Brevet FR2921525A1 — publié le 20090327

Dispositif d'asservissement en couple d'une machine électrique d'une chaîne de traction électrique d'un véhicule comportant un estimateur de couple parasite. L'invention concerne le pilotage d'un changement de rapport de vitesse sur un véhicule équipé d'une chaîne de traction électrique, et notamment sur un véhicule hybride. Elle concerne plus particulièrement un dispositif d'asservissement en couple d'une machine électrique d'une chaîne de traction du véhicule pour effectuer un changement de rapport sans à-coup. On connaît des véhicules équipés d'une chaîne de traction, hybride parallèle et pour mieux comprendre leur agencement et leur fonctionnement, on peut se référer au brevet FR-A1- 2 887 495. Une telle chaîne de traction hybride parallèle comprend au moins une machine, électrique, et un moteur thermique, qui sont aptes chacun à entrainer un arbre primaire d'une boîte de vitesses, en particulier une boîte de vitesses manuelle pilotée, le moteur thermique pouvant être couplé ou découplé à l'arbre primaire par l'intermédiaire d'un embrayage piloté disposé entre le moteur thermique et la machine électrique, de façon à optimiser en permanence l'utilisation des différentes énergies à disposition. Cet ensemble est piloté par des calculateurs spécifiques à chacun des composants suivants : moteur thermique, embrayage, machine électrique, composants qui sont supervisés par une unité de commande principale qui, en fonction des conditions de fonctionnement du véhicule, détermine le mode optimal de fonctionnement de la chaîne de traction. Les calculateurs spécifiques peuvent être indépendants, c'est-à-dire intégrés aux éléments de la chaîne de traction, ou bien peuvent être localisés à l'intérieur de l'unité de commande principale. L'arbre primaire de la boîte de vitesses est entraîné mécaniquement soit par le moteur, thermique soit par la machine électrique, 'soit par les deux (fonction � boost �). Il fournit un couple aux roues motrices par l'intermédiaire d'un ou plusieurs arbres, appelés également arbres secondaires. L'unité de commande centrale est amenée à donner régulièrement des instructions de changement de rapport de la boîte de vitesses. En effet, pour de telles chaînes de traction, l'optimisation permanente de l'utilisation des différentes sources d'énergies conduit à changer très fréquemment les rapports de la boîte de vitesses. Lors de ces changements de rapport, la machine électrique, par exemple, est asservie par l'unité de commande principale qui calcule et fournit des consignes de couples optimaux au régulateur de couple de la machine électrique. Lors d'un changement de rapport de vitesse, les passagers peuvent ressentir des à-coups ou des irrégularités dans la vitesse ou la variation de vitesse du véhicule. Afin que ces changements de rapport se réalisent avec le moins de désagréments possibles pour les passagers du véhicule, il est nécessaire que la chaîne de traction soit pilotée avec le maximum de précision et donc que les consignes de couple soient les plus justes possibles. Or, la chaîne de traction peut comporter des couples résistants en particulier au niveau de la boîte de vitesses et de la machine électrique ce qui a pour effet de modifier la valeur de la consigne qu'il est nécessaire de fournir. Les solutions actuelles proposent un calcul d'asservissement prenant en compte les éventuels couples résistants pouvant intervenir sur la chaîne de traction. Les valeurs de ces couples résistants sont des valeurs forfaitaires: une mesure sur une boite de vitesse à un point de fonctionnement ou théoriques calculées à partir des caractéristiques connues de la boîte de vitesses et de la machine électrique par exemple. Ces valeurs sont mémorisées dans l'unité de commande principale pour être utilisées dans l'équation de calcul du système d'asservissement. Les consignes de couple à fournir aux éléments de la chaîne de traction comme la machine électrique ou le moteur thermique par exemple sont donc des valeurs théoriques et peuvent être sensiblement différentes des valeurs réelles qu'il est nécessaire d'appliquer. Ces écarts de couple peuvent entraîner pour les passagers du véhicule des effets d'inconfort tels que cités précédemment. L'invention se propose de résoudre ce problème. Plus précisément, l'invention propose un dispositif d'asservissement d'une machine électrique d'une chaîne de traction électrique pour véhicule, notamment pour véhicule automobile, ladite chaîne de traction comportant en outre une boîte de vitesses pilotée comportant un arbre d'entrée, ou arbre primaire, couplé en sortie de la machine électrique, et un arbre de sortie, ou arbre secondaire, couplé à au moins une roue du véhicule apte à être entraînée par la machine électrique, et une unité de commande apte à piloter les calculateurs internes de régulation de couple de chacun des éléments de la chaîne de traction par une interface d'entrées-sorties aux capteurs de vitesse de l'arbre primaire, caractérisé en ce que l'unité de commande comporte des moyens de calcul en temps réel d'un couple parasite Cp engendré sur l'arbre primaire égal à la différence entre la variation de vitesse réelle mesurée par un des capteurs de vitesse associé à l'arbre primaire et la variation de vitesse théorique calculée par l'unité de commande, l'unité de commande soustrayant ensuite le couple parasite calculé Cp au couple calculé optimal qui doit être fourni par la machine électrique CMEL pour fournir les consignes de couple aux calculateurs internes de régulation de couple des éléments de la chaîne de traction dans le cas d'un changement de rapport de vitesse montant, ou ajoutant le couple parasite calculé Cp au couple calculé optimal qui doit être fourni par la machine électrique CMEL pour fournir les consignes de couple dans le cas d'un changement de rapport de vitesse descendant. Dans un mode de mise en oeuvre, le couple parasite Cp engendré sur l'arbre primaire par la machine électrique et la boîte de vitesse est calculé par l'unité de commande à partir de la différence entre la variation de vitesse théorique de l'arbre primaire (awth/at) et la variation de vitesse réelle de l'arbre primaire (awréei/at) mesurée sur un des capteurs de vitesse en utilisant la formule suivante : Cp =Ix th _ au./réel at at , Avec I est égal au moins à la somme des moments d'inertie des pièces mécaniques en rotation liées à la machine électrique. Ce couple parasite est calculé en temps réel par l'unité de commande. Lors du fonctionnement nominal de la machine électrique, il est utile de connaître la valeur de Cp afin d'optimiser son asservissement, mais l'estimation de Cp est aussi utile dans le cas où la machine électrique présente un disfonctionnement et se trouve en mode dégradé, c'est-à-dire lorsque la machine électrique est inerte avec un couple résiduel. Cp peut être alors utilisé, pour un véhicule à architecture hybride parallèle, dans le procédé de pilotage de changement de rapport de vitesse utilisant le moteur thermique et l'embrayage afin de fournir le couple utile pour la sécurisation du véhicule jusqu'au retour à un garage. Selon une caractéristique, lors d'un fonctionnement nominal de la 5 machine électrique, la valeur de (awth/at) est donnée par la formule suivante pour un changement de rapport de vitesse montant : wth _ CMEL + Ctraînée BV at ù I 10 Ou par la formule suivante pour un changement de rapport de vitesse descendant: Wth _ CMEL ù Ctraînée_4BV at I Avec I égal au moins à la somme des moments d'inertie des 15 pièces mécaniques en rotation liées à la machine électrique. CMEL représente le couple calculé optimal qui doit être fournit par la machine électrique et Ctraînée BV représente le couple théorique de traînée de la boîte de vitesse. Selon une caractéristique, la valeur Cp est calculée en temps réel par l'unité de commande, l'unité de commande fournissant alors un couple 20 de consigne Cons au calculateur interne de régulation de couple de la machine électrique selon la formule suivante pour un changement de rapport de vitesse montant : Ccons = CMEL ù Cp Ou alors selon la formule suivante pour un changement de rapport de vitesse descendant, Ccons = CMEL +C p Selon une caractéristique, lors d'un fonctionnement dégradé de la machine électrique, c'est-à-dire que la machine électrique est inerte, la 25 30 valeur de (awth/at) est donnée par la formule suivante pour un changement de rapport de vitesse montant : 0)th = CMEL + CtraînéeBV + CrMEL at I Ou par la formule suivante pour un changement de rapport de vitesse descendant: u./th _ CMEL ù Ctraînée_4BV ù Cr-4MEL at I CrMEL représente le couple théorique résiduel de la machine électrique. Avantageusement, la chaîne de traction comporte en outre un moteur thermique apte à entraîner l'arbre primaire de la boîte de vitesses et un embrayage disposé entre le moteur thermique et la machine électrique pour constituer une chaîne de traction hybride, l'embrayage transmettant le couple du moteur thermique à l'arbre primaire en position fermée pour un mode de traction thermique et transmettant le couple de la machine électrique en position ouverte. Selon une caractéristique, l'unité de commande fournit un couple de consigne Cons au calculateur interne de régulation de couple réalisé par l'actionneur d'embrayage selon la formule suivante pour un changement de rapport de vitesse montant : Ccons = C. ù Cp Ou alors selon la formule suivante pour un changement de rapport de vitesse descendant, Cons = CMEL + C p Afin de favoriser le désengagement de rapport, la machine électrique applique un couple sur l'arbre primaire. La précision du couple ramené par la machine électrique au synchroniseur est très importante et l'invention définit un procédé permettant d'estimer l'écart de couple entre la consigne de couple et le couple réellement réalisé au niveau du synchroniseur. L'invention permet ainsi d'affiner la correction au niveau du régulateur de couple de la machine électrique dans le cas d'un fonctionnement nominal ou alors la correction au niveau du régulateur de couple réalisé par l'actionneur d'embrayage dans le cas d'un fonctionnement dégradé. L'estimation et l'utilisation de Cp permet un gain en temps de réponse et en précision de l'asservissement de couple de la machine électrique ou de l'actionneur d'embrayage et une diminution de l'usure des pièces de la boîte de vitesse. L'invention permet plus globalement d'améliorer le procédé de changement de rapport de vitesse en réduisant le temps de commutation de rapport et par conséquent la sensation d' à-coups Cela permet d'offrir au passager un meilleur confort dans le fonctionnement du véhicule. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles: La figure 1 représente un schéma fonctionnel d'un exemple de chaîne de traction parallèle d'un véhicule hybride. La figure 2 représente un schéma fonctionnel de la prise en compte du couple parasite dans la régulation de couple de la machine électrique selon l'invention. La figure 3 représente un schéma fonctionnel de la prise en compte du couple parasite dans la régulation de couple réalisé par 25 l'actionneur d'embrayage selon l'invention. La chaîne de traction 1 présentée en figure 1 comporte un moteur thermique 2 couplé par exemple à une machine auxiliaire électrique 21, au moyen d'une courroie 22, cette machine auxiliaire permettant le redémarrage 30 du moteur dans un mode dit � stop and go �. Cette dernière ne participe pas directement à la traction du véhicule. Un volant d'inertie 24 est fixé sur l'arbre de sortie 25 du moteur thermique 2. L'arbre de sortie est de son côté couplé au vilebrequin du moteur. L'arbre de sortie est ensuite relié à l'embrayage 3. Ce dernier 35 effectue un mouvement de glissement dans la direction de l'arbre de sortie 25 pour passer d'une position ouverte à une position fermée ou vice-versa. L'embrayage est par ailleurs relié à l'arbre primaire 26 d'une boîte de vitesses mécanique pilotée 5. Cette boîte de vitesses assure la transmission de la puissance motrice aux roues 6, dont une seule est représentée sur la figure 1. Plus particulièrement, la boîte de vitesses 5 transmet, après démultiplication, la puissance de sortie aux roues 6 par l'intermédiaire d'un arbre secondaire 27. Une machine électrique de traction 4 est insérée en série entre l'embrayage 3 et la boîte mécanique pilotée 5. Une batterie 8 ou un ensemble de batteries, de forte puissance, alimente en énergie électrique la machine de traction 4 via un onduleur 7. Ce dernier permet de transformer la tension continue en sortie de batterie en tension alternative apte à entraîner la machine électrique de traction 4. Une unité de commande 9 associée à des capteurs, non représentés, par un module d'entrée/sortie 91 pilote des calculateurs indépendants 92, 93, 94, 95 pilotant spécifiquement des éléments de la chaîne de traction. L'unité de commande pilote notamment le calculateur 94 de la machine électrique 4. Dans une autre configuration, les calculateurs peuvent être intégrés à l'unité de commande 9. Les capteurs permettent notamment de mesurer les différentes vitesses de rotation en jeu dans la chaîne de traction. Avec une telle architecture de chaîne de traction, le véhicule peut notamment fonctionner selon les modes suivants : - le véhicule roule en mode thermique pur lorsque l'embrayage 3 est fermé et que la machine électrique de traction 4 n'est pas alimentée ou commandée, le moteur thermique 2 assurant seul la traction ; - le véhicule roule en mode électrique pur lorsque l'embrayage 3 est ouvert et que la machine électrique 4 est alimentée ou commandée pour assurer seule la traction du véhicule; - le véhicule roule en mode mixte lorsque le moteur thermique 2 assure la traction du véhicule assisté par la machine électrique 4, l'embrayage 3 étant fermé. Lors de son fonctionnement, le véhicule est amené à changer de 35 rapport de vitesse et de mode de fonctionnement régulièrement afin d'utiliser de manière optimale les différentes sources d'énergie. L'unité de commande 9 calcule les couples de consignes optimaux à atteindre et les fournit aux calculateurs spécifiques 95 de la boîte de vitesses 5, 94 de la machine électrique 4, 93 de l'embrayage 3 et 92 du moteur thermique 2, les calculateurs étant chargés de la régulation de couple des éléments qui leur sont attribués. Lors d'un changement de rapport, la précision du couple ramenée sur l'arbre primaire par la machine électrique, au niveau du synchroniseur de la boîte de vitesses 5, est très importante car elle détermine si le changement de rapport s'exécute sans entraîner de dommages aux pièces mécaniques de la boîte de vitesses 5 et sans faire ressentir aux passagers le changement de rapport de vitesse (c'est à dire un temps trop long). On rappelle ici qu'un synchroniseur est un dispositif comportant un moyeu portant un manchon solidaire en rotation du moyeu mais apte à se déplacer en translation le long du moyeu, et qui permet d'égaliser la vitesse de l'arbre primaire, couplé au moteur thermique et/ou à la machine électrique, avec celle de l'arbre secondaire couplé à la roue, par translation du manchon sur le moyeu puis par friction des surfaces en regard, respectivement d'une bague de synchronisation disposé entre le manchon et le pignon fou, et du pignon fou. Une fois les vitesses égalisées et la baque synchroniseur désindexée (équilibre de couple au niveau de la bague) le changement de vitesse peut s'effectuer suivant un rapport de démultiplication défini par l'engrenage correspondant, formé d'une roue dentée, par exemple solidaire de l'arbre primaire, et d'un pignon fou, dans cet exemple porté par l'arbre secondaire portant également le synchroniseur ; le pignon fou porté par l'arbre secondaire devenant solidaire de l'arbre de sortie après crabotage. Selon l'invention, l'unité de commande 9 met en oeuvre un procédé d'estimation du couple parasite pouvant interférer sur l'arbre primaire 26 ; ce couple parasite représentant la différence de couple entre le couple de consigne et le couple réalisé au niveau du synchroniseur. L'estimation de cet écart de couple est évalué en calculant la différence entre la variation de vitesse de l'arbre primaire 26 théorique, calculée par l'unité de commande 9 à partir du couple de la machine électrique optimal à appliquer, et la variation de vitesse mesurée sur l'arbre primaire 26 par un des capteurs associé à l'arbre. Par le biais du principe fondamental de la dynamique, on peut estimer un couple parasite Cp à partir de cette différence de variation de vitesse et du moment d'inertie des pièces mécaniques en rotation liées à la machine électrique 4 ; L'équation de Cp peut s'exprimer par la formule suivante : -i v i Oth réel at at I étant l'inertie du mécanisme de friction plus l'inertie des pièces liées à l'arbre primaire 26 et des pignons fous ramenés à l'arbre primaire. Pour un synchroniseur placé sur l'arbre secondaire, I est égal à la somme des inerties suivantes : 1 = (lap + I friction), lap étant l'inertie de l'arbre primaire 26, des pièces entrainées en rotation qui sont les pignons fous, les moyeux et les manchons des synchroniseurs de l'arbre primaire et surtout l'inertie de la machine électrique,. Wth étant le régime de l'arbre primaire théorique. wrée, étant le régime de l'arbre primaire mesurée par un des capteurs. Lors d'un fonctionnement nominal de la machine électrique, la valeur de ah at est donnée par la formule suivante pour un changement de rapport de vitesse montant : a 0 th = CMEL + Ctraînée_BV at I Ou par la formule suivante pour un changement de rapport de vitesse descendant: Wth = CMEL ù Ctraînée_BV at ù I étant calculé à partir de la mesure de régime de l'arbre primaire 26, cette mesure se déduit classiquement de la mesure de la chute de régime de l'arbre primaire définie par la différence entre le régime moteur et C =Ix p Ctraînée_4BV 10 le régime cible théorique à atteindre, la différence définissant la traînée de boîte. Par traînée de boîte, on entend généralement, les frottements liés au calage des arbres, le frottement des pignons fous sur les arbres, le léchage des 5 anneaux de synchronisation, CMEL étant le couple calculé optimal qui doit être fourni par la machine électrique. Lors d'un fonctionnement dégradé de la machine électrique, la valeur de (3 ûtj,/ct) est donnée par la formule suivante pour un changement de rapport 10 de vitesse montant : Wth _ CA%LL + C,rojné, _- R6 + Cr --> 1,1/1 Ou alors pour un changement de rapport de vitesse descendant : a C11h = CI ?EL ù Cuninée ->BI' _ Cri 4LZ. at I Où Cr MEL représente le couple résiduel de la machine électrique. La figure 2 représente le schéma fonctionnel de la prise en compte de 20 Cp par le calculateur 94 du régulateur de couple de la machine électrique. Ainsi, le couple de consigne 33, fourni au régulateur de couple, est égal au couple Cme, 31 auquel est ajoutée la valeur Cp 32 lors d'un changement de rapport de vitesse descendant : C,>n., = CHE/. +Cr 25 Ce couple de consigne 33 est égal au couple Cme, 31 auquel est soustraite la valeur Cp 32 lors d'un changement de rapport de vitesse montant. Co, =CIELùCp Ces formules sont appliquées lors du fonctionnement nominal de la 30 machine électrique. La figure 3 représente le schéma fonctionnel de la prise en compte de Cp par le calculateur 93 du régulateur de couple de l'actionneur d'embrayage 15 lors d'un fonctionnement dégradé de la machine électrique. Ainsi, le couple de consigne 43 est égal au couple Cme, 41 auquel est ajoutée la valeur Cp 42 lors d'un changement de rapport de vitesse descendant : Ccons = CMEL + Cp Ce couple de consigne 43 est égal au couple Cmel auquel est soustraite la valeur Cp 42 lors d'un changement de rapport de vitesse montant. : Ccons = CMEL -C p REVENDICATIONS 1. Dispositif d'asservissement d'une machine électrique (4) d'une chaîne de traction électrique (1) pour véhicule, notamment pour véhicule automobile, ladite chaîne de traction comportant en outre une boîte de vitesses pilotée (5) comportant un arbre d'entrée (26), ou arbre primaire, couplé en sortie de la machine électrique (1), et un arbre de sortie (27), ou arbre secondaire, couplé à au moins une roue (6) du véhicule apte à être entraînée par la machine électrique, et une unité de commande (9) apte à piloter les calculateurs internes (92 - 95) de régulation de couple de chacun des éléments (2 - 5) de la chaîne de traction par une interface d'entrées-sorties (91) aux capteurs de vitesse de l'arbre primaire, caractérisé en ce que l'unité de commande (9) comporte des moyens de calcul en temps réel d'un couple parasite (Cp) engendré sur l'arbre primaire (26) égal à la différence entre la variation de vitesse réelle mesurée par un des capteurs de vitesse associé à l'arbre primaire et la variation de vitesse théorique calculée par l'unité de commande (9), l'unité de commande soustrayant ensuite le couple parasite calculé (Cp) au couple calculé optimal qui doit être fourni par la machine électrique (CMEL) pour fournir les consignes de couple aux calculateurs internes de régulation de couple des éléments de la chaîne de traction dans le cas d'un changement de rapport de vitesse montant , ou ajoutant le couple parasite calculé (Cp) au couple calculé optimal qui doit être fourni par la machine électrique (CMEL) pour fournir les consignes de couple dans le cas d'un changement de rapport de vitesse descendant. at at ) 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le couple parasite Cp engendré sur l'arbre primaire par la machine électrique et la boîte de vitesse est calculé par l'unité de commande à partir de la différence entre la variation de vitesse théorique de l'arbre primaire aâ th et 30 la variation de vitesse réelle de l'arbre primaire a a réel mesurée par un des C =Ix p capteurs de vitesse en utilisant la formule suivante -( (t)th C,OréelAvec I est égal au moins à la somme des moments d'inertie des pièces mécaniques en rotation liées à la machine électrique. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que, lors 5 d'un fonctionnement nominal de la machiné électrique, la valeur de aat t" est donnée par la formule suivante pour un changement de rapport de vitesse montant : O)t" _ CMEL + Ctraînée_4BV at I 10 Ou par la formule suivante pour changement de rapport de vitesse descendant: a Wt" _ CMEL ù Ctraînée_4BV at I 15 Avec : • CAL est le couple calculé optimal qui doit être fournit par la machine électrique, • C est le couple théorique de traînée de la boîte de vitesse. traînée-4BV 20 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'unité de commande fournit un couple de consigne Oyons au calculateur interne de régulation de couple de la machine électrique selon la formule suivante pour un changement de rapport de vitesse montant: Ccons = CMEL ù Cp Ou alors selon la formule suivante pour un changement de rapport de vitesse descendant, Cons = CMEL + Cp 25 30 5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que, lors d'un fonctionnement dégradé de la machiné électrique, c'est-à-dire lorsque que la machine électrique est inerte, la valeur de aâ t" est donnée par la formule suivante pour un changement de rapport de vitesse montant: a COt" _ CMEL + Ctraînée_4BV + CrMEL at I Ou par la formule suivante un changement de rapport de vitesse montant : CMEL ù Ctraînée- 4BV ù Cr_4MEL at I Avec : CrMEL est le couple théorique résiduel de la machine électrique. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chaîne de traction comporte en outre un moteur 15 thermique apte à entraîner l'arbre primaire de la boîte de vitesses et un embrayage disposé entre le moteur thermique et la machine électrique pour constituer une chaîne de traction hybride, l'embrayage transmettant le couple du moteur thermique à l'arbre primaire en position fermée pour un mode de traction thermique et transmettant le couple de la machine électrique en 20 position ouverte. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que de l'unité de commande fournit un couple de consigne Oyons au calculateur interne de régulation de couple réalisé par l'actionneur d'embrayage selon la 25 formule suivante pour un changement de rapport de vitesse montant: Ccons = CMEL ù Cp Ou alors selon la formule suivante pour un changement de rapport de vitesse 30 montant, Ccons = CMEL +C p 10 a