Brevet FR2998429A1 — publié le 20140523

PROCEDE DE CONTROLE EN MODE CHAUFFAGE D'UNE MACHINE ELECTRIQUE DU TYPE SYNCHRONE A L'ARRET La présente invention concerne un procédé de contrôle en mode chauffage d'une machine électrique du type synchrone qui participe à la traction d'un véhicule automobile, afin de générer des calories, ainsi qu'un calculateur de contrôle et un véhicule électrique ou hybride mettant en oeuvre un tel procédé. Certains véhicules électriques ou hybrides disposent d'une machine électrique du type synchrone, notamment pour la traction du véhicule ou l'entrainement du moteur thermique, qui peut être utilisée seule dans le cas d'un véhicule électrique, ou en complément d'un moteur thermique dans le cas d'un véhicule hybride, afin de réaliser notamment des roulages en mode électrique sans émission de gaz polluants, ou des roulages en mode hybride permettant de réduire la consommation de carburant. Pour réaliser un chauffage de l'habitacle du véhicule, ou d'autres composants comme les batteries de traction qui doivent généralement fonctionner avec une certaine température, il est connu d'utiliser la chaleur dégagée par la machine électrique lors de son fonctionnement, qui est récupérée par un circuit d'eau ou d'air de refroidissement. Il est connu aussi d'utiliser des résistances électriques complémentaires, ou une pompe à chaleur, en particulier dans le cas où les motorisations sont arrêtées, afin de générer des calories en prélevant une puissance électrique sur les batteries. Cependant, ce type de chauffage nécessite l'installation de systèmes électriques qui ajoutent un volume et une masse, alors que les batteries de ces véhicules comportent généralement déjà une masse et un encombrement conséquents. De plus ces systèmes électriques ajoutent un coût supplémentaire au véhicule. Pour proposer un autre moyen de chauffage, un procédé connu, présenté notamment par le document FR-A1-2972086, commande un moteur du type synchrone d'un véhicule automobile, pour l'alimenter en courant de manière à maximiser les pertes joules au stator, et à contrôler les pertes fer au rotor. On transforme ainsi l'énergie électrique consommée en énergie calorifique, qui est conduite par le circuit de fluide prévu pour refroidir cette machine. Toutefois, ce procédé ne comporte pas de méthode pour générer d'une manière simple et efficace ces pertes thermiques. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure. Elle propose à cet effet un procédé de contrôle en mode chauffage d'une machine électrique du type synchrone d'un véhicule automobile, comprenant l'alimentation de phases du stator de cette machine qui reste à l'arrêt, de manière à générer des pertes joules ainsi que des pertes fer importantes, caractérisé en ce qu'il réalise une alimentation instantanée de la machine à l'arrêt, avec un courant qui génère un champ magnétique tournant équilibré entre les différentes phases, comportant une fréquence optimisée supérieure à une fréquence minimum prédéfinie permettant de ne pas réaliser l'entraînement du rotor. Un avantage du procédé de contrôle de la machine synchrone selon l'invention, est qu'en conservant le type d'alimentation habituel qui génère un champ magnétique tournant équilibré, comme pour le contrôle en couple de cette machine, mais avec une fréquence démarrant brutalement comportant un niveau supérieur aux fréquences d'accrochage permettant de produire un couple d'entraînement du rotor à l'arrêt, on génère des calories sans réaliser d'entraînement de ce rotor, au moyen de logiciels de commande qui restent similaires à ceux prévus pour le contrôle en couple de cette machine. Le procédé de contrôle selon l'invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Avantageusement, le procédé calcule un optimum entre la fréquence du champ magnétique tournant et l'intensité du courant d'alimentation des phases, en prenant en compte la fréquence minimum prédéfinie, et la fréquence maximum de découpage de l'onduleur qui alimente la machine synchrone. Avantageusement, le procédé calcule l'optimum en prenant en compte de plus les températures et les courants maximum autorisés pour cette machine, ainsi que les pertes thermiques à dissiper. Avantageusement, le procédé traduit les valeurs optimum de fréquence et d'intensité du courant à obtenir, en une succession de rampes comportant une période représentant cette fréquence. En particulier, le procédé peut déterminer la fréquence minimum à partir d'une série d'expérimentations pour un type de machine électrique synchrone donné. L'invention a aussi pour objet un calculateur de contrôle d'une machine électrique du type synchrone, qui comporte des moyens mettant en oeuvre 15 un procédé de contrôle en mode chauffage de cette machine, comprenant l'une quelconque des caractéristiques précédentes. L'invention a de plus pour objet un véhicule électrique ou hybride disposant d'une machine électrique synchrone, ce véhicule comportant des moyens mettant en oeuvre un procédé de contrôle en mode chauffage de 20 cette machine, comprenant l'une quelconque des caractéristiques précédentes. Avantageusement, la machine synchrone comporte un circuit de refroidissement par eau ou par air. En particulier, ce circuit de refroidissement peut être prévu pour 25 réchauffer des batteries de traction, où l'habitacle du véhicule. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après, donnée à titre d'exemple et de manière non limitative en référence aux dessins annexés dans lesquels : 30 - la figure 1 est un schéma présentant des moyens mettant en oeuvre le procédé selon l'invention ; - la figure 2 est un schéma présentant la fonction qui détermine la fréquence et l'amplitude optimum du courant d'alimentation de la machine électrique ; et - la figure 3 présente la matrice qui réalise à partir d'une rampe la 5 transformée donnant les signaux sinusoïdaux pour chaque phase. La figure 1 présente un synoptique de contrôle d'une machine électrique du type synchrone triphasée 2, qui peut être utilisée pour la traction d'un véhicule électrique ou hybride, ou pour un couplage avec le moteur thermique afin de fonctionner en alternateur ou en démarreur, 10 comportant un capteur de position angulaire du rotor 4. Un interrupteur logiciel 10 peut recevoir alternativement le signal 6 du capteur du rotor 4 donnant sa position réelle, ou le signal produit de manière artificielle par un générateur de rampe 12, pour l'envoyer à un bloc réalisant une transformée 8, appelée transformée de PARK, qui génère des signaux 15 sinusoïdaux décalés angulairement Va_ref, Vb_ref, Vc_ref, à appliquer sur chaque phase de la machine synchrone par un onduleur 16 afin d'obtenir un couple sur le rotor. Dans le cas où l'interrupteur logiciel 10 envoie le signal 6 du capteur du rotor 4, le bloc de transformée de PARK 8 passe du repère fixe lié au rotor, 20 au champ magnétique tournant du stator en tenant compte de la position instantanée de ce rotor, afin de commander la machine électrique 2. Le bloc de transformée de PARK 8 reçoit aussi deux tensions de référence Vd_ref, Vq_ref d'un bloc 14 comportant un modèle inverse de la machine synchrone 2. Le bloc de modèle inverse 14 reçoit deux intensités de 25 référence Id_ref, lq_ref, pour calculer à partir de ces intensités les tensions correspondantes de référence Vd_ref, Vq_ref aux bornes de la machine. Le bloc de transformée de PARK 8 envoie les trois signaux de référence Va_ref, Vb_ref, Vc_ref correspondant aux trois phases à alimenter, à l'onduleur 16 qui délivre les puissances Va, Vb, Vc correspondant à ces 30 signaux, aux phases de la machine électrique 2. 2 99 842 9 Pour un fonctionnement habituel de la machine électrique 2 qui doit délivrer une force électromotrice, les intensités de référence Id_ref, lq_ref sont calculées d'après la régulation de couple à obtenir, et la stratégie de commande choisie pour cette machine. 5 Pour un fonctionnement en mode chauffage de la machine électrique 2 qui est à l'arrêt, l'interrupteur logiciel 10 est positionné pour recevoir le signal provenant du générateur de rampe 12, qui est commandé par une fonction d'optimisation de la fréquence et de l'intensité des courants d'alimentation des bobines constituant les phases de la machine électrique 2. La figure 2 présente la fonction d'optimisation 20 de la fréquence et de l'intensité, qui reçoit des informations sur la fréquence minimale ne provoquant pas l'accrochage du rotor 22, sur la fréquence de découpage de l'onduleur 24, sur les températures maximum autorisées 26, sur les courants maximum autorisés 28, et sur les pertes thermique à dissiper 30 par la machine électrique 2. La fonction d'optimisation 20 de la fréquence et de l'intensité, calcule alors à partir de ces informations la fréquence optimisée de génération du champ tournant 32 qui sera appliquée au stator, ainsi que l'amplitude optimisée des courants 34 pour alimenter ce stator. Avantageusement, la détermination de la fréquence minimale appliquée instantanément, ne provoquant pas l'accrochage du rotor 22 à l'arrêt pour ne pas l'entraîner, peut se faire expérimentalement pour un type de machine électrique synchrone donné. On réalise alors dans les conditions de fonctionnement, des tests d'entraînement du rotor pour différentes fréquences en les appliquant instantanément au générateur de rampe 12, afin d'obtenir par le bloc de transformée de PARK 8 et l'onduleur 16, une alimentation de la machine synchrone 2 ne comportant pas une croissance progressive de la fréquence qui permettrait un accrochage des champs magnétiques du rotor, et un couple sur celui-ci. 2 99842 9 6 En respectant cette fréquence minimale 22, la fonction d'optimisation 20 recherche alors de manière expérimentale l'optimum entre la fréquence du champ tournant 32 et l'intensité des courants 34 alimentant les phases, par exemple avec une instrumentation sur le circuit du fluide de refroidissement 5 de cette machine, permettant d'évaluer la puissance thermique dégagée. Cet optimum est recherché par la fonction d'optimisation 20 en respectant la fréquence maximale de découpage de l'onduleur 24, qui ne doit notamment pas être dépassée, les températures maximum autorisées 26 notamment pour les conducteurs électriques et les aimants, et les courants 10 maximum autorisés 28, pour éviter une détérioration de la machine synchrone, ainsi que les pertes thermiques à dissiper 30 par cette machine suivant la demande de chauffage. On obtient ainsi par une analyse expérimentale et en respectant ces critères, le meilleur compromis entre la fréquence de génération du champ 15 tournant 32 et l'intensité des courants 34, qui donne une puissance thermique dégagée maximale avec le minimum de consommation électrique, tout en évitant un endommagement de la machine électrique. On cherchera de préférence à générer des pertes joules et des pertes fer importantes dans le stator, et à limiter les pertes fer dans les tôles du 20 rotor en adaptant le matériau, la géométrie et l'épaisseur de ces tôles. Les valeurs optimum de fréquence 32 et d'intensité 34 du courant à obtenir, sont traduites par le générateur de rampe 12 en une succession de rampes comportant une période, et donc imposant une fréquence de génération du champ tournant dans la machine. 25 La figure 3 présente une matrice mise en oeuvre par le bloc de transformée de PARK 8, qui à partir des tensions de référence Vd_ref, Vq_ref, et un angle de rotation 0 comportant une vitesse de rotation dépendant de la fréquence du générateur de rampe 12, donne les signaux de référence Va_ref, Vb_ref, Vc_ref transmis à l'onduleur 16 afin d'alimenter 30 les trois phases de la machine synchrone 2. On notera que l'on obtient un signal tournant comportant un décalage de chaque phase par rapport à la phase précédente qui a pour valeur 27/3, donnant une alimentation équilibrée de ces phases, comme pour le contrôle en couple de la machine synchrone 2. On peut utiliser les moyens de contrôle ainsi que les logiciels habituellement prévus pour la commande en couple de cette machine, le procédé selon l'invention nécessitant seulement des modifications des logiciels. Avantageusement, le procédé est mis en oeuvre par un calculateur existant dans le véhicule hybride ou électrique, en particulier par le calculateur de contrôle de la machine synchrone. En particulier la machine synchrone peut comporter un circuit de refroidissement par eau ou par air, qui prélève des calories sur cette machine pour réchauffer les batteries de traction où l'habitacle de ce véhicule, quand le véhicule est à l'arrêt.15 REVENDICATIONS1 - Procédé de contrôle en mode chauffage d'une machine électrique du type synchrone (2) d'un véhicule automobile, comprenant l'alimentation de phases du stator de cette machine qui reste à l'arrêt, de manière à générer des pertes joules ainsi que des pertes fer importantes, caractérisé en ce qu'il réalise une alimentation instantanée de la machine à l'arrêt, avec un courant qui génère un champ magnétique tournant équilibré entre les différentes phases, comportant une fréquence optimisée (32) supérieure à une fréquence minimum prédéfinie (22) permettant de ne pas réaliser l'entraînement du rotor. 2 - Procédé de contrôle selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il calcule un optimum entre la fréquence (32) du champ magnétique tournant et l'intensité (34) du courant d'alimentation des phases, en prenant en compte la fréquence minimum prédéfinie (22), et la fréquence maximum de découpage (24) de l'onduleur (16) qui alimente la machine synchrone (2). 3 - Procédé de contrôle selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il calcule l'optimum en prenant en compte de plus les températures (26) et les courants (28) maximum autorisés pour cette machine, ainsi que les pertes thermiques à dissiper (30). 4 - Procédé de contrôle selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il traduit les valeurs optimum de fréquence (32) et d'intensité (34) du courant à obtenir, en une succession de rampes comportant une période représentant cette fréquence. 5 - Procédé de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il détermine la fréquence minimum (22) à partir d'une série d'expérimentations pour un type de machine électrique synchrone donné. 6 - Calculateur de contrôle d'une machine électrique du type synchrone (2), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens mettant en oeuvre unprocédé de contrôle en mode chauffage de cette machine, réalisé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 7 - Véhicule électrique ou hybride disposant d'une machine électrique synchrone (2), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens mettant en oeuvre un procédé de contrôle en mode chauffage de cette machine, réalisé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 8 - Véhicule électrique ou hybride selon la revendication 7, caractérisé en ce que la machine synchrone (2) comporte un circuit de refroidissement par eau ou par air. 9 - Véhicule électrique ou hybride selon la revendication 8, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement est prévu pour réchauffer des batteries de traction, où l'habitacle du véhicule.