Brevet FR2946576A1 — publié le 20101217

La présente invention concerne le contrôle d'une machine électrique comprenant un moteur électrique de propulsion d'un véhicule automobile, notamment un véhicule électrique ou un véhicule hybride, ce moteur électrique étant alimenté grâce à une batterie. Elle concerne en particulier un procédé de commande d'alimentation d'une telle machine et un dispositif d'alimentation d'une telle machine. Elle concerne aussi un programme informatique de mise en oeuvre du procédé de commande. Elle concerne également un ensemble d'entraînement d'un véhicule comprenant un tel dispositif de commande et un véhicule automobile comprenant un tel ensemble d'entraînement. Dans les véhicules automobiles électriques ou hybrides, on utilise un moteur électrique pour fournir la puissance mécanique nécessaire au mouvement du véhicule. Pour ce faire, une puissance électrique est fournie au moteur par une batterie. L'utilisation de ces moyens de mise en mouvement du véhicule présente un problème. En effet, lorsque la batterie est déchargée, elle ne peut plus fournir la pleine puissance et, par conséquent, la machine électrique ne peut plus fournir le maximum de couple moteur. Lorsque cela se produit, il est important d'assurer que la diminution du couple moteur soit progressive afin de ne pas surprendre le conducteur. On connaît de la demande WO 2008/093687 un procédé de limitation des pertes énergétiques dans la machine électrique afin de maximiser l'autonomie de roulage. Ce procédé est basé sur des cartographies qui donnent des valeurs de pertes en fonction du couple et de la vitesse de rotation de la machine électrique. Ainsi, les points de fonctionnement de la machine électrique sont cantonnés dans un domaine de bon rendement de celle-ci. Le but de l'invention est de fournir un procédé de commande d'alimentation ou de commande de fonctionnement d'une machine électrique permettant MS\REN183FR.dpt de remédier aux problèmes évoqués précédemment et améliorant les procédés de commande d'alimentation ou de commande de fonctionnement d'une machine électrique connus de l'art antérieur. En particulier, l'invention propose un procédé de commande d'une machine électrique permettant de limiter progressivement le couple moteur d'un véhicule électrique lorsque le niveau de charge de la batterie devient faible. Plus précisément, l'objectif est de déterminer en temps réel et en fonction de l'état de charge de la batterie le couple moteur maximum qui limite la requête de couple au moteur électrique de façon à ne pas surprendre le conducteur. Selon l'invention, le procédé de commande d'une machine électrique comprenant un moteur électrique d'entraînement d'un véhicule automobile alimenté par une batterie est caractérisé en ce qu'il comprend une étape de régulation de la consigne de couple moteur transmise à la machine électrique de sorte à faire évoluer progressivement la valeur de consigne de couple qu'il est possible de demander à la machine électrique en fonction d'un signal de charge de la batterie. L'étape de régulation peut déterminer une valeur maximale de consigne de 20 couple moteur à transmettre à la machine électrique. L'étape de régulation peut être mise en oeuvre lorsque Max Disch Elec P> .V2 . P MaxDecreese • Energie avec : 25 - Max Disch Elec : la puissance maximum que la batterie peut fournir, - P MaxDecrease : un paramètre de réglage, - Energie=(SOC-Marge_SOC)•SOC_to_KJoule avec: - SOC to KJoule : une constante de proportionnalité entre le signal 30 SOC et son énergie correspondante, - Marge SOC : un paramètre de réglage. MS\REN 183FR.dpt La puissance de la machine électrique peut être limitée par la relation P Low Soc Limitation= -j2 • P MaxDecraœse • Energie avec : P Low Soc Limitation : la puissance fournie par la machine électrique, - P MaxDecrease : un paramètre de réglage, - Energie = (SOC - Marge _ SOC). SOC_ to KJoule avec: - SOC to KJoule : une constante de proportionnalité entre le signal SOC et son énergie correspondante, - Marge SOC: un paramètre de réglage. L'étape de régulation peut provoquer une diminution linéaire, en fonction du temps, de la puissance mécanique fournie par la machine électrique. L'étape de régulation peut tenir compte des pertes énergétiques dans la machine électrique. Les pertes énergétiques dans la machine électrique peuvent être calculées selon la formule : P E/ec(t) - Torque Estimated(t) x EM Speed(t)I lorsque la machine électrique est en fonctionnement moteur, avec : Torque Estimated : le signal de couple délivré par la machine électrique ; P Elec : le signal de puissance électrique instantanée délivrée par la batterie ; EM Speed : le signal de vitesse de rotation de la machine électrique. Les pertes énergétiques dans la machine électrique peuvent être bornées. MS\REN183FR.dpt Selon l'invention, un support d'enregistrement de données lisible par un calculateur sur lequel est enregistré un programme informatique comprend des moyens de codes de programme informatique de mise en oeuvre des étapes du procédé de commande défini précédemment. Selon l'invention, le dispositif de commande d'une machine électrique comprenant un moteur électrique d'entraînement d'un véhicule automobile alimenté par une batterie est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens matériels et/ou logiciels de mise en oeuvre du procédé de commande défini précédemment. Selon l'invention, l'ensemble d'entraînement d'un véhicule automobile comprend un dispositif de commande défini précédemment, une machine électrique comprenant un moteur électrique d'entraînement du véhicule automobile et une batterie. Selon l'invention, le programme informatique comprend un moyen de code de programme informatique adapté à la réalisation des étapes du procédé de commande défini précédemment, lorsque le programme tourne sur un ordinateur. Les dessins annexés représentent, à titre d'exemple, un mode de réalisation d'un procédé de commande selon l'invention. La figure 1 est un schéma d'une machine électrique alimentée par une batterie et commandée conformément au procédé selon l'invention. La figure 2 est un schéma d'un circuit intégrant un module de commande de la machine électrique. MS\REN 183FR.dpt30 La figure 3 est un schéma détaillé d'un mode de réalisation du module de commande de la machine électrique. La figure 4 est un schéma détaillé d'un mode de réalisation d'un premier 5 bloc du module de commande de la machine électrique. La figure 5 est un schéma détaillé d'un mode de réalisation d'un deuxième bloc du module de commande de la machine électrique. 10 La figure 6 est un graphique représentant l'évolution de la limitation de puissance en fonction de la charge de la batterie. La figure 7 est un graphique représentant les effets de l'invention sur l'alimentation d'une machine électrique. 15 Le principe de l'invention est de réaliser une stratégie de limitation progressive du couple moteur fourni par une machine électrique lorsque la batterie se décharge. Plus précisément, l'objectif de cette invention est de déterminer en temps réel une valeur de couple moteur maximum qui limite la 20 requête de couple à la machine électrique compte tenu : des limitations de puissance de la batterie qui l'alimente (notamment si la batterie est déchargée elle ne peut pas fournir la pleine puissance), ù de la progressivité de diminution de couple nécessaire à ne pas surprendre le conducteur. 25 Un système 1 de propulsion d'un véhicule automobile par exemple électrique ou hybride est représenté à la figure 1. II comprend une batterie 3 de stockage d'énergie électrique et une machine électrique 2 comprenant un moteur électrique d'entraînement de roues motrices du véhicule. MS\REN 183FR.dpt 30 La batterie est modélisée par un montage série d'un générateur 4 de tension continue parfait et d'une résistance interne 5. Selon les conditions de fonctionnement du système, la valeur de tension du générateur parfait et la valeur de la résistance interne varient. Un mode de réalisation d'un dispositif 10 de commande du moteur permettant de mettre en oeuvre le procédé de commande selon l'invention est décrit ci-après en référence à la figure 2. 10 Il comprend trois modules. Un premier module 11 de détermination d'un couple moteur maximal Tq_Max Motor, un deuxième module 12 de détermination de la consigne de couple moteur Torque Setpoint demandée par le conducteur et un troisième module d'élaboration de la consigne de couple finale transmise au moteur Torque Final Request de sorte à 15 commander celui-ci en couple. Le premier module 11 (également représenté à la figure 3) comprend les entrées suivantes : SOC : un signal fournissant l'état de charge de la batterie. Il est 20 exprimé en pourcentage : 0%5SOC 5100% avec SOC=O% quand la batterie est vide et SOC=100% quand la batterie est pleine. Ce signal permet donc de connaitre l'énergie stockée dans la batterie ; Torque Estimated : un signal de couple délivré par la machine électrique. La valeur de ce signal est de préférence estimée ; 25 P Elec : un signal de puissance électrique instantanée délivrée par la batterie ; û EM Speed : un signal de vitesse de rotation de la machine électrique ; Flag Motor Mode : un signal booléen qui est à l'état haut quand la machine fonctionne en mode moteur c'est-à-dire lorsqu'elle consomme 30 de la puissance fournie par la batterie et qui est à l'état bas sinon. MS\REN 183 FR.dpt5 Le premier module 11 présente en sortie le signal de couple moteur maximal Tq_Max Motor évoqué plus haut. Il est déterminé par calcul à partir des entrées évoquées précédemment. Le deuxième module 12 présente en entrée un signal issu de l'interface homme-machine du véhicule, par exemple un signal d'état d'un organe de commande d'accélération du véhicule comme un signal de position d'une pédale d'accélération. Ce signal est analysé pour fournir en sortie un signal de consigne de couple Torque Setpoint. 10 Le troisième module 13 est un opérateur logique fournissant en sortie la valeur instantanée minimale de deux signaux d'entrées issus des premier et deuxième modules. Le signal de sortie est la consigne de couple finale transmise au moteur Torque Final Request de sorte à commander celui-ci 15 en couple. Le premier module 11 comprend quatre blocs décrits ci-après en référence à la figure 3. II comprend un premier bloc 23 permettant d'estimer les pertes entre la puissance électrique fournie par la batterie et la puissance 20 mécanique délivrée par la machine électrique en fonctionnement moteur, un deuxième bloc 21 permettant de déterminer une limitation de puissance mécanique en fonction du signal SOC indiquant l'état de charge de la batterie, un troisième bloc 22 permettant de déterminer une puissance mécanique P Meca pouvant être demandée à la machine électrique et un 25 quatrième bloc 24 permettant de déterminer le couple mécanique Tq_Max Motor pouvant être demandé à la machine électrique. Un mode de réalisation du premier bloc 23 est décrit ci-après en référence à la figure 4. Il reçoit en entrée les signaux suivants : 30 - Torque Estimated ; PElec; MS\REN183FR.dpt EM Speed ; - Fia g Motor Mode. Il produit en sortie le signal P Lost Motor Mode qui fournit en temps réel l'estimation des pertes de puissance de la machine électrique en fonctionnement moteur. Cette estimation peut être faite de façon simple, selon la formule : P P Lost before Fin = Elec(t)-!Torque Estimated(t)xEM Speed( si Fleg Motor Mode (t)=1 P Lost before Filt(t-1) si Flag Motor Mode(t) = 0 Cette formule est mise en oeuvre grâce aux moyens 31, 32, 33 et 34 représentés à la figure 4. En effet, quand la machine électrique fonctionne en mode moteur (Flag Motor Mode=1), les pertes sont données par la différence entre la puissance électrique entrante (P Elec) et la puissance mécanique sortante (Torque_Estimated x EM_Speed ). Quand la machine électrique ne fonctionne pas en mode moteur (Flag Motor Mode=O) alors le signal P Lost before Filt est gelé à la valeur précédente. Le signal P Lost before Filt est ensuite filtré par un filtre 35, par exemple du type passe bas du premier ordre et saturé à la valeur Max Lost par le haut et Min Lost par le bas grâce à des opérateurs logiques 36 et 37 pour obtenir le signal de sortie P Lost Motor Mode. Un filtre passe bas du premier ordre a une fonction de transfert (en continu) du type 1 avec s 1+r .s la variable de Laplace et z la constante de temps du filtre. Cette dernière est le paramètre de réglage qui permet de régler la dynamique du filtrage. MS\REN183FR.dpt 8 D'autres réalisations du bloc 23 (c'est-à-dire d'autres estimations des pertes) sont également possibles sans que cela impacte l'architecture de l'invention et la structure interne des autres blocs. Un mode de réalisation du deuxième bloc 21 est décrit ci-après en référence à la figure 5. Il reçoit en entrée le signal SOC et produit en sortie le signal P Low Soc Limitation qui fournit la valeur de puissance mécanique 10 (exprimée en KW) limitée en fonction du signal SOC. Le signal P Low Soc Limitation est obtenu selon la formule suivante : Equation 1 : P Low Soc Limitation = Min (Max Disch Elec P ; V2. P MaxDecrœse Energie) 15 Ce calcul peut être mis en oeuvre par les opérateurs 43, 44, 45 et 46 de la figure 5. Dans cette équation, on a noté Energie le signal obtenu de la façon suivante: 20 Equation 2 : Energie = (SOC - Marge _ SOC . SOC_ to _ KJoule Ce calcul peut être mis en oeuvre par les opérateurs 41 et 42 de la figure 5. Dans l'équation 1, on a noté : 25 Max Disch Elec : la puissance maximum que la batterie peut fournir. Cette valeur est exprimée en KW et caractérise la batterie. P MaxDecrease : un paramètre de réglage strictement positif de la stratégie dont la signification est expliquée par la suite. 30 Dans l'équation 2, on a noté : MS\REN183FR.dpt SOC to KJoule : une constante de proportionnalité entre le signal SOC et son énergie correspondante exprimée en KJoule. Autrement dit, cette valeur correspond à la quantité d'énergie (en KJoule) stockée dans la batterie correspondant à une unité du signal SOC. Cette valeur est une caractéristique de la batterie ; Marge SOC : un paramètre de réglage de la stratégie dont la signification est expliquée par la suite. Dans le cas où Marge SOC =0 alors Energie(t) correspond à l'énergie stockée dans la batterie (exprimée en KJoule) à l'instant t. Dans le cas où Marge SOC =x alors Energie(t) correspond à l'énergie stockée dans la batterie (exprimée en KJoule) à l'instant t à laquelle on a déduit xx SOC to KJoule . En sortie des troisième et quatrième blocs utilisant les signaux P Low Soc Limitation et P Lost Motor Mode, on obtient le signal Tq_Max Motor, c'est-à-dire un signal de valeur maximum qui limite la requête de couple à la machine électrique en fonction de l'état de charge de la batterie pour assurer la progressivité de diminution de couple nécessaire à ne pas surprendre le conducteur. Comme représenté à la figure 3, ce signal peut être obtenu selon la formule, grâce aux troisième et quatrième blocs : TqMax Motor = P Low Soc Limitation -P Lost Motor Mode EM Speed La limitation du couple moteur en fonction de l'état de charge de la batterie réalisée comme décrit précédemment implique une réduction linéaire dans le temps de la puissance mécanique maximale lorsque la charge de la batterie devient faible. 30 MS\REN183FR.dpt25 Le paramètre P MaxDecrease de l'équation 1 permet de régler la vitesse de décroissance de la puissance mécanique. Plus précisément, ce paramètre correspond à la valeur de la dérivée temporelle de la puissance mécanique. Il est exprime en KW/sec. Ce paramètre permet donc d'assurer que la diminution de puissance mécanique sera suffisamment progressive pour ne pas surprendre le conducteur. Si l'on a : Marge_SOC = 0% 10 alors le signal P Low Soc Limitation évolue en fonction du signal SOC comme représenté à la figure 6. La figure 7 représente un exemple de résultat obtenu. Sur cette figure, on a représenté en abscisse le temps (en secondes). 15 - Sur le graphique du haut, la courbe représente la puissance mécanique P Meca , - Sur le graphique du milieu, une courbe représente la consigne de couple Torque Setpoint ; une courbe représente le couple maximum Tq_Max EM 20 que la machine électrique peut délivrer ; une courbe représente le signal généré par le procédé selon l'invention Tq_Max Motor - Sur le graphique du bas, une courbe représente le signal SOC. Dans cet exemple, le conducteur appuie à fond sur la pédale d'accélérateur, 25 la consigne de couple est donc initialement limitée par le couple maximum Tq_Max EM que la machine électrique peut produire. MS\REN 183FR.dpt P MaxDecrease = 2.5 KW/sec Max Disc Elec = 46 KW KJ % SOC to KJoule = 720 Dès l'instant T1, une étape de régulation de la consigne de couple est mise en oeuvre par le procédé objet de l'invention. A partir de cet instant le couple est limité en fonction du signal SOC par le signal Tq_Max Motor produit dans l'étape de régulation. On peut remarquer, sur le graphique du haut, que cette limitation de couple réalisée par l'invention implique une diminution linéaire dans le temps de la puissance mécanique. 10 On remarque aussi que le couple et donc la puissance mécanique atteignent la valeur 0 à l'instant où le signal SOC s'annule. Le paramètre Marge SOC de l'équation 2 permet de régler la valeur du signal SOC de fin de limitation, c'est-à-dire la valeur du signal SOC à 15 l'instant où le couple est limité à la valeur nulle. Si par exemple Marge SOC=3 alors le couple sera limité à la valeur nulle à l'instant où le signal SOC=3%. En sortie du module 11, on obtient le signal Tq_Max Motor limitant la 20 requête de couple à la machine électrique compte tenu : des limitations de puissance de la batterie qui l'alimente (notamment si la batterie est déchargée, elle ne peut pas fournir la pleine puissance), de la progressivité de diminution de couple nécessaire à ne pas surprendre le conducteur. 25 MS\REN 183FR.dpt Revendications: 1 Procédé de commande d'une machine électrique (2) comprenant un moteur électrique d'entraînement d'un véhicule automobile alimenté par une batterie (3), caractérisé en ce qu'il comprend une étape de régulation de la consigne de couple moteur transmise à la machine électrique de sorte à faire évoluer progressivement la valeur de consigne de couple qu'il est possible de demander à la machine électrique en fonction d'un signal (SOC) de charge de la batterie. 2. Procédé de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de régulation détermine une valeur maximale de consigne de couple moteur à transmettre à la machine électrique. 3. Procédé de commande selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étape de régulation est mise en oeuvre lorsque Max Disch Elec P >ä12.P MaxDecraase • Energie avec : - Max Disch Elec : la puissance maximum que la batterie peut fournir, - P MaxDecrease : un paramètre de réglage, - Energie=(SOC -Marge SOC)• SOC_ to _KJoule avec: - SOC to KJoule : une constante de proportionnalité entre le signal SOC et son énergie correspondante, - Marge SOC : un paramètre de réglage. 4. Procédé de commande selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la puissance de la machine électrique est limitée par la relation P Low Soc Limitation =.J2•P MaxDecrease•Energie avec : - P Low Soc Limitation : la puissance fournie par la machine électrique, MS\REN 183 FR.dpt 13- P MaxDecrease : un paramètre de réglage, - Energie = (SOC - Marge _ SOC). SOC_ to _ KJoule avec: - SOC to KJoule : une constante de proportionnalité entre le signal SOC et son énergie correspondante, - Marge SOC : un paramètre de réglage. 5. Procédé de commande selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de régulation provoque une diminution linéaire, en fonction du temps, de la puissance mécanique fournie par la machine électrique. 6. Procédé de commande selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de régulation tient compte des pertes énergétiques dans la machine électrique. 7. Procédé de commande selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les pertes énergétiques dans la machine électrique sont calculées selon la formule : P E/ec(t)-(Torque Estimated(t)xEM Speed(t)I lorsque la machine électrique est en fonctionnement moteur, avec : Torque Estimated : le signal de couple délivré par la machine électrique ; P Elec : le signal de puissance électrique instantanée délivrée par la batterie ; EM Speed : le signal de vitesse de rotation de la machine électrique. 8. Procédé de commande selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les pertes énergétiques dans la machine électrique sont bornées. MS\REN183FR.dpt 9. Support d'enregistrement de données lisible par un calculateur sur lequel est enregistré un programme informatique comprenant des moyens de codes de programme informatique de mise en oeuvre des étapes du procédé de commande selon l'une des revendications précédentes. 10. Dispositif (10) de commande d'une machine électrique (2) comprenant un moteur électrique d'entraînement d'un véhicule automobile alimenté par une batterie (3), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens matériels (11, 12, 13) et/ou logiciels de mise en oeuvre du procédé de commande selon l'une des revendications 1 à 8. 11. Ensemble d'entraînement d'un véhicule automobile comprenant un dispositif (10) de commande selon la revendication 10, une machine électrique (2) comprenant un moteur électrique d'entraînement du véhicule automobile et une batterie (3). 12. Programme informatique comprenant un moyen de code de programme informatique adapté à la réalisation des étapes du procédé selon l'une des revendications 1 à 8, lorsque le programme tourne sur un ordinateur. MS\REN183FR.dpt