Brevet FR3023432A1 — publié le 20160108

Procédé de commande d'un groupe motopropulseur à deux modulations de largeur d'impulsion à deux fréquences de découpage. L'invention a pour domaine technique la commande de moteurs électriques, et plus particulièrement la commande de tels moteurs alimentés par une alimentation à découpage. Les véhicules électriques ou hybrides bénéficient d'optimisation de la commande de la chaîne de traction électrique, comprenant l'onduleur et la machine électrique. Il est toutefois nécessaire d'optimiser le compromis prestation/fiabilité. Par prestation, on entend l'agrément (oscillations basse vitesse du véhicule), les performances en pic et continues, l'acoustique, l'autonomie/le rendement, le maintien et le décollage en rampe (démarrage en côte notamment). La performance en pic correspond à une demande du moteur d'être capable de fournir une haute puissance pendant une courte durée, par exemple 65 kilowatt, pendant au moins 30 secondes. La performance continue correspond à une demande du moteur d'être capable de fournir une moyenne puissance pendant une durée moyenne, par exemple 43 kilowatt, pendant au moins 30 minutes. Par fiabilité, on entend la résistance de l'onduleur. En effet il est important que les composants du module de puissance composant l'onduleur ne s'échauffent pas trop, pour éviter une panne. De l'état de la technique, on connaît les documents suivants. Le document US 2005-073272 décrit une stratégie de modification de la fréquence de découpage en fonction de la vitesse pour de petits besoins. La détermination de la fréquence de commutation tient compte des pertes, de l'acoustique et des ondulations de courant. Le document CN 102882462 divulgue l'utilisation de différentes techniques de modulation en fonction de la vitesse du moteur. L'invention a pour but d'optimiser le compromis entre la prestation et la fiabilité d'une chaîne de traction véhicule. Par prestation, on entend tout ou partie des caractéristiques comprises dans la liste suivante : l'agrément, les performances en pointe et en statique, l'acoustique, l'autonomie ou le rendement, le maintien du véhicule en pente et le décollage en rampe. L'invention a pour objet un procédé de commande d'un groupe motopropulseur électrique ou hybride comprenant au moins un moteur électrique alimenté par une alimentation à découpage munie d'un onduleur, l'onduleur étant apte à fonctionner selon au moins deux fréquences de découpage différentes et à être commandé par deux modulations à largeur d'impulsion différentes. Le procédé comprend les étapes suivantes : On détermine la vitesse de rotation du moteur, on détermine la consigne de couple requise par le conducteur, on détermine la température du liquide de refroidissement de l'onduleur, on choisit la fréquence de découpage à employer en fonction de la vitesse de rotation du moteur, de la consigne de couple et de la température du liquide de refroidissement, on choisit la modulation à largeur d'impulsion à employer en fonction de la consigne de couple et de seuils dépendant de la vitesse de rotation du moteur et de la température du liquide de refroidissement, et on commande le moteur électrique avec la modulation à largeur d'impulsion choisie à la fréquence de découpage choisie. Un tel procédé présente l'avantage d'utiliser la température du liquide de refroidissement du module de puissance de l'onduleur afin qu'en fonction de la température du module de puissance, il soit permis dans certaines zones de fonctionnement, plus de pertes de rendement de l'onduleur afin de favoriser la réduction des nuisances acoustiques, sans risque pour les composants de l'onduleur. Un autre avantage du procédé est d'obtenir des performances élevées avec un module de puissance plus petit, c'est-à-dire comprenant moins de composants, et donc moins coûteux qu'un module de puissance utilisant un procédé de commande non optimisé. Un tel procédé présente également l'avantage d'optimiser le dégagement thermique des transistors utilisés dans l'électronique de la chaîne de traction, par l'intermédiaire du changement de fréquence de découpage. Il est à noter que la prise en compte du changement de fréquence de découpage n'est pas évident du fait qu'en réduisant la taille de l'onduleur pour l'adapter aux justes besoins du véhicule, sa sensibilité thermique augmente. Une telle augmentation de la sensibilité thermique est un inconvénient majeur en l'absence d'optimisation de la dissipation thermique car une surchauffe pourrait se produire. On peut utiliser une première fréquence de découpage minimisant les pertes par commutation lorsque la valeur absolue de la vitesse de rotation du moteur est inférieure à un seuil de vitesse donné, et lorsque la valeur absolue de la consigne de couple est supérieure à un seuil de couple donné qui dépend de la température du liquide de refroidissement, sinon, on utilise l'autre fréquence de découpage. On peut utiliser une modulation à largeur d'impulsion de type FTB (en anglais « Flap Top Bottom ») lorsque la valeur absolue de la consigne de couple est supérieure à un premier seuil ou lorsque la valeur absolue de la consigne de couple est comprise entre un deuxième seuil et un troisième seuil, le premier seuil étant supérieur au deuxième seuil, lui-même supérieur au troisième seuil, les trois seuils dépendant de la vitesse de rotation du moteur et de la température du liquide de refroidissement, sinon on utilise une modulation à largeur d'impulsion de type SVM (en anglais « Space Vector Modulation ») dans les zones où la modulation à largeur d'impulsion de type FTB n'est pas utilisée. Lorsque la vitesse de rotation du moteur est inférieure à une première vitesse de rotation, les trois seuils peuvent être supérieurs au couple maximal du moteur. Lorsque la vitesse de rotation du moteur est supérieure à une deuxième vitesse de rotation, le premier seuil, le deuxième seuil et le troisième seuil peuvent être nuls. Lorsque la vitesse de rotation du moteur est comprise entre la première vitesse de rotation et la deuxième vitesse de rotation, les valeurs des seuils peuvent dépendre de la température du liquide de refroidissement. La première vitesse de rotation est inférieure à la deuxième vitesse de rotation. La transition d'une modulation à une autre peut n'être effective que si une durée minimum s'est écoulée depuis la transition précédente. La transition d'une fréquence de commutation à une autre peut n'être effective que si une durée minimum s'est écoulée depuis la transition précédente. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence au dessin annexé sur lequel la figure unique illustre l'emploi des différentes modulations de largeur d'impulsion en fonction de la vitesse de rotation et du couple du moteur. Les performances et la fiabilité du moteur peuvent être optimisées en minimisant les pertes de l'onduleur. Pour ce faire, il est proposé d'employer une modulation de largeur d'impulsion (acronyme MLI, acronyme anglais PWM pour « Pulse width modulation ») qui minimise les commutations des transistors IGBT (acronyme anglais pour « Isolated Grid Bipolar Transistor », transistor bipolaire à grille isolée). La modulation de largeur d'impulsion employée est de type « Flat Top Bottom » (acronyme anglais FTB, correspondant à une Modulation Vectorielle avec blocage des bras haut/bas) uniquement autour des courbes iso couple et iso puissance. On rappelle que la modulation de largeur d'impulsion FTB est une variante de la modulation de vecteur d'espace (acronyme anglais SVM pour « Space Vector Modulation », Modulation Vectorielle Spatiale), dont le principe est d'avoir un transistor IGBT sur les six de l'onduleur qui est maintenu activé en permanence pendant un sixième de la période électrique. Sur une période électrique, tous les transistors IGBT seront activés pendant 1/6 de la période électrique, chacun à leur tour. Le choix du transistor IGBT restant activé sur chaque sixième de période électrique peut être fait selon plusieurs critères, par exemple le transistor IGBT voyant le maximum de courant pour réduire les pertes. Cette modulation de largeur d'impulsion FTB permet d'optimiser le rendement et la température de fonctionnement de l'onduleur, tant au niveau des transistors IGBT que de l'électronique de commande de ces transistors, au détriment de l'acoustique. La modulation de largeur d'impulsion FTB est nécessaire pour tenir les performances en pointe à moyenne et haute vitesses de rotation du moteur. En effet cette modulation diminue les pertes des IGBTs et donc améliore la thermique des puces. On utilise donc les deux modulations de largeur d'impulsion SVM et FTB pour piloter les transistors IGBT de l'onduleur. Comme illustré par la figure unique, lorsque la vitesse de rotation du moteur est inférieure à une première vitesse de rotation du moteur, par exemple 400 tpm (tours par minute), on privilégie l'utilisation de la modulation de largeur d'impulsion SVM pour l'agrément. Lorsque la vitesse de rotation du moteur est supérieure à une deuxième vitesse de rotation, par exemple, 4000 tpm, on privilégie l'utilisation de la modulation de largeur d'impulsion FTB pour améliorer le rendement. Lorsque la vitesse de rotation est comprise entre 400tpm et 4000tpm, l'utilisation de la modulation de largeur d'impulsion FTB est minimisée pour éviter les désagréments acoustiques. Par exemple, la modulation de largeur d'impulsion FTB n'est utilisée que pour garantir : - la performance en pic sans activation de mode dégradé IGBT (par exemple, une puissance de 65kW pendant 30s), et/ou - la performance continue sans activation de mode dégradé des cartes de l'onduleur (par exemple, une puissance de 43kW pendant 30min). On rappelle que l'activation d'un mode dégradé consiste à diminuer la puissance du moteur pour éviter la surchauffe de celui-ci ou de l'électronique de commande, notamment l'onduleur. Par conséquent, le choix de la stratégie à utiliser dépend de la vitesse de rotation du moteur, de la consigne de couple et de la température du liquide de refroidissement. Plus précisément, la modulation de largeur d'impulsion FTB est utilisée lorsque la valeur absolue de la consigne de couple Tq sp est supérieure à un premier seuil Tq th FTB 1, ou lorsqu'elle est comprise entre un deuxième seuil Tq_th_FTB_2 et un troisième seuil Tq th FTB 3. Les trois seuils Tq th FTB 1, Tq_th_FTB_2 et Tq_th_FTB_3 dépendent de la vitesse de rotation du moteur notée Speed et de la température du liquide de refroidissement notée WatT. La condition ci-dessus peut être formulée comme suit : Tq_sp > Tq th FTB l(Speed,WatT) OU (Eq. 2) Tq th FTB 3(Speed, WatT) La modulation SVM est utilisée dans les zones où la modulation FTB n'est pas activée. On note que la transition d'une stratégie à une autre ("SVM à FTB" ou "FTB à SVM") est effective si une durée minimale, notée t trans min, s'est écoulée depuis la transition précédente. Par exemple, si on appelle t_SVMtoFTB l'instant auquel est réalisée une transition "SVM à FTB" alors la transition suivante "FTB à SVM" ne peut pas arriver dans le laps de temps t compris entre t_SVMtoFTB et t_SVMtoFTB + t trans min. Cette condition permet d'éviter des transitions trop fréquentes. Par ailleurs, dans une zone très basse vitesse de rotation/fort couple, le compromis entre le maintien et le décollage en rampe, la fiabilité et l'acoustique est géré. Le maintien et décollage en rampe et la fiabilité peuvent être optimisés dans une telle zone en réduisant la fréquence de découpage de l'onduleur au détriment de l'acoustique, par exemple en réduisant la fréquence de découpage de 10kHz à 2kHz. Cette diminution de fréquence de découpage permet de réduire les pertes et donc l'échauffement des transistors IGBT. Il est à noter que les fréquences de commutation de 2kHz et 10kHz sont de simples exemples, de sorte que d'autres fréquences peuvent être employées. L'emploi d'une fréquence de découpage de 2kHz permet de réduire les pertes de commutation et ainsi d'améliorer le rendement tout en réduisant l'échauffement des transistors IGBT et de l'électronique de commande de l'onduleur. En contrepartie, elle dégrade l'acoustique et ne peut être activée à haute vitesse de rotation (résultante du théorème de Shannon) Donc le choix de la valeur de fréquence de découpage dépend de la vitesse de rotation du moteur, de la consigne de couple et de la température du liquide de refroidissement. Plus spécifiquement, la fréquence de découpage de 2kHz est utilisée lorsque les deux conditions suivantes sont satisfaites. La valeur absolue de la vitesse de rotation du moteur (appelé "Speed") est inférieure à un seuil donné (appelé "Speed th"). La valeur absolue de la consigne de couple (appelé "Tq sp") est supérieure à un seuil (appelé "Tq th") qui dépend de la température du liquide de refroidissement (appelé "WatT") Les conditions exprimées ci-dessus sont reprises dans la formule suivante : 1Speed Tq th (WatT) (Eq. 1) Lorsque les conditions de l'équation 1 ne sont pas satisfaites, la fréquence de découpage de 10 kHz est utilisée. La transition d'une fréquence de découpage à l'autre ("2kHz à 10kHz" ou "10kHz à 2kHz") est effective si une durée minimale (appelée "t trans min") s'est écoulé depuis la transition précédente. Par exemple, si on appelle t 2to10 l'instant auquel survient une transition de 2Khz à 10Khz alors la transition suivante de 10kHz à 2kHz ne peut pas survenir avant le temps t 2to10 + t trans min. Cette condition permet d'éviter des transitions trop fréquentes. REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'un groupe motopropulseur électrique ou hybride comprenant au moins un moteur électrique alimenté par une alimentation à découpage munie d'un onduleur, l'onduleur étant apte à fonctionner selon au moins deux fréquences de découpage différentes et à être commandé par deux modulations à largeur d'impulsion différentes, le procédé comprenant les étapes suivantes : on détermine la vitesse de rotation du moteur, on détermine la consigne de couple requise par le conducteur, on détermine la température du liquide de refroidissement de l'onduleur, on choisit la fréquence de découpage à employer parmi les fréquence de découpage de l'onduleur en fonction de la vitesse de rotation du moteur, de la consigne de couple et de la température du liquide de refroidissement, on choisit la modulation à largeur d'impulsion à employer parmi les modulations à largeur d'impulsion de l'onduleur en fonction de la consigne de couple et de seuils dépendant de la vitesse de rotation du moteur et de la température du liquide de refroidissement, on commande le moteur électrique via son onduleur avec la modulation à largeur d'impulsion choisie à la fréquence de découpage choisie. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on utilise une première fréquence de découpage minimisant les pertes par commutation lorsque la valeur absolue de la vitesse de rotation du moteur est inférieure à un seuil de vitesse donné, et lorsque la valeur absolue de la consigne de couple est supérieure à un seuil de couple donné qui dépend de la température du liquide de refroidissement, sinon, on utilise une deuxième fréquence de découpage. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on utilise une modulation à largeur d'impulsion de type FTB lorsque la valeur absolue de la consigne decouple est supérieure à un premier seuil ou lorsque la valeur absolue de la consigne de couple est comprise entre un deuxième seuil et un troisième seuil, le premier seuil étant supérieur au deuxième seuil, lui-même supérieur au troisième seuil, les trois seuils dépendant de la vitesse de rotation du moteur et de la température du liquide de refroidissement, sinon on utilise une modulation à largéur d'impulsion de type SVM dans les zones où la modulation à largeur d'impulsion de type FTB n'est pas utilisée. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel, lorsque la vitesse de rotation du moteur est inférieure à une première vitesse de rotation, les trois seuils sont supérieurs au couple maximal du moteur, lorsque la vitesse de rotation du moteur est supérieure à une deuxième vitesse de rotation, le premier seuil, le deuxième seuil et le troisième seuil sont nuls, lorsque la vitesse de rotation du moteur est comprise entre la première vitesse de rotation et la deuxième vitesse de rotation, les valeurs des seuils dépendent de la température du liquide de refroidissement, la première vitesse de rotation étant inférieure à la deuxième vitesse de rotation. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la transition d'une modulation à une autre n'est effective que si une durée minimum s'est écoulée depuis la transition précédente. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la transition d'une fréquence de commutation à une autre n'est effective que si une durée minimum s'est écoulée depuis la transition précédente.