Brevet FR2858665A1 — publié le 20050211

L'invention concerne les ensembles d'entraînement de véhicule comprenant un moteur thermique, ainsi que les procédés de commande de tels ensembles. Face aux exigences de réduction de C02 émis par les véhicules 5 dotés de moteurs à combustion interne, une des solutions techniques envisageables est l'installation d'une machine électrique associée à une électronique de puissance et de commande (alterno-démarreur) servant à la fois de moteur et de générateur électrique à bord du véhicule. L'une des fonctionnalités d'un alterno-démarreur allant dans le sens de la réduction 10 des émissions de C02 est la fonction start & stop (ou démarrage & arrêt ) où le moteur thermique est arrêté plutôt que de tourner au ralenti en émettant inutilement du C02 lorsque le véhicule est à l'arrêt. Toutefois, si le principe n'est pas nouveau, il exige un redémarrage rapide et silencieux pour ne pas nuire au confort du conducteur. En effet, la prestation start & 15 stop est susceptible d'apparaître fréquemment, surtout en parcours urbains ou encombrés. Lorsque le conducteur désire relancer le véhicule, le redémarrage du moteur thermique ne doit pas présenter d'inconvénients tels que bruits, vibrations, ou retard significatif pour le conducteur par rapport à un démarrage où le moteur thermique tourne au ralenti. Lorsqu'un alterno-démarreur démarre un moteur à combustion interne, deux cas peuvent se présenter: - dans le premier cas, le moteur est chaud et doit être démarré suffisamment rapidement (typiquement de 0,2 à 0,3 secondes) pour que le conducteur ne soit pas gêné par le temps de réaction ou les vibrations 25 produites par cette phase de démarrage. Le couple résistant du moteur à combustion est assez faible car les divers frottements internes au moteur sont faibles du fait de la température élevée des lubrifiants du moteur. Toutefois, le couple du moteur électrique doit être suffisamment important pour accélérer le moteur à combustion de façon à assurer un démarrage 30 rapide. D'autre part, le moteur thermique doit être amené à son régime de ralenti pour être immédiatement disponible par le conducteur, ce qui implique une puissance mécanique à fournir plus importante que lors d'un démarrage conventionnel sans la fonction start & stop où le moteur est amené par le démarreur jusqu'à 250 tr/min. environ. - dans le deuxième cas, le moteur est froid. Il s'agit d'un premier démarrage, et l'alterno-démarreur produit une prestation de démarrage 5 conventionnelle similaire à celle que fournirait un démarreur quand un temps de démarrage plus élevé et des vibrations sont tolérées. Ce type de démarrage n'a lieu qu'une fois car, pour des raisons de dépollution, la fonction start & stop est inhibée tant que le moteur n'est pas suffisamment chaud. Il doit néanmoins y avoir possibilité d'effectuer d'autres démarrages 10 ensuite (en cas de raté lors du premier démarrage ou d'arrêt volontaire du conducteur). On a ainsi illustré à la figure 1 différents profils de démarrage à chaud et à froid d'un moteur thermique, ce qui illustre les couples de démarrage nécessaires. Plus précisément, les trois courbes sont relatives 15 respectivement aux températures de démarrage à 23 C, -10 C, et -23 C. Chaque courbe indique l'évolution du régime du moteur en tours par minute en fonction du temps et à partir de l'arrêt. Lors d'un démarrage à froid, ce couple est sensiblement supérieur à celui d'un démarrage à chaud et impose donc a priori un dimensionnement 20 de l'alterno-démarreur tel qu'il puisse fournir un couple supérieur (pour le démarrage à froid) à celui qui lui sera demandé dans la très grande majorité des cas (démarrage à chaud lors du fonctionnement en start & stop). Le document FR-2 749 352 divulgue une solution généralement utilisée qui est de prévoir un démarreur additionnel dont la fonction est de 25 fournir le couple supplémentaire exigé pour démarrer le moteur à froid, ce qui présente l'inconvénient de devoir installer et gérer deux machines électriques à bord du véhicule. Une autre solution du type de celles divulguées dans les documents DE-10030367 et US-6 098 584 consiste à utiliser de l'énergie préalablement accumulée dans un volant d'inertie, ce 30 qui permet de démarrer le moteur thermique à froid avec une machine n'ayant pas suffisamment de couple pour le démarrer en direct sur l'arbre moteur. Toutefois, cette méthode requiert une architecture mécanique adaptée et présente l'inconvénient de devoir au préalable accumuler de l'énergie dans le volant d'inertie avant de démarrer, ce qui génère un délai d'attente contraignant pour le conducteur. Un but de l'invention est de permettre le démarrage d'un moteur thermique de façon rapide, en générant peu de vibrations, avec un coût réduit et au moyen d'un agencement de faible encombrement. En vue de la réalisation de ce but, on prévoit selon l'invention un procédé de commande d'un ensemble d'entraînement de véhicule, dans lequel on démarre un moteur thermique en appliquant à un alternateur à reluctance variable une valeur de consigne de courant fonction d'une 10 mesure de température relative au moteur. Ainsi, I'intensité du couple généré par l'alternateur est elle-même fonction de la température relative au moteur. On peut donc choisir la valeur de couple la plus adaptée suivant que le moteur est froid ou est chaud. Ce procédé est compatible avec des architectures variées. Par exemple, l'alternateur pourra être intégré au volant d'inertie du moteur thermique ou séparé et relié au moteur par n'importe quel moyen de transmission (typiquement courroies, pignons, trains planétaires, etc.) pouvant inclure des systèmes de découplage (tels que embrayage ou 20 crabots). La machine à reluctance variable pourra comporter un nombre quelconque de phases. De préférence, on démarre le moteur en appliquant la valeur de consigne seulement si au moins une température parmi une température de l'alternateur et une température d'un onduleur est inférieure à un seuil 25 prédéterminé. Ainsi, dans le cas où un démarrage du moteur à froid doit être fourni alors que l'électronique de puissance et la machine électrique ont déjà chauffé (précédent démarrage raté, démarrage avec arrêt volontaire juste après, ...), une procédure dégradée permet de satisfaire la prestation avec 30 un minimum d'échauffement pour le système alterno-démarreur. On prévoit également selon l'invention un procédé de commande d'un ensemble d'entraînement de véhicule dans lequel on démarre un moteur thermique en appliquant à un alternateur à reluctance variable une valeur de consigne de courant fonction d'une mesure de température relative au moteur sauf si au moins une température parmi une température de l'alternateur et une température d'un onduleur est supérieure à un seuil prédéterminé Chacun des procédés selon l'invention pourra présenter en outre au moins l'une quelconque des caractéristiques suivantes: - on démarre le moteur au moyen du seul alternateur quelle que soit la température relative au moteur; - la température relative au moteur est la température d'un fluide 10 ayant traversé le moteur; - on détermine la valeur de consigne de courant en modifiant une valeur de base de courant en fonction de la mesure de température relative au moteur; - on détermine la valeur de consigne de courant en multipliant une 15 valeur de base de courant avec un coefficient fonction de la mesure de température relative au moteur; - le coefficient est compris entre 1 et 1,7; - le coefficient est une fonction décroissante de la mesure de température relative au moteur; - le coefficient est une fonction convexe de la mesure de température relative au moteur; - on détermine la valeur de base en fonction d'une valeur de consigne de couple à appliquer au moteur; - on détermine la valeur de base en fonction d'une valeur de vitesse 25 de l'alternateur; et - la valeur de consigne de courant étant une première valeur, après application de la première valeur on applique à l'alternateur une deuxième valeur de consigne de courant inférieure à la première valeur. On prévoit également selon l'invention un ensemble d'entraînement 30 pourvéhicule comprenant: - un moteur thermique; - un alternateur à reluctance variable pour démarrer le moteur; et - une unité de commande agencée pour appliquer à l'alternateur une valeur de consigne de courant fonction d'une température relative au moteur. De préférence, I'unité de commande est agencée pour appliquer la 5 valeur de consigne seulement si au moins une température parmi une température de l'alternateur et une température d'un onduleur est inférieure à un seuil prédéterminé. On prévoit également selon l'invention un ensemble d'entraînement pour véhicule comprenant: - un moteur thermique; - un alternateur à reluctance variable pour démarrer le moteur; et - une unité de commande agencée pour appliquer à l'alternateur une valeur de consigne de courant fonction d'une température relative au moteur sauf si au moins une température parmi une température de 15 I'alternateur et une température d'un onduleur dépasse un seuil prédéterminé. On prévoit enfin selon l'invention un véhicule comprenant un ensemble selon l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront 20 encore dans la description suivante de deux modes préférés de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs en référence aux dessins annexés sur lesquels: - La figure 1 illustre l'évolution du régime de démarrage d'un moteur en fonction du temps pour différentes températures; - La figure 2 illustre l'évolution du courant de phase dans un alternateur à reluctance variable sur une période électrique; - La figure 3 illustre l'évolution du flux magnétique dans une phase de l'alternateur de la figure 2 en fonction du courant de phase; - Les figures 4 et 5 sont des vues analogues aux figures 2 et 3 30 correspondant à différentes valeurs du courant de phase; - La figure 6 présente des courbes illustrant pour différents régimes du moteur l'accroissement du couple de démarrage du moteur thermique en fonction de l'accroissement du courant de crête dans l'alternateur; - La figure 7 est une courbe illustrant la correspondance entre le coefficient de surcourant à appliquer selon les modes préférés de réalisation de l'invention en fonction de l'évolution de la température du moteur thermique; - La figure 8 est un schéma de principe du contrôle de l'ensemble selon un premier mode de réalisation de l'invention; - La figure 9 illustre des courbes montrant l'évolution de l'accroissement des pertes thermiques en fonction de l'accroissement du couple délivré; et La figure 10 est un schéma analogue à celui de la figure 8 illustrant un deuxième mode préféré de réalisation de l'invention prenant en compte un fonctionnement en mode dégradé. On va tout d'abord décrire en référence à la figure 8 un mode préféré de réalisation de l'ensemble selon l'invention. L'ensemble 2 constitue un ensemble d'entraînement de véhicule automobile. Cet ensemble comprend de façon connue en soi un moteur thermique 4, tel qu'un moteur à essence ou un moteur diesel. Il comprend un alternodémarreur formé par une machine 6 à reluctance variable d'un type connu en soi. Cette machine 6 est reliée mécaniquement au moteur 4 20 pour fournir un couple à ce dernier en vue de le faire démarrer lorsqu'il est à l'arrêt. Cette liaison mécanique d'un type connu en soi porte la référence 8 sur la figure 8. L'ensemble comprend une unité de commande 10 comportant des moyens informatiques classiques (microprocesseur, ...) lui permettant de commander les différents organes de l'ensemble comme 25 on le verra ci-après. L'ensemble 2 comprend également un onduleur 12 au moyen duquel l'unité de commande 10 pilote le fonctionnement de l'alternateur 6. L'ensemble comprend un capteur de position et/ou un capteur de vitesse 14 permettant à l'unité 10 de connaître à chaque instant une 30 mesure de la vitesse de l'alternateur 6. Il comprend également un capteur de température 16 mesurant à chaque instant une température d'un fluide traversant ou ayant traversé le moteur 4. Ce fluide sera par exemple une huile de lubrification du moteur ou l'eau du circuit de refroidissement. On sait que, dans les basses vitesses, une machine à réluctance variable telle que la machine 6 se pilote essentiellement par trois variables: - le courant de phase crête qui est régulé (Ilimite); - I'angle électrique d'amorçage des transistors par rapport à la position angulaire du rotor par rapport au stator (angle y); et - la durée de l'application de ce courant, ou son expression par un angle de conduction (angle Op). Ces trois grandeurs ont été illustrées sur la figure 8 comme des paramètres d'entrée dans l'unité de commande 10. Dans le cas d'un système alterno-démarreur intégré ou séparé constitué d'une machine à reluctance variable, la phase de démarrage du moteur thermique se situe dans cette zone où le courant est régulé à sa valeur crête. On a ainsi illustré à la figure 2 l'évolution du courant de phase sur une période électrique dans une phase de l'alternateur 6. Le couple délivré par l'alternateur 6 à vitesse constante est proportionnel à l'énergie transmise par une phase du moteur. Il est donc proportionnel à la surface de la courbe illustrée à la figure 3 qui montre l'évolution du flux associé à une phase de l'alternateur en fonction de l'évolution du courant de phase. Comme illustré à la figure 8 et de façon connue en soi, I'alternateur 6 est piloté par l'unité 10 au moyen de lois de commande issues de tables qui donnent les angles d'amorçage (y), de conduction (Op) et le courant (Ilimite) en fonction de la vitesse de l'alternateur 6 obtenue à partir du capteur 14. Ces grandeurs sont également fournies en fonction du couple à 25 délivrer par la liaison 8 au moteur 4. Eventuellement, on pourra également prendre en compte la tension continue qui alimente l'alterno-démarreur 6, par exemple la tension de batterie. Dans le présent exemple, le couple que fournit l'alternateur 6 lors d'un démarrage à froid du moteur 4 sera supérieur à celui à fournir lors d'un 30 démarrage à chaud (fonctionnement de type start & stop ) bien que l'accélération à produire soit plus faible à froid. On prévoit à cette fin que l'onduleur 12 et l'alternateur 6 sont refroidis par des moyens adaptés non illustrés pour fournir le couple nécessaire au démarrage à chaud. Dans le présent mode de réalisation, le procédé de commande de 5 l'ensemble permet d'augmenter transitoirement le couple moteur transmis par l'alternateur 6 en augmentant le courant crête Ilimite de la commande. Les autres angles de commande ne subissent aucun changement. Cette augmentation s'effectue ici en multipliant la valeur Ilimite avec un coefficient prédéterminé fonction d'une température relative au moteur thermique 4. 10 En l'espèce, il s'agira de la température fournie par le capteur 16. Les figures 4 et 5 montrent une augmentation du courant Ilimite et son effet sur l'énergie transmise et donc sur le couple fourni au moteur thermique 4. Ainsi, suivant la température du moteur 4 et donc le couple de démarrage nécessaire, le courant de phase de l'alternateur 6 et l'énergie 15 transmise lors d'une période électrique ont les formes illustrées. La table de commande précitée pour la valeur Ilimite donne une valeur Ilimite de base 1 qui correspond au couple à fournir pour démarrer le moteur chaud en fonctionnement start & stop. En revanche, les valeurs Ilimite 2, 3 et 4 fournissent des couples croissants pour des températures 20 du moteur thermique décroissantes. Cette augmentation de la valeur du courant engendre un gain dans le couple. On a ainsi illustré à la figure 6 pour différents régimes du moteur situés entre 100 tours/minute et 400 tours/minute le pourcentage d'accroissement du couple par rapport au couple fourni par Ilimite 1, en 25 fonction du pourcentage d'accroissement du courant ici encore par rapport au courant Ilimite 1. Il y apparaît que le gain en couple est dans les basses vitesses quasi indépendant de la vitesse du moteur 4. Par conséquent, on peut prévoir un coefficient multiplicateur constant sur toute la plage de vitesses balayée 30 durant le démarrage du moteur thermique. Comme on l'a indiqué précédemment, ce coefficient dit coefficient de surcourant est fourni au moyen d'une table de correspondance prédéterminée avec une plage de température du moteur située en l'espèce entre -30 C et +30 C. La figure 7 est une courbe illustrant cette table de correspondance. On observe que, dans le présent exemple, le coefficient de surcourant est une fonction strictement décroissante de la température du moteur thermique 4, et même une fonction strictement 5 convexe. Il en découle que la pente de décroissance du coefficient, pente négative, va en augmentant à mesure que la température du moteur 4 augmente. Cette table et cette courbe sont obtenues en déterminant par mesure ou par simulation pour un moteur thermique donné les couples nécessaires 10 à son démarrage en fonction de sa température. La figure 7 montre que le coefficient varie entre 1,65 pour une température du moteur 4 égale à 30 C jusqu'à une valeur de 1 pour une température du moteur égale à 12 C ou supérieure à celle-ci. Par conséquent, et comme illustré à la figure 8, la valeur Ilimite 15 intermédiaire obtenue par les tables d'angle est multipliées par le coefficient obtenu via la table de la figure 7 en fonction de la mesure de température du moteur thermique. Ainsi, l'alternateur 6 fournit au moteur 4 lorsqu'il est froid un couple augmenté permettant de le faire démarrer. Ce démarrage a donc lieu de façon rapide et sans génération de vibrations trop importantes. 20 Comme on le voit, l'invention permet d'utiliser une machine électrique à reluctance variable et une électronique de puissance associée dimensionnées pour fournir le couple requis pour le démarrage à chaud du moteur thermique. Ce même alternateur 6 est capable d'assurer le démarrage à froid grâce à l'utilisation des spécificités de la machine à 25 reluctance variable et une commande particulière pour fournir le couple supplémentaire nécessaire au démarrage du moteur thermique à froid. Un avantage de l'invention est de réduire le coût et l'encombrement du système d'alterno-démarreur en limitant le couple nominal dans les bas régimes (utile pour la fonction démarrage) et permettant ainsi de disposer, à 30 volume égale, de plus de puissance dans les hauts régimes pour d'autres prestations telles que la génération électrique ou le freinage récupératif. L'invention est utilisable quelle que soit l'architecture mécanique retenue pour implanter l'alterno-démarreur. Ainsi ce dernier peut être intégré sur l'arbre moteur ou séparé et relié au moteur par une quelconque transmission (telle que courroie, pignon ou autre). On pourra prévoir que la procédure d'augmentation du courant de consigne peut s'appliquer durant toute la phase de montée en régime du 5 moteur 4 ou, au contraire, seulement pendant un nombre limité de compressions de ce dernier. En l'espèce, la valeur de courant de consigne augmentée sera appliquée pendant une première période. A l'issue de cette application et tandis que le moteur est toujours en cours de démarrage, on appliquera une valeur Ilimite inférieure à la précédente et 10 par exemple telle que issue de l'une des tables illustrées à la figure 8. Cette deuxième valeur sera ainsi indépendante de la température du moteur 4 dans le présent exemple. Il apparaît par ailleurs que l'accroissement du courant de phase augmente fortement les pertes thermiques dans l'onduleur 12 et 15 I'alternateur 6. Toutefois, compte tenu de la faible température ambiante dans laquelle baigne le véhicule habituellement, l'écart de température entre le refroidisseur et la température de jonction maximum admissible pour l'électronique est plus importante. Le niveau maximum de surcourant admissible dépend du niveau d'acceptabilité de ces pertes. Néanmoins, 20 plus la température initiale de ces composants sera faible, plus ils pourront être surchargés transitoirement le temps du démarrage. On a ainsi illustré à la figure 9 l'évolution de l'accroissement des pertes dans ces éléments en fonction de l'accroissement du couple délivré et ce pour différents régimes du moteur. La figure 10 présente un deuxième mode préféré de réalisation de l'ensemble selon l'invention prenant en compte la question de l'échauffement de l'onduleur et de l'alternateur. L'ensemble 102 illustré à la figure 10 est en grande partie identique à l'ensemble de la figure 8 et fonctionne de façon similaire. Toutefois, il 30 comporte en supplément deux capteurs de température 20 et 22 agencés pour mesurer respectivement la température de l'onduleur 12 et celle de l'alternateur 6. Dans le mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention associé à cet ensemble, un test supplémentaire est introduit puisque l'unité il collecte les températures relevées par les capteurs 20 et 22 et compare chacune d'elles avec des seuils prédéterminés. Ces deux seuils peuvent être identiques l'un à l'autre. En l'espèce, si ces températures sont inférieures respectivement à 5 ces seuils, le fonctionnement a lieu comme dans le mode précédemment illustré à la figure 8 et conformément à ce qui a été illustré schématiquement par le commutateur 24. En revanche, si l'une au moins des deux températures dépasse le seuil indiqué, le commutateur 24 est basculé de sorte que l'on ne tient plus 10 compte du coefficient obtenu au moyen de la table de température de la figure 7. On affecte donc à ce coefficient la valeur 1 illustrée à la figure 10 de sorte que la valeur de courant Ilimite est identique à celle obtenue par la table d'angle. Dans ce mode de réalisation, I'unité de commande 10 devra détecter 15 la première compression du moteur thermique pour le calcul du courant de consigne. Ainsi, dans le cas où un démarrage du moteur à froid doit être fourni alors que l'électronique de puissance et la machine électrique ont déjà chauffé (précédent démarrage raté, démarrage avec arrêt volontaire juste 20 après, ...) la procédure dégradée permet de satisfaire la prestation avec un minimum d'échauffement pour le système alterno-démarreur. Bien entendu, on pourra apporter à l'invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle-ci. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande d'un ensemble d'entraînement (2; 102) de véhicule, caractérisé en ce qu'on démarre un moteur thermique (4) en 5 appliquant à un alternateur (6) à reluctance variable une valeur de consigne de courant fonction d'une mesure de température relative au moteur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on démarre le moteur (4) en appliquant la valeur de consigne seulement si au moins une température parmi une température de l'alternateur (6) et une 10 température d'un onduleur (12) est inférieure à un seuil prédéterminé. 3. Procédé de commande d'un ensemble (102) d'entraînement de véhicule, caractérisé en ce qu'on démarre un moteur thermique (4) en appliquant à un alternateur (6) à reluctance variable une valeur de consigne de courant fonction d'une mesure de température relative au moteur sauf si 15 au moins une température parmi une température de l'alternateur (6) et une température d'un onduleur (12) est supérieure à un seuil prédéterminé, 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on démarre le moteur (4) au moyen du seul alternateur (6) quelle que soit la température relative au moteur. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température relative au moteur (4) est la température d'un fluide ayant traversé le moteur. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on détermine la valeur de consigne de courant en 25 modifiant une valeur de base de courant en fonction de la mesure de température relative au moteur. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on détermine la valeur de consigne de courant en multipliant une valeur de base de courant avec un coefficient fonction de la 30 mesure de température relative au moteur. 8. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le coefficient est compris entre 1 et 1,7. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le coefficient est une fonction décroissante de la mesure de température relative au moteur. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, 5 caractérisé en ce que le coefficient est une fonction convexe de la mesure de température relative au moteur. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisé en ce qu'on détermine la valeur de base en fonction d'une valeur de consigne de couple à appliquer au moteur. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisé en ce qu'on détermine la valeur de base en fonction d'une valeur de vitesse de l'alternateur (6). 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la valeur de consigne de courant étant une première 15 valeur, après application de la première valeur on applique à l'alternateur une deuxième valeur de consigne de courant inférieure à la première valeur. 14. Ensemble d'entraînement (2;102) pour véhicule comprenant: - un moteur thermique (4); - un alternateur (6) à reluctance variable pour démarrer le moteur; et - une unité de commande (10), caractérisé en ce que l'unité de commande est agencée pour appliquer à l'alternateur une valeur de consigne de courant fonction d'une température relative au moteur. 15. Ensemble selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'unité de commande (10) est agencée pour appliquer la valeur de consigne seulement si au moins une température parmi une température de l'alternateur (6) et une température d'un onduleur (12) est inférieure à un seuil prédéterminé. 16. Ensemble d'entraînement (102) pour véhicule comprenant: - un moteur thermique (4); - un alternateur (6) à reluctance variable pour démarrer le moteur; et - une unité de commande (10), caractérisé en ce que l'unité de commande est agencée pour appliquer à l'alternateur (6) une valeur de consigne de courant fonction d'une température relative au moteur (4) sauf si au moins une température parmi une température de l'alternateur (6) et une température d'un onduleur (12) dépasse un seuil prédéterminé. 17. Véhicule caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble selon l'une quelconque des revendications 14 à 16.