission de puissance selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation en énergie comprennent un convertisseur courant continu-courant continu (9) et une supercapacité (8). 5. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation en énergie comprennent une machine électrique (30) associée à un convertisseur statique d'énergie (31). 6. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un moteur thermique relié à la machine électrique par l'intermédiaire d'un embrayage (3) ou d'un ensemble mécanique (40). 7. Procédé de transmission de puissance aux roues (4) d'un véhicule automobile, comprenant au moins une machine électrique (1,20) associée à un convertisseur statique d'énergie (6,21) comprenant des semiconducteurs de puissance et à des moyens d'alimentation en énergie, le procédé consistant à réguler la tension U aux bornes des moyens d'alimentation en énergie de façon à ce que la tension U soit maintenue à une valeur de référence UREF, égale à : UREF=MIN [ (Ui-. U2 est la différence entre U1 et la surtension maximale aux bornes des semi-conducteurs, U3 est la tension aux bornes de la machine électrique et k est un coefficient constant, # et U3 étant définis à partir du flux et du régime de la machine électrique, laquelle est dimensionnée pour atteindre le couple maximum et la puissance maximale souhaités. 8. Procédé de transmission de puissance aux roues (4) d'un véhicule automobile, comprenant au moins une machine électrique (1,20) associée à un convertisseur statique d'énergie (6,21) comprenant des semiconducteurs de puissance et à des moyens d'alimentation en énergie, le procédé consistant à réguler la tension U aux bornes des moyens d'alimentation en énergie de façon à ce que la tension U soit maintenue entre deux valeurs limites, la première correspondant à U2 et la deuxième correspondant à (Ui-. i) où : U1 est la tension de tenue des semi-conducteurs de puissance, ..) est la surtension aux bornes des semi-conducteurs de puissance, # étant le courant circulant dans la machine électrique, et U2 est la différence entre U1 et la surtension maximale aux bornes des semi-conducteurs. 9. Procédé de transmission de puissance aux roues (4) d'un véhicule automobile, comprenant au moins une machine électrique (1,20) associée à un convertisseur statique d'énergie (6,21) comprenant des semiconducteurs de puissance et à des moyens d'alimentation en énergie, le procédé consistant à réguler la tension U aux bornes des moyens d'alimentation en énergie de façon à ce que la tension U soit maintenue à une valeur limite correspondant à Uz, c'est à dire à la différence entre U1, tension de tenue des semi-conducteurs de puissance, et la surtension maximale aux bornes des semi-conducteurs. 10. Véhicule automobile équipé d'un dispositif de transmission de puissance selon l'une des revendications 1 à 6.