Brevet FR3084788A1 — publié le 20200207

MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE À DIMENSIONNEMENT OPTIMISÉ La présente invention porte sur une machine électrique tournante à dimensionnement optimisé. L'invention est particulièrement bien adaptée aux machines électriques ayant une tension de fonctionnement inférieur à 60 Volts et valant de préférence 48V. Toutefois, l'invention pourra également être mise en oeuvre avec des machines électriques haute tension fonctionnant sous une tension de l'ordre de 300V. De façon connue en soi, un véhicule automobile de type électrique ou hybride comporte une machine électrique tournante intégrée dans la chaîne de traction, notamment dans la boîte de vitesses ou dans l'embrayage, ou implantée sur un des trains du véhicule automobile. La machine électrique est généralement une machine réversible apte à fonctionner dans un mode générateur pour recharger une batterie du véhicule ainsi que dans un mode moteur pour assurer une traction du véhicule. Les véhicules hybrides ou à rechargement sur un réseau externe (architecture dite "plug-in en anglais) permettent de réduire sensiblement les émissions de particules polluantes dans les cycles d'homologations ou hors des cycles, c'est à dire dans la vraie vie de roulage du véhicule automobile. Une part importante de ces gains est obtenue en mode de récupération d'énergie lors d'une phase de freinage ou de décélération du véhicule. La phase de récupération d'énergie se produit le plus souvent dans des zones de fonctionnement à basse vitesse et pleine charge de la machine électrique, pour des durées courtes de l'ordre de 5 à 20 secondes. L'invention vise à optimiser la configuration de la machine électrique sur ces points de fonctionnement en mode de récupération d'énergie en adaptant la résistance de la machine électrique et de l'onduleur associé en fonction de la puissance de la machine électrique. Plus précisément, l'invention a pour objet un ensemble pour véhicule automobile comportant: - une machine électrique tournante apte à fonctionner dans un mode moteur et dans un mode générateur, notamment au cours d'une phase de freinage 2 récupératif, ladite machine électrique tournante comportant un stator muni de N phases ayant une résistance de phase et étant destinées à être parcourues par un courant de phase maximal, et - un onduleur de puissance associé ayant une résistance électrique, s caractérisé en ce que la somme de la résistance de phase et de la résistance de l'onduleur de puissance est proportionnelle au ratio entre la puissance mécanique maximale divisée par le carré du courant de phase maximal. Selon une réalisation, la somme de la résistance de phase et de la résistance de l'onduleur de puissance est sensiblement égale au produit 10 entre 17.5%/N et le ratio entre la puissance mécanique maximale divisée par le carré du courant de phase maximal. Selon une réalisation, une vitesse de rotation minimale de la machine électrique tournante est sensiblement égale à la moitié du ratio entre la puissance mécanique maximale divisée par un couple maximal de la 15 machine électrique tournante. Selon une réalisation, des pertes électriques maximales de la machine électrique tournante et de l'onduleur de puissance associé sont inférieures à 35% de la puissance mécanique de la machine électrique tournante à une vitesse de rotation donnée. 20 Selon une réalisation, des pertes électriques maximales de la machine électrique tournante et de l'onduleur de puissance associé sont inférieures à 17.5% de la puissance mécanique maximale de la machine électrique tournante. Selon une réalisation, pour dimensionner la machine électrique tournante 25 sans connaître ses pertes, on considère que 75% des pertes totales sont imputables à la machine électrique tournante et 25% des pertes totales sont imputables à l'onduleur de puissance. Selon une réalisation, une tension de fonctionnement de la machine électrique tournante est de 48 Volts. 30 Selon une réalisation, la machine électrique tournante présente une puissance comprise entre 10kVV et 30kW. 3 L'invention a également pour objet un véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble tel que précédemment défini. Selon une réalisation ledit véhicule est de type électrique ou hybride. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à 5 l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. La figure 1 est une représentation schématique d'un véhicule automobile selon l'invention comportant un ensemble machine électrique tournante/onduleur de puissance selon l'invention; 10 La figure 2 est représentation schématique de la puissance électrique en fonction du couple de la machine électrique tournante; Les figures 3a et 3b sont des représentations graphiques montrant une plage d'utilisation d'une machine électrique tournante de 25kW respectivement pour une vitesse de rotation de 1500 tours/min et de 1000 tours/min. 15 Les éléments identiques, similaires, ou analogues, conservent la même référence d'une figure à l'autre. La figure 1 montre un véhicule automobile 10 comportant une chaîne de traction 11 implantée sur un train avant. Cette chaîne de traction 11 comporte un moteur thermique 13 accouplé à une boîte de vitesses 14 par 20 l'intermédiaire d'un embrayage 16. La boîte de vitesses 14 est reliée mécaniquement à un différentiel 17. En variante, la chaîne de traction 11 est implantée sur le train arrière du véhicule. Une machine électrique tournante 19 pourra être accouplée au moteur thermique via un dispositif 20 de transmission de mouvement, à courroie 25 notamment, ou intégrée dans la boîte de vitesses 14, ou encore intégrée dans l'embrayage 16. La machine électrique 19 est apte à fonctionner dans un mode générateur pour recharger une batterie du véhicule ainsi que dans un mode moteur pour assurer un démarrage du moteur thermique 13 alors que le véhicule est à 4 l'arrêt ou lors d'une transition d'un mode de roulage électrique vers un mode de roulage thermique. Cette machine électrique 19 pourra également être utilisée pour fournir de l'énergie à la batterie lors d'une phase de freinage récupératif. La machine électrique 19 est connectée, via son onduleur de puissance 21 associé, à un premier réseau électrique 23 sur lequel est également branchée une batterie 24. Ce réseau électrique 23 présente une tension de fonctionnement inférieure à 60 Volts. Avantageusement, la tension de fonctionnement du réseau électrique est de 48 Volts. D'autres charges 10 électriques 25 pourront également être connectées sur le réseau électrique 23. La machine électrique 19 pourra présenter une puissance comprise entre 10kW et 30kW et fournir un couple compris entre 55Nm et 100Nm en fonction de sa longueur. La machine électrique 19 pourra par exemple être 15 de type synchrone à aimants permanents ou à excitation. Le circuit de refroidissement de la machine électrique 19 pourra être à base d'eau ou d'huile. En variante, on pourra également utiliser une machine électrique 19 de type asynchrone. En variante, la machine électrique 19 fonctionne sous haute tension, c'est-à-dire à une tension de l'ordre de 300 Volts. 20 Le réseau électrique 23 est interfacé avec un deuxième réseau électrique 27 basse tension par l'intermédiaire d'un convertisseur continu/continu 28. Le calculateur moteur ainsi que des consommateurs électriques 29 du véhicule de type éclairage, actionneurs de vitres ou de sièges sont connectés au réseau électrique 27. Ce réseau électrique 27 appelé "réseau de bord" est 25 associé à une batterie 30 présentant une tension de fonctionnement inférieure à celle du premier réseau électrique 23. La tension de fonctionnement du réseau électrique 27 est de préférence de l'ordre de 12 Volts. En variante, le véhicule automobile pourra être de type purement électrique. 30 Lors d'une phase de freinage récupératif, l'objectif est de maximiser l'énergie récupérée en utilisant la machine électrique 19 à sa puissance de sortie électrique maximale (cf. figure 2). A basse vitesse, la puissance électrique maximale est fortement influencée par les pertes de la machine électrique 19 5 et de l'onduleur 21, ce qui peut entraîner une diminution de la puissance de sortie disponible lorsque le couple augmente. Ceci est dû au fait que la puissance mécanique est proportionnelle au couple, tandis que les pertes augmentent comme le carré du couple. 5 On décrit ci-après les différentes variables utilisées dans la suite du document: - Puissance mécanique: Pm exprimée en Watts. Cette puissance est positive lorsque la machine électrique 19 fonctionne en mode générateur, - Puissance mécanique maximale Pmmax exprimée en Watts. Cette 10 puissance est positive lorsque la machine électrique 19 fonctionne en mode générateur. - Puissance électrique Pe exprimée en Watts. Cette puissance est positive lorsque la machine électrique 19 fonctionne en mode générateur. - Résistance de phase Rp exprimée en Ohms, 15 - Résistance de l'onduleur Rinv exprimée en Ohms, - Courant de phase kp exprimé en Arms, - Courant de phase maximum Ipmax exprimé en Arms, - Couple maximum Tmax exprimé en Nm, - Couple produit T exprimé en Nm, 20 - Vitesse N de la machine électrique tournante 19 exprimée en rad/s, - Pertes de puissance totales de la machine électrique 19 et de l'onduleur 21 PI exprimées en Watts, - Pertes de puissance totales maximales de la machine électrique 19 et de l'onduleur 21 Plmax exprimées en Watts. 25 La puissance électrique Pe en mode générateur peut être calculée comme suit : Pe = Pm - PI Les pertes sont des pertes résistives en sorte que PI = 6"(Rp+Rinv)"42 si les pertes de commutation de l'onduleur 21 et les pertes fer de la machine sont négligées. Le facteur 6 correspond à une machine électrique à 6 phases 30 mais il pourrait être remplacé par un facteur N pour un nombre N de phases. PI = 6*(Rp+Rinv)*192, Plmax = 6* (Rp+Rinv)* Ipmax2, 6 En faisant le rapport entre les deux équations, on obtient la relation suivante: PI/Plmax = (1(p/l(pmax)^2 Le couple étant proportionnel au courant, on obtient en négligeant la saturation et l'effet de reluctance: s (4/ kpmax) = (T/Tmax) Les pertes peuvent être exprimées de la façon suivante: PI = Plmax * (T/Tmax)2. La puissance électrique vaut Pe= Pm - Plmax(T/Tmax)2. Comme Pm = N*T, on obtient Pe= N*T - Plmax(T/Tmax)2. 10 Par ailleurs, on cherche déterminer les pertes maximales acceptables à basse vitesse, c'est-à-dire à une vitesse inférieure à 2000 tours/min. L'objectif est d'obtenir la puissance électrique maximale au couple maximal et d'éviter d'utiliser la machine dans la zone où la puissance électrique de sortie diminue lorsque le couple augmente. 15 Ceci peut être traduit par une règle mathématique suivant laquelle la puissance électrique Pe(T) doit croître dans la plage de couple utilisable, ce qui signifie que la dérivée de Pe(T) par rapport à T doit être positive, soit d/dT [Pe(T)] > 0 N - 2*Plmax "T/ Tmax2 >0 20 Cela doit être vrai jusqu'à Tmax, de sorte que l'on a: N - 2 *Plmax/Tmax >0 Plmax REVENDICATIONS1. Ensemble pour véhicule automobile comportant: - une machine électrique tournante (19) apte à fonctionner dans un mode moteur et dans un mode générateur, notamment au cours d'une phase de freinage récupératif, ladite machine électrique tournante (19) comportant un stator muni de N phases ayant une résistance de phase (R9) et étant destinées à être parcourues par un courant de phase maximal (kpmax), et - un onduleur de puissance (21) associé ayant une résistance électrique (Rinv), caractérisé en ce que la somme de la résistance de phase (Rrp) et de la résistance (Rinv) de l'onduleur de puissance (21) est proportionnelle au ratio entre la puissance mécanique maximale (Pmmax) divisée par le carré du courant de phase maximal (Icipmax). 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que la somme 15 de la résistance de phase (MO et de la résistance (Rinv) de l'onduleur de puissance (21) est sensiblement égale au produit entre 17,5%/N et le ratio entre la puissance mécanique maximale (Pmmax) divisée par le carré du courant de phase maximal (kpmax). 3. Ensemble selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'une 20 vitesse de rotation minimale (Nmin) de la machine électrique tournante (19) est sensiblement égale à la moitié du ratio entre la puissance mécanique maximale (Pmmax) divisée par un couple maximal (Cmax) de la machine électrique tournante (19). 4. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'une tension de fonctionnement de la machine électrique tournante (19) est de 48 Volts. 5. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la machine électrique tournante (19) présente une puissance comprise entre 10KW et 30kW. 30 6. Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes. 12 7. Véhicule automobile selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'il est de type électrique ou hybride.