Brevet FR3079371A1 — publié le 20190927

SYSTÈME DE CONTRÔLE POUR UNE MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE La présente invention porte sur un système de contrôle pour une machine électrique tournante. Ce système de contrôle trouve une application particulièrement avantageuse avec les machines électriques installées dans un véhicule automobile. De façon connue en soi, les machines électriques tournantes comportent deux parties coaxiales à savoir un rotor et un stator entourant le corps du rotor. Le rotor pourra être solidaire d'un arbre de rotor menant et/ou mené et pourra appartenir à une machine électrique tournante sous la forme d'un alternateur, comme décrit par exemple dans les documents EP0803962 et W002/093717, ou d'un moteur électrique comme décrit par exemple dans le document EP0831580. La machine électrique tournante pourra être réversible comme décrit par exemple dans les documents W001/69762, W02004/040738, W02006/129030 et FR3005900. Une telle machine électrique tournante réversible synchrone est appelé alterno-démarreur. Il permet, d'une part, de transformer de l'énergie mécanique en énergie électrique lorsqu'il fonctionne en mode alternateur pour notamment alimenter des consommateurs et/ou recharger une batterie et d'autre part de transformer de l'énergie électrique en énergie mécanique lorsqu'il fonctionne en mode moteur électrique pour notamment démarrer un moteur thermique tel celui d'un véhicule automobile. Il est connu de l'homme du métier un système de contrôle 100 asservissant une tension de sortie générée par une machine électrique de type alternateur afin de contrôler la charge de la batterie. La figure 1 illustre un tel système de contrôle 100 pour une machine électrique 10. La machine électrique tournante 10 comporte un stator 14 et un rotor 13 qui comprend un bobinage de rotor et qui est apte à générer un flux magnétique interagissant avec le stator 14. Le stator 14 est apte à délivrer une tension de sortie V_B+A et un courant de sortie lait à une batterie 11 et des charges 12. Les charges 12 peuvent être branchées en parallèle de la batterie 11. 2 En d'autres termes, la batterie 11 comprend deux bornes, une borne positive dite B+ et une autre borne dite B- reliée à la masse. La tension aux bornes de la batterie 11 est V_B+A. Par exemple, le stator 14 comprend un bobinage de stator multiphasé et le 5 courant lait peut correspondre à l'amplitude des courants multiphasés. On peut prévoir que le bobinage de stator comprend des fils de sortie qui sont reliés à un onduleur 15 représenté sous la forme d'une diode sur la figure 1. Ceci est également applicable dans le cas où la diode serait remplacée par un Mosfet. 10 Lorsque la machine électrique est en fonctionnement alternateur, la tension de sortie V_B+A peut être délivrée à la batterie 11 par le stator 14 par l'intermédiaire de l'onduleur 15. Plus précisément, des forces électromotrices FEM sont présentes dans chacune des phases du bobinage du stator et sont traitées par l'onduleur 15 pour générer la tension de sortie V_B+A. 15 De même, le courant de sortie lait peut être délivré à la batterie 11 et aux charges 12 par le stator après un traitement par l'onduleur 15, l'onduleur 15 redressant le courant lait en un courant I_B+A. Du fait que les charges 12 sont branchées en parallèle de la batterie 11, le courant I_B+A se répartit en un courant lbatt qui alimente directement la 20 batterie par l'intermédiaire de sa borne B+ et un courant Ich qui alimente les charges. Le système de contrôle 100 comprend: - un module d'excitation 3 du rotor 13 pour appliquer par modulation à largeur d'impulsion en fonction d'un rapport cyclique r un courant d'entrée 'rot 25 entrant dans le bobinage du rotor. Ainsi, la valeur du courant 'rot va influer directement sur la valeur du courant de sortie lait ainsi que sur la tension de sortie V_B+A. Par exemple, le module d'excitation 3 comprend un commutateur à semi-conducteur contrôlé par le rapport cyclique r. Le rapport cyclique r est ainsi égal à un pourcentage d'excitation appliqué au rotor. 30 - une boucle de contrôle, dite boucle de contrôle en tension, pour asservir la tension de sortie V_B+A à une valeur fixée de tension de sortie. A cet effet, la boucle de contrôle comprend un comparateur 9 pour faire la différence 3 entre une valeur fixée de tension de sortie Vset et la tension de sortie V_B+A et en déduire un signal d'erreur en tension el. En asservissant la tension de sortie V_B+A, on peut imposer la valeur de la charge restante de la batterie, également appelé SOC selon un acronyme anglo-saxon bien connu de 5 l'homme du métier, signifiant "State Of Charge". Par exemple, le système de contrôle comprend un voltmètre pour mesurer la tension V_B+A. La boucle de contrôle en tension comprend également un correcteur 1 du signal d'erreur el, le correcteur 1 est configuré pour calculer le rapport 10 cyclique r en fonction du signal d'erreur en tension el. Le correcteur 1 pourra comprendre des fonctions proportionnelle, intégrale, et dérivée afin d'améliorer la stabilité, la précision, et la rapidité de la boucle de contrôle en tension. La figure 1 illustre également un ensemble électrique 200 comprenant le 15 système de contrôle 100, la machine électrique tournante 10 et la batterie 11 et les charges. La figure 2 représente pour la machine électrique tournante 10, la valeur du rendement référencée Eff en fonction de la valeur de l'intensité pour différentes vitesses de rotation. Les quatre courbes représentent l'évolution 20 du rendement en fonction de la valeur du courant de sortie lait. Chacune des courbes est associée à une vitesse de rotation de la machine lorsqu'elle fonctionne comme un alternateur, à savoir 1500 tours/min, 2000 tours/min, 4000 tours/min et 6000 tours/min. On peut également voir sur la figure 2, deux droites qui définissent sur la 25 courbe associée à la vitesse de rotation 6000 tours/min une intersection nommée "mode 1", deux autres droites qui définissent sur la courbe associée à la vitesse de rotation 6000 tours/min une intersection nommée "mode 2" et deux autres droites qui définissent sur la courbe associée à la vitesse de rotation 6000 tours/min une intersection nommée "mode 3". 30 Le mode 1 correspond à un contrôle de la machine électrique 10 permettant d'obtenir un rendement de la machine électrique compris entre 60 et 65%. 4 Le mode 3 correspond à un contrôle de la machine électrique 10 permettant d'obtenir un rendement de la machine électrique compris entre 65 et 70%. Le mode 2 correspond à un contrôle de la machine électrique 10 permettant d'obtenir un rendement de la machine électrique bien plus important, compris 5 entre 70% et 75%. Il serait atteignable à la condition que la machine électrique tournante débite un courant lalt=lopt. L'invention est ainsi basée sur le constat qu'une machine électrique tournante pourrait avoir un rendement supérieur à celui qu'elle obtient lorsqu'elle est contrôlée par le système de contrôle illustré sur la figure 1. 10 Plus précisément, l'invention a pour objet un système de contrôle pour une machine électrique tournante comportant un stator et un rotor, ledit rotor comprenant un bobinage de rotor et est apte à générer un flux magnétique interagissant avec le stator, ledit stator étant apte à délivrer une tension de sortie et un courant de sortie à une batterie et des charges, les charges étant 15 connectées à la batterie, le système de contrôle comprenant: - un module d'excitation du rotor pour appliquer par modulation à largeur d'impulsion en fonction d'un rapport cyclique un courant d'entrée entrant dans le bobinage du rotor; caractérisé en ce que le système de contrôle comprend: 20 - un module de calcul ou de cartographie de la machine électrique pour déterminer, en fonction d'une vitesse de rotation de la machine, une valeur optimale du courant de sortie permettant d'obtenir un rendement optimal de la machine électrique, et - une boucle de contrôle, dite boucle de contrôle en courant, pour asservir le 25 courant de sortie de l'alternateur à cette valeur optimale du courant de sortie pour optimiser le rendement de ladite machine électrique tournante indépendamment d'une valeur de courant demandée par les charges. L'invention permet ainsi, en asservissant le courant de sortie de l'alternateur à sa valeur optimale, d'augmenter sensiblement le rendement de la machine 30 électrique tournante. Selon une réalisation, ledit système de contrôle est configuré de telle façon que si la valeur optimale du courant de sortie de l'alternateur est inférieure à 5 une valeur de courant demandée par les charges et si un niveau de charge de la batterie est supérieur à un seuil paramétrable, alors la batterie fournit la différence de courant entre le courant demandé par les charges et la valeur optimale de courant. 5 Selon une réalisation, ledit système de contrôle est configuré de telle façon que si la valeur optimale du courant de sortie de l'alternateur est supérieure à une valeur de courant demandée par les charges et si un niveau de charge de la batterie est inférieur à un seuil paramétrable, alors la différence de courant est appliquée à la batterie pour son rechargement. 10 Selon une réalisation, la boucle de contrôle en courant comprend un comparateur pour faire la différence entre le courant de sortie et une valeur de consigne de courant de sortie et en déduire un signal d'erreur en courant. Selon une réalisation, ledit système de contrôle comporte une boucle de contrôle, dite boucle de contrôle en tension, pour asservir la tension de 15 sortie, la boucle de contrôle en tension comprenant un comparateur pour faire la différence entre une valeur fixée de tension de sortie et la tension de sortie et en déduire un signal d'erreur en tension. Selon une réalisation, ledit système de contrôle comprend un saturateur configuré pour transmettre le rapport cyclique au module d'excitation, le 20 rapport cyclique étant obtenu à partir du signal d'erreur en tension et du signal d'erreur en courant. Selon une réalisation, le saturateur est configuré pour que le rapport cyclique transmis au module d'excitation corresponde au rapport cyclique le plus faible choisi parmi un premier rapport cyclique correspondant au signal 25 d'erreur en tension et un deuxième rapport cyclique correspondant au signal d'erreur en courant. Selon une réalisation, la boucle de contrôle en courant comprend un module compensateur du signal d'erreur en courant, le module compensateur étant configuré pour calculer un rapport cyclique en fonction du signal d'erreur en 30 courant et pour transmettre ce rapport cyclique au saturateur. 6 Selon une réalisation, la boucle de contrôle en tension comprend un correcteur du signal d'erreur en tension, le correcteur étant configuré pour calculer un rapport cyclique en fonction du signal d'erreur en tension et pour transmettre ce rapport cyclique au saturateur. 5 Selon une réalisation, ledit système de contrôle comprend un estimateur configuré pour estimer à partir de la vitesse de la machine électrique tournante, de la tension de sortie et du courant d'entrée, le courant de sortie de l'alternateur. Selon une réalisation, la batterie est du type Lithium-Ion. 10 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de mise en oeuvre et de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : - La figure 1, déjà décrite, représente un système de contrôle pour une machine électrique tournante selon l'état de la technique; 15 - La figure 2, déjà décrite, représente pour la machine électrique tournante de la figure 1 la valeur du rendement en fonction de la valeur de l'intensité pour différentes vitesse de rotation; - La figure 3 représente un système de contrôle selon l'invention permettant d'asservir le courant de sortie de l'alternateur à une valeur optimale; 20 - La figure 4 illustre une cartographie permettant, grâce à la courbe de rendement optimal, de déterminer la valeur optimale du courant de sortie à partir de la vitesse de rotation de l'alternateur; - La figure 5 illustre graphiquement le fonctionnement de la machine électrique tournante contrôlée par le système de contrôle selon l'invention ; 25 - La figure 6 illustre le sens de circulation du courant de la batterie alors que l'alternateur débite un courant de valeur optimale pour différents cas de fonctionnement. Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. 7 La figure 3 représente un système de contrôle 100 pour une machine électrique tournante selon l'invention. Ce système de contrôle 100 se distingue de celui illustré sur la figure 1 principalement en ce qu'il comprend en plus de la boucle de contrôle en 5 tension déjà décrite, une deuxième boucle de contrôle, dite boucle de contrôle en courant, pour asservir le courant de sortie lait. La boucle de contrôle en courant comprend un deuxième comparateur 4 pour faire la différence entre le courant de sortie lait et une valeur de consigne du courant de sortie 'set et en déduire un signal d'erreur en courant e2. 10 Par exemple, on peut prévoir un module de mesure comprenant un ampèremètre pour mesurer le courant de sortie lait. De manière alternative, on peut prévoir un estimateur 5 configuré pour estimer à partir de la vitesse Srot de la machine électrique tournante 10, de la tension de sortie V_B+A et du courant d'entrée 'rot, le courant de sortie lait de l'alternateur. Par 15 exemple, l'estimateur 5 peut estimer la valeur du courant de sortie à l'aide d'une équation ou bien d'une cartographie de la machine électrique tournante 10. Avantageusement, un module de calcul ou de cartographie 6 de la machine électrique 10 permet de déterminer en fonction d'une vitesse de rotation de 20 la machine Srot, une valeur optimale du courant de sortie lopt permettant un rendement optimal de la machine électrique 10. La figure 4 est une cartographie permettant, grâce à la courbe de rendement optimal Eff_opt de la machine électrique 10, de déterminer la valeur optimale du courant de sortie lopt à partir de la vitesse de rotation N. 25 Le module de cartographie 6 est configuré pour transmettre au calculateur 7 la valeur optimale lopt, de sorte que la valeur fixée du courant de sortie 'set puisse prendre la valeur lopt. Le rapport cyclique r2 est calculé par un module compensateur 8 du signal d'erreur en courant e2. Le module compensateur 8 est configuré pour 30 calculer un rapport cyclique r2 en fonction du signal d'erreur e2 et pour transmettre ce rapport cyclique au saturateur 2. Le module compensateur 8 pourra comporter des fonctions proportionnelle, intégrale, et dérivée afin 8 d'améliorer la stabilité, la précision, et la rapidité de la boucle de contrôle en courant. Avantageusement, le rapport cyclique r2 ainsi que le rapport cyclique ri de la boucle de contrôle en tension issu du correcteur 1 sont appliqués en entrée 5 d'un saturateur 2. Avantageusement, le rapport cyclique ri et le rapport cyclique r2 sont calculés de sorte qu'ils soient destinés à la génération de deux signaux de même période et de même phase, c'est à dire synchronisés. Le saturateur 2 est configuré pour transmettre le rapport cyclique r au 10 module d'excitation 3, le rapport cyclique r étant obtenu à partir du signal d'erreur en tension el et du signal d'erreur en courant e2. Plus précisément, le rapport cyclique r est obtenu à partir du premier et du deuxième rapport cyclique ri et r2. Par exemple, le rapport cyclique r transmis au module d'excitation 3 correspond au rapport cyclique le plus faible choisi parmi un 15 premier rapport cyclique ri correspondant au signal d'erreur en tension el et un deuxième rapport cyclique r2 correspondant au signal d'erreur en courant e2. Comme cela a été indiqué précédemment, le calculateur 7 pourra imposer un courant de consigne 'set valant lopt. Toutefois, dans le cas où le calculateur 20 7 reçoit un ordre COM via son port de réception 71, le calculateur 7 est configuré pour fixer la valeur de consigne du courant de sortie 'set à une valeur maximale. En effet, le saturateur 2 pouvant choisir le rapport cyclique le plus faible, en fixant la valeur de consigne 'set du courant de sortie à une valeur maximale supérieure à celle débitée par la machine électrique 10, par 25 exemple 500 ampères, le saturateur va choisir le rapport cyclique issu de la boucle de contrôle en tension. Par exemple, l'ordre peut être déclenché par un niveau de charge de la batterie en dessous d'un certain seuil. En d'autres termes, en donnant au courant de sortie 'set une valeur maximale, il est possible de désactiver si besoin la boucle de contrôle en courant. 30 La figure 3 illustre également un ensemble 200 comprenant le système de contrôle 100, la machine électrique tournante, la batterie 11 et les charges 12. On peut prévoir que la machine électrique 10 est multiphasée, par exemple triphasée ou double triphasée. 9 La figure 5 illustre la valeur du rendement Eff en fonction de la valeur de l'intensité pour une certaine vitesse de rotation donnée par exemple de 4000 tours/minute lorsque la machine électrique fonctionne comme un alternateur. Deux droites définissent une intersection nommée "cas 1", deux autres 5 droites définissent une intersection nommée "cas 2", et deux autres droites définissent une intersection selon laquelle le courant de sortie lalt=lopt, lopt représentant une valeur de courant de sortie permettant d'obtenir un rendement optimale Eff_opt de la machine électrique 10 pour une vitesse de rotation N donnée (cf. figure 4). 10 Le cas 1 correspond à un fonctionnement de l'alternateur 10 lorsque le courant de sortie lait est initialement inférieur à lopt. Par exemple, le courant 'ch demandé par les charges correspond à un courant de sortie lait inférieur à lopt. A l'aide du système de contrôle 100 illustré sur la figure 3, il est prévu lorsque les rapports cycliques respectent la relation r2 REVENDICATIONS1. Système de contrôle (100) pour une machine électrique tournante (10) comportant un stator (14) et un rotor (13), ledit rotor (13) comprenant un bobinage de rotor et est apte à générer un flux magnétique interagissant avec le stator (14), ledit stator (14) étant apte à délivrer une tension de sortie (V_B+A) et un courant de sortie (lait) à une batterie (11) et des charges (12), les charges (12) étant connectées à la batterie (11), le système de contrôle (100) comprenant: -un module d'excitation (3) du rotor (13) pour appliquer par modulation to à largeur d'impulsion en fonction d'un rapport cyclique (r) un courant d'entrée (kat) entrant dans le bobinage du rotor; caractérisé en ce que le système de contrôle (100) comprend: - un module de calcul ou de cartographie (6) de la machine électrique (10) pour déterminer, en fonction d'une vitesse de rotation de la machine 15 (Srot), une valeur optimale du courant de sortie (lopt) permettant d'obtenir un rendement optimal (Eff_opt) de la machine électrique (10), et - une boucle de contrôle, dite boucle de contrôle en courant, pour asservir le courant de sortie (le de la machine électrique tournante à cette valeur optimale du courant de sortie (lopt) pour optimiser le rendement de 20 ladite machine électrique tournante (10) indépendamment d'une valeur de courant (lch) demandée par les charges. 2. Système de contrôle (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est configuré de telle façon que si la valeur optimale du courant de sortie de la machine électrique tournante (lopt) est inférieure à une valeur de 25 courant demandée par les charges (lch) et si un niveau de charge de la batterie (11) est supérieur à un seuil paramétrable, alors la batterie (11) fournit la différence de courant entre le courant demandé par les charges (lch) et la valeur optimale de courant. 3. Système de contrôle (100) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé 30 en ce qu'il est configuré de telle façon que si la valeur optimale du courant de sortie de la machine électrique tournante (lopt) est supérieure à une valeur de courant demandée par les charges (lch) et si un niveau de charge de la batterie (11) est inférieur à un seuil paramétrable, alors la différence de 12 courant est appliquée à la batterie (11) pour son rechargement. 4. Système de contrôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la boucle de contrôle en courant comprend un comparateur (4) pour faire la différence entre le courant de sortie (lait) et une valeur de consigne de courant de sortie (lset) et en déduire un signal d'erreur en courant (e2). 5. Système de contrôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une boucle de contrôle, dite boucle de contrôle en tension, pour asservir la tension de sortie (V_B÷A), la boucle de to contrôle en tension comprenant un comparateur (9) pour faire la différence entre une valeur fixée de tension de sortie (Vset) et la tension de sortie (V _B-1-A) et en déduire un signal d'erreur en tension (el ). 6. Système de contrôle selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le système de contrôle (100) comprend un saturateur (2) configuré 15 pour transmettre le rapport cyclique (r) au module d'excitation (3), le rapport cyclique étant obtenu à partir du signal d'erreur en tension (ci) et du signal d'erreur en courant (e2). 7. Système de contrôle (100) selon la revendication 6, caractérisé en ce que le saturateur (2) est configuré pour que le rapport cyclique (r) 20 transmis au module d'excitation (3) corresponde au rapport cyclique le plus faible choisi parmi un premier rapport cyclique (ri) ) correspondant au signal d'erreur en tension (cl) et un deuxième rapport cyclique (r2) correspondant au signal d'erreur en courant (e2). 8. Système de contrôle (100) selon la revendication 6 ou 7, caractérisé 25 en ce que la boucle de contrôle en courant comprend un module compensateur (8) du signal d'erreur en courant (e2), le module compensateur étant configuré pour calculer un rapport cyclique (r2) en fonction du signal d'erreur en courant (02) et pour transmettre ce rapport cyclique au saturateur (2). 30 9. Système de contrôle (100) selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la boucle de contrôle en tension comprend un correcteur (1) du 13 signal d'erreur en tension (el), le correcteur (1) étant configure pour calculer un rapport cyclique (ri) ) en fonction du signal d'erreur en tension (cl) et pour transmettre ce rapport cyclique au saturateur (2). 10. Système de contrôle (100) selon rune quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un estimateur (5) configure pour estimer à partir de la vitesse (Srot) de la machine électrique tournante (10), de la tension de sortie (V_B÷A), et du courant d'entrée (IRA), le courant de sortie (lait) de la machine électrique tournante. 11. Système de contrôle selon l'une quelconque des revendications 1 to à 10, caractérisé en ce que la batterie (11) est du type Lithium-don.