Brevet FR3059491A1 — publié le 20180601

PROCEDE DE DECLENCHEMENT D'UN MODE DE COURT-CIRCUIT PILOTE POUR LA PROTECTION D'UNE MACHINE ELECTRIQUE ET DISPOSITIF DE PROTECTION CORRESPONDANT. L'invention concerne un procédé de déclenchement d'un mode de « court-circuit piloté » - ou ASC pour « active short circuit », en anglais - pour une machine électrique à aimants permanents d'un véhicule automobile, en particulier pour une machine synchrone à aimants permanents. Dans le cadre du développement des véhicules électriques et hybrides, le couple fourni par une machine électrique de type machine synchrone à aimants doit être contrôlé. Le couple d'une machine synchrone est directement lié aux courants circulant dans ses phases. Celui-ci est réalisé au moyen d'un onduleur avec régulation des courants de phase sinusoïdaux synchronisés par rapport à la position relative du rotor par rapport au stator de la machine électrique. Lorsqu'un défaut fonctionnel est détecté, le système doit pouvoir activer un mode de contrôle sûr, ou mode de refuge, en particulier, le mode « court-circuit piloté » (« active short circuit », en anglais). Les défauts fonctionnels conduisant à l'activation du mode de contrôle sûr peuvent être un sur-courant, une surtension, un défaut de mesure de position du rotor, un défaut d'intégrité logicielle, un défaut batterie. Ces endommagements peuvent ne pas conduire à un évènement potentiellement sécuritaire, mais le taux d'occurrences de ces défaillances peut être inacceptable en termes de fiabilité du système. Dans les domaines d'application automobiles connus, en véhicules électriques ou hybrides, un des modes connu pour pallier une défaillance est le mode « court-circuit piloté ». Les propriétés de ce mode de contrôle sûr sont l'extinction ou la réduction du couple de sortie de la machine et l'extinction très rapide de la puissance électrique. 3059491 2 L'extinction ou réduction du couple de sortie de la machine permettent de respecter les contraintes de sureté de fonctionnement sur les accélérations intempestives. Plusieurs documents présentent des systèmes de machines 5 électriques ou d'onduleurs robustes à divers types de défaillances. Cette robustesse consiste à maintenir une fonctionnalité minimale malgré la défaillance, au moyen de diverses redondances fonctionnelles. Le document CN204334268U divulgue un générateur à aimant 10 permanent comprenant un bobinage auxiliaire mis en série avec le bobinage principal servant à limiter le courant pendant les défauts imputables au déclenchement du mode « court-circuit piloté ». En fonctionnement normal, ce bobinage sert à lisser le courant. Le document DE102011008076 décrit un aimant posé entre 15 deux pôles d'un rotor comprenant chacun une bobine. L'aimant peut servir à court-circuiter un flux généré par les deux bobines en fonction du sens du courant dans les bobines du rotor. Toutefois, aucun de ces documents ne présente de mode refuge, ou de mode de défaillance garantissant la sureté du système et son 20 intégrité au moyen d'un court-circuit piloté. L'invention porte donc sur un procédé de déclenchement d'un mode de court-circuit piloté pour la protection d'une chaine de traction électrique d'un véhicule automobile entraîné, au moins partiellement, par une machine électrique, ledit véhicule automobile 25 comprenant une batterie adaptée pour alimenter en courant continu un onduleur prévu pour transformer le courant continu en courant triphasé et alimenter la machine électrique. Ce procédé de déclenchement d'un mode de court-circuit piloté comporte une première étape de calcul d'une consigne de position du 30 rotor de la machine électrique, une deuxième étape de mesure de la position du rotor, une troisième étape de comparaison de la position mesurée du rotor et de la consigne de position du rotor, et une quatrième étape de déclenchement d'un mode de court-circuit piloté. 3059491 3 Selon une caractéristique du procédé, la consigne de position du rotor correspond à la position du rotor dans laquelle l'amplitude crête-à-crête du courant triphasé est minimale. Selon un mode de mise en oeuvre du procédé, la première étape 5 de calcul d'une consigne de position du rotor comprend la détermination d'une position du rotor dans laquelle l'amplitude crêteà-crête du courant triphasé est minimale pendant une période transitoire de mise en place du mode de court-circuit piloté. Selon un autre mode de mise en oeuvre du procédé, la première 10 étape est mise en oeuvre au moyen d'un calculateur. Selon une autre caractéristique du procédé, le capteur de position du rotor est un capteur mesurant la rotation du rotor par rapport à une position de référence. Au cours de ladite troisième étape de comparaison de la 15 position et de la consigne de position du rotor, on peut déterminer si la position du rotor est sensiblement identique à la consigne de position du rotor. Selon une autre caractéristique du procédé, on passe à la quatrième étape de déclenchement d'un mode de court-circuit piloté si, 20 à la troisième étape, la position du rotor est sensiblement identique à la consigne de position du rotor. L'invention porte également sur un dispositif de protection d'une chaîne de traction électrique d'un véhicule automobile entraîné, au moins partiellement, par une machine électrique. 25 Le véhicule automobile comprend en outre une batterie adaptée pour alimenter en courant continu un onduleur prévu pour transformer le courant continu en courant triphasé et alimenter la machine électrique. Le dispositif comprend des moyens de mesure de la position du 30 rotor de la machine électrique, des moyens pour comparer la position mesurée du rotor avec une consigne de position du rotor et des moyens pour déclencher l'activation d'un mode de court-circuit piloté. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement 3059491 4 à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente un circuit électronique d'une partie de la chaîne de traction du véhicule automobile, 5 - les figures 2A et 2B représentent deux positions différentes du rotor par rapport au stator de la machine électrique, - la figure 3 illustre l'évolution des trois courants de phase pendant une période transitoire de mise en place d'un mode de court-circuit piloté en fonction du temps. 10 - la figure 4 illustre l'évolution de l'amplitude crête-à-crête de deux courants de phase pendant une période transitoire de mise en place d'un mode de court-circuit piloté, en fonction de la position relative du rotor par rapport au stator lors du déclenchement du mode de court-circuit piloté, 15 - la figure 5 représente un dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé de déclenchement d'un mode de court-circuit piloté conforme à l'invention, et - La figure 6 représente la succession des étapes du procédé de déclenchement d'un mode de court-circuit piloté. 20 On se réfèrera tout d'abord à la figure 1 qui illustre un circuit électronique d'une partie de la chaîne de traction d'un véhicule automobile à traction au moins partiellement électrique. Ce circuit est destiné à convertir une tension d'alimentation continue en une tension triphasée pour l'alimentation d'une machine 25 électrique. Il est en particulier destiné à mettre en oeuvre un mode de « court-circuit piloté ». Il comporte un onduleur 1 comprenant un ensemble d'interrupteurs référencés lha, lhb, lhc, lba, lbb, lbc muni chacun d'une diode de roue libre connectée en parallèle. 30 Les interrupteurs sont connectés en série par paires. L'interrupteur lha raccordé en série avec l'interrupteur lba constitue un premier bras la, l'interrupteur lhb raccordé en série avec l'interrupteur lbb constitue un deuxième bras lb, l'interrupteur lhc 3059491 5 raccordé en série avec l'interrupteur lbc constitue un troisième bras lc. Les bras la, lb et le sont connectés en parallèle entre eux et avec les entrées de l'onduleur. 5 Une première sortie de l'onduleur est connectée entre l'interrupteur lha et l'interrupteur lba, une autre entre l'interrupteur lhb et l'interrupteur lbb et une dernière entre l'interrupteur lhc et l'interrupteur lbc. Les sorties de l'onduleur 1 sont connectées à un inducteur 2 10 d'un machine électrique triphasée. Les entrées de l'onduleur 1 sont connectées en parallèle d'une capacité C également connectée en parallèle aux bornes d'une batterie 3. Ce mode de court-circuit piloté consiste en la mise 15 équipotentiel des phases par la fermeture de tous les interrupteurs haut lha, lhb et lhc, ou bien de tous les interrupteurs bas lba, lbb, lbc. Avantageusement, en cas de défaillance ou de casse partielle de l'onduleur, on peut garantir le mode court-circuit en changeant le bras réalisant le court-circuit. 20 Ce mode refuge garantit une rapide et complète isolation de la machine électrique du point de vue de la puissance, et garantit donc la mise à zéro instantanée de la puissance électrique, car aucun courant ne peut remonter en amont de l'onduleur 1. Cela permet donc de couvrir les exigences de sûreté quels que soient la vitesse de la 25 machine électrique et le niveau de flux la traversant. Cependant, ce mode refuge présente également un inconvénient. A la mise en court-circuit, la machine électrique subit une très forte discontinuité de tension sur les phases, ce qui provoque une augmentation transitoire des courants qui peut être violente pour 30 certains points de fonctionnement. Cette augmentation de courant peut provoquer un endommagement irréversible du système. Par exemple, il peut s'agir d'une casse de l'onduleur 1 par dépassement du courant de phase maximum admissible ou d'une démagnétisation irréversible partielle des aimants de la machine 3059491 6 électrique par dépassement d'un seuil de flux induit par les courants de phase. Ce seuil étant par ailleurs potentiellement abaissé du fait de la température élevée du rotor dans ce contexte. Lors du déclenchement d'un tel mode de court-circuit piloté, le 5 rotor 4 de la machine électrique, encore en rotation, est en effet dans une position aléatoire, par exemple ici représenté alternativement dans deux positions sur les figures 2A et 2B par rapport au stator 5. Après son déclenchement, le mode de court-circuit piloté connaît une période transitoire pendant laquelle les courants des trois 10 phases peuvent atteindre des valeurs importantes allant de deux à trois fois le courant nominal de la machine électrique ce qui pose les problèmes déjà cités. On a représenté sur la figure 3 trois courbes A, B et C respectivement représentatives de l'évolution des trois courants de 15 phase ia, ib, ic pendant cette période transitoire commençant à partir du temps to de déclenchement du mode de court-circuit piloté. Passé cet instant, les valeurs d'amplitude des trois courants ia, ib, ic décroissent avec le temps après avoir atteint un maximum, appelé valeur «pic de courant», ou amplitude crête à crête. 20 Ces valeurs «pic de courant» de chacun des courants de phases, illustrés par les courbes D et E représentatives des courants ia et ib sur la figure 4, dépendent de la position du rotor au moment to du déclenchement du mode court-circuit piloté. On peut déterminer expérimentalement, ou par calcul, une 25 position correspondant à une rotation d'angle ao du rotor 4 par rapport au stator 5 à l'instant to qui minimise ce «pic de courant». On a représenté les «pic de courant» des courants ia et ib sur les courbes D et E pour différentes positions du rotor 4 pour mettre en évidence le minimum des «pic de courant» lorsque le rotor 4 est à la position 30 correspondant, notamment sensiblement, à la rotation d'angle ao. On a représenté sur la figure 5 les éléments structurels d'un dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé de déclenchement d'un mode de court-circuit piloté conforme à l'invention. 3059491 7 Ce dispositif comporte un premier calculateur 7a apte à élaborer une consigne de position Ctconsigne du rotor de la machine, un capteur 6 de mesure de la valeur d'angle a de la position relative du rotor par rapport au stator 5 de la machine électrique et un deuxième 5 calculateur 7b apte à comparer la position mesurée a du rotor 4 avec la consigne de position. Il comporte en outre un étage de commande 8 relié à l'onduleur 1 et pilotant les interrupteurs de l'onduleur pour transformer le courant continu en courant triphasé et alimenter la machine électrique. 10 On se réfèrera finalement à la figure 6 qui illustre le déroulement des étapes successives du procédé de déclenchement d'un mode de court-circuit piloté conforme à l'invention. La valeur ao peut être utilisée, lors d'une première étape, pour déterminer au moyen du premier calculateur 7a une consigne de 15 position ac. gne du rotor de la machine électrique. On mesure au cours d'une deuxième étape une valeur d'angle a représentative de la position relative du rotor 4 par rapport au stator 5 de la machine électrique au moyen d'un capteur dédié 6. Au moyen du deuxième calculateur 7b, on compare lors d'une 20 troisième étape la position mesurée a et de la consigne de position Ctconsigne et on commande, le cas échéant, au cours d'une quatrième étape, le déclenchement du mode de court-circuit piloté précédemment décrit au moyen de l'étage de commande 8. Cet étage de commande 8 est un dispositif permettant d'ouvrir 25 ou fermer au moins séparément tous les interrupteurs haut lha, lhb et lhc de l'onduleur, ou bien tous les interrupteurs bas lba, lbb et lbc. Les calculateurs 7a et 7b peuvent être regroupés au sein d'un unique calculateur 7. Une telle application exigerait une solution matérielle de type logique câblée (FPGA). 30 En dehors de la traction électrique, cette solution peut convenir à tout système d'actionneur avec machine synchrone à aimants permanents, nécessitant une mise en état sûr de coupure de puissance rapide par un mode refuge basique réalisable par hardware. REVENDICATIONS1. Procédé de déclenchement d'un mode de court-circuit piloté pour la protection d'une chaine de traction électrique d'un véhicule automobile entraîné, au moins partiellement, par une machine électrique, ledit véhicule automobile comprenant une batterie (3) adaptée pour alimenter en courant continu un onduleur (1) prévu pour transformer le courant continu en courant triphasé et alimenter la machine électrique, caractérisé en ce qu'il comporte une première étape de calcul d'une consigne de position (11consigne) du rotor de la machine électrique, une deuxième étape de mesure de la position (a) du rotor, une troisième étape de comparaison de la position mesurée du rotor et de la consigne de position du rotor, et une quatrième étape de déclenchement d'un mode de court-circuit piloté. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite consigne de position du rotor correspond à la position du rotor dans laquelle l'amplitude crête-à-crête du courant triphasé est minimale. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel ladite première étape de calcul d'une consigne de position ( OEconsigne) du rotor comprend la détermination d'une position (ao) du rotor dans laquelle l'amplitude crête-à-crête du courant triphasé est minimale pendant une période transitoire de mise en place du mode de court-circuit piloté. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la première étape est mise en oeuvre au moyen d'un calculateur (7). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le capteur de position du rotor est un capteur (6) mesurant la rotation du rotor par rapport à une position de référence. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au cours de ladite troisième étape de comparaison de la position et de la consigne de position du rotor on 3059491 9 détermine si la position du rotor est sensiblement identique à la consigne de position du rotor. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on passe à la quatrième étape de 5 déclenchement d'un mode de court-circuit piloté si, à la troisième étape, la position du rotor est sensiblement identique à la consigne de position du rotor. 8. Dispositif de protection d'une chaîne de traction électrique d'un véhicule automobile entraîné, au moins partiellement, par une 10 machine électrique, ledit véhicule automobile comprenant une batterie adaptée pour alimenter en courant continu un onduleur (1) prévu pour transformer le courant continu en courant triphasé et alimenter la machine électrique, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure (6) de la position du rotor de la machine électrique, des 15 moyens pour comparer (7) la position mesurée du rotor avec une consigne de position du rotor et des moyens pour déclencher (8) l'activation d'un mode de court-circuit piloté.