Brevet FR3075513A1 — publié le 20190621

DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La pr6sente invention concerne de maniere generale les vehicules automobiles equipes de groupes motopropulseurs hybrides, c'est-a-dire de groupes motopropulseurs comportant une machine electrique et un moteur a combustion interne. Elle concerne plus particulierement un procede de pilotage d'un dispositif de modulation de la tension d'alimentation de la machine electrique d'un tel vehicule automobile. Elle concerne egalement un procede de pilotage du groupe motopropulseur hybride d'un tel vehicule automobile. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE Un vehicule automobile hybride comporte une chaine de traction thermique conventionnelle (avec un moteur a combustion interne, un reservoir de carburant, et une boite de vitesses) et une chaine de traction electrique (avec une batterie de traction, un onduleur et une machine electrique). Lorsqu'il s'agit d'hybridation parallele, un tel vehicule automobile est susceptible d'être tracte par sa seule chaine de traction electrique, ou par sa seule chaine de traction thermique, ou encore simultanement par ses deux chaines de traction electrique et thermique. On cherche toujours a minimiser la consommation en courant electrique et en carburant des deux chaines de traction afin de reduire au mieux les rejets de composants polluants dans ('atmosphere et de garantir au vehicule la meilleure autonomie possible. Pour atteindre cet objectif, une solution consiste a trouver la tension d'alimentation optimale de ('onduleur, a savoir celle qui minimise les pertes electriques dans la chaine de traction electrique. On connait pour cela du document US8324856 une methode consistant a determiner cette tension d'alimentation optimale au moyen d'une cartographie qui associe, a chaque couple et regime de la machine electrique, une valeur de 30 tension. La demanderesse a toutefois constate que cette methode ne donnait pas toujours des resultats aussi efficaces que souhaite, notamment parce que la discretisation proposee de la tension d'alimentation n'est pas assez fine. La demanderesse a en effet observe que cette discretisation ne comporte en pratique 2 que deux niveaux de tension d'alimentation. OBJET DE L'INVENTION Afin de remedier a !Inconvenient precite de l'etat de la technique, la presente invention propose de calculer la tension d'alimentation optimale de fawn 5 analytique. Plus particulierement, on propose selon l'invention un procede de pilotage tel que Mini dans ('introduction, dans lequel il est prevu : - une etape de determination d'un couple electrique optimal que la machine electrique doit developper, en fonction d'une valeur d'energie demandee 10 pour propulser le vehicule automobile et d'un facteur d'equivalence associe a la batterie de traction, - une etape de calcul analytique d'une tension d'alimentation optimale en fonction dudit couple electrique optimal et du regime de la machine electrique, ladite tension d'alimentation optimale minimisant les pertes electriques dans un 15 ensemble comprenant au moins le dispositif de modulation et la machine electrique, et - une etape de commande dudit dispositif de modulation de fawn a ce qu'il delivre ladite tension d'alimentation optimale. Ainsi, grace a l'invention, on utilise un modele analytique dans le but de 20 synthetiser une valeur precise de tension d'alimentation optimale. L'utilisation d'un tel modele analytique s'avere ici interessante pour deux raisons majeures, a savoir la fiabilite des resultats qu'il donne et la facilite de son implementation sur differentes categories de vehicules automobiles hybrides. D'autres avantages de la solution proposee sont les suivants. Ce 25 procede necessite une puissance de calcul tres faible. II assure une continuite dans la commande du dispositif de modulation de tension (de fawn a eviter toute degradation de la chaine de traction electrique et tout a-coup inconfortable pour les passagers du vehicule). II permet de profiter de ('ensemble des performances du vehicule automobile dans toute situation de conduite. D'autres caracteristiques avantageuses et non limitatives du procede de pilotage conforme a l'invention sont les suivantes : - si le regime est compris entre deux bornes determinees en fonction dudit couple electrique optimal, ladite tension d'alimentation optimale est calculee en fonction exclusivement dudit couple electrique optimal et du regime de la 3 machine electrique ; - si le regime est compris entre lesdites deux bornes, ladite tension d'alimentation optimale est calculee selon la formule : Ue°Pt = U2(re°Pt)-We2 ui (Teopt). we + uo(Teopt), ou 5 Uewt est la tension d'alimentation optimale, Tewt est le couple electrique optimal, we est le regime de la machine electrique, uo, ui, u2 sont des fonctions predeterminees ; - si le regime est inferieur auxdites deux bornes, ladite tension 10 d'alimentation optimale est choisie egale a la tension aux bornes de la batterie de traction ; - si le regime est superieur auxdites deux bornes, ladite tension d'alimentation optimale est choisie egale a un seuil de tension maximal dont la valeur est une fonction du couple electrique optimal ; 15 - ledit couple electrique optimal est calcule de fawn analytique ; - ledit couple electrique optimal est calcule selon la formule : Te°13t = Pm°Pt / We tels que : Pmt = (a - A.bi) / (2.A.b2) 20 a = a1 Si Pr -mp opt ppm b1 = b1- et b2 = b2- Si Pmwt >. On pourra definir ici d'autres notions permettant de bien comprendre l'invention. La valeur de la puissance electrique fournie par la batterie de traction 31 7 au dispositif de modulation de tension 33 sera ici appelee 0 puissance batterie Pbat "- La valeur de la puissance electrique fournie par le dispositif de modulation de tension 33 a l'onduleur 35 sera ici appelee > signifiant qu'il s'agit de la valeur optimale). Pour assurer une bonne comprehension de l'invention, le procede permettant au calculateur 50 embarque dans le vehicule automobile 1 d'aboutir au 8 calcul du triplet {Ue°Pt, Pth°Pt, Pm°Pt} sera bien detaille dans une premiere partie de ('expose. Dans une seconde partie de cet exposé, on pourra detailler le raisonnement qui aura permis d'aboutir a ('invention. 5 Dans la premiere partie, on peut donc decrire le procede qui sera mis en oeuvre par le calculateur 50 lorsque le vehicule automobile 1 sera demarre. Ce procede comporte cinq etapes majeures decrites ci-apres, qui seront mises en oeuvre de fagon recursive, c'est-a-dire en boucle et a pas de temps reguliers. 10 Au cours d'une premiere etape, le calculateur 50 acquiert la puissance demandee aux roues Pr, compte tenu par exemple de la position de la pedale d'accelerateur du vehicule automobile. II acquiert egalement le regime we de la machine electrique 36 et le regime wth du moteur a combustion interne 22, au moyen par exemple de 15 capteurs de vitesse angulaire. II lit aussi dans sa memoire la valeur du facteur d'equivalence A de la batterie de traction 31. Cette valeur est predeterminee (ce qui signifie qu'elle est invariable d'un pas de temps a l'autre). Au cours d'une seconde etape, le calculateur 50 calcule le couple 20 electrique optimal Te°Pt que la machine electrique 36 doit developper de fagon a repondre aux besoins du conducteur, compte tenu principalement de la puissance demandee aux roues Pr et du facteur d'equivalence A (dont on rappelle qu'il est determinant pour calculer la contribution de chaque chaine de traction 20, 30 pour faire avancer le vehicule). 25 Pour cela, le calculateur 50 determine tout d'abord la puissance electromecanique optimale Pm°Pt. II d6termine ici cette puissance de fagon analytique, en fonction du regime wth du moteur a combustion interne 22, de la puissance demandee aux roues Pr et du facteur d'equivalence A. Ici, it utilise pour cela la formule mathematique suivante : 30 Pm°Pt = (a - A.131) / (2.A.b2) [eq.1] Dans cette formule, les donnees sont les suivantes : a = a1 si Pr -mp opt Ppm et a = a2 si Pr - pmopt > ppm b1 = b1- et b2 = b2- Si Pmwt 0 avec : 9 A le facteur d'equivalence de la batterie de traction, we le regime de la machine electrique, Pr la puissance aux roues, Piim une variable fonction du regime de la machine electrique, et 5 a1, a2, , b1+ , b2+ des constantes predeterminees. Puis, le calculateur en deduit analytiquement le couple electrique optimal Te°Pt, ici au moyen de la formule mathematique suivante : Teopt = ',moo / [eq.2] Au cours d'une troisieme etape, le calculateur 50 calcule de fawn 10 analytique la tension d'alimentation optimale Ue°Pt que le dispositif de regulation de tension 33 doit fournir de fawn a minimiser les pertes electriques dans ('ensemble consommateur de courant 32. Pour cela, le calculateur determine tout d'abord, au moyen de la cartographie qu'il a en memoire, la zone de fonctionnement dans laquelle la 15 machine electrique 36 se trouve. Sur la figure 6, on a represents schematiquement un exemple de realisation de cette cartographie, sur laquelle on observe trois zones I, II, Ill. Ces zones sont separees les unes des autres par deux courbes Welimi, welim2 qui correspondent a des seuils de regime we de la machine electrique 36 et qui varient 20 en fonction du couple electrique Te. Une fois la zone determinee, si le regime we est compris entre les deux bornes weliml, welim2 (zone II), la tension d'alimentation optimale Ue°Pt est calculee en fonction exclusivement dudit couple electrique optimal Te°Pt et du regime we de la machine electrique 36. Elle est plus precisement calculee selon la formule 25 mathematique suivante : ueopt = u2Teopt.we2 uiTeopt.we uoTeopt [eq.3] Dans cette equation, uo, u1, u2 sont des fonctions predeterminees (c'esta-dire memorisees dans la memoire du calculateur 50), qui different d'un modele de voiture a un autre. 30 En revanche, si le regime we est inferieur aux deux seuils Weliml, welim2 (zone I), la tension d'alimentation optimale Ue°Pt est consideree egale a la tension Ubatt aux bornes de la batterie de traction 31 (on emit : Ue = Ubatt). Enfin, si le regime we est superieur aux deux seuils weliml, welim2 (zone Ill), la tension d'alimentation optimale Ue°Pt est consideree egale a un seuil de 10 tension maximal Ue qui est predetermine et dont la valeur varie une fonction du couple electrique optimal Te°Pt. Cette variation du seuil de tension maximal Ue est predeterminee sur Banc d'essais, et elle est stockee dans la memoire du calculateur 50. 5 Au cours d'une quatrieme etape, le calculateur determine analytiquement la puissance thermomecanique optimale Pth°Pt que le moteur a combustion interne 22 doit developper, en fonction de la puissance electromecanique optimale Pm°Pt et de la puissance demandee aux roues Pr, au moyen de la formule mathematique suivante : 10 pthOpt pthOpt Pr [eq.4] Enfin, au cours d'une derniere etape, le calculateur 50 commande : - le dispositif de modulation 33 de fagon a ce qu'il delivre la tension d'alimentation optimale Ue°Pt, - l'onduleur 35 de fagon a ce que la machine electrique 36 developpe la 15 puissance electromecanique optimale Pm°Pt et le couple electrique optimal Te°Pt, et - le moteur a combustion interne 22 de fagon a ce qu'il developpe la puissance thermomecanique optimale Pth°Pt. Ainsi ce procede permet-il de bien r6partir la puissance demandee a chacune des deux chaines de traction 20, 30 et de garantir des pertes electriques 20 reduites. Dans une seconde partie de cet exposé, on peut maintenant decrire le raisonnement qui a permis d'aboutir au procede decrit ci-dessus, ce raisonnement permettant de comprendre comment obtenir les differents coefficients apparaissant dans les equations precitees. 25 Pour cela, on peut tout d'abord decrire la fagon ayant permis a la demanderesse d'aboutir a requation 3 de calcul de la tension d'alimentation optimale Ue°Pt. La methode utilisee se base sur le principe du minimum de Pontriaguine. Ce principe s'applique a un operateur mathematique particulier, a savoir a un 30 Hamiltonien. Cet Hamiltonien est ici defini comme une fonction, d'une part, du debit de carburant Q, et, d'autre part, du produit de la puissance electrique Pbat consommee et du facteur de d'equivalence A. II s'exprime sous la forme suivante : Hhyb = Q + A. Pbat [eq5] 11 Selon le principe du minimum de Pontriaguine, cet Hamiltonien doit etre minimise afin de trouver les valeurs optimales recherchees. On peut donc ecrire : U-eopt = arg minue Hhyb [eq6] 5 Ou encore : U-eopt = arg minue Pbat [eq7] Soit : aP bat = 0 aue [eq8] La resolution de cette equation de fawn analytique etant complexe, la 10 methode a consists a etablir des mesures sur Banc d'essais. C'est ainsi qu'a ete etablie une cartographie en deux dimensions des pertes electriques minimales en fonction de la tension optimale. Cette cartographie est representee sur la figure 2. Sur la figure 2, on a represents cette cartographie avec, en abscisse, le regime we de la machine electrique 36, en ordonnee, le couple electrique Te 15 developpe par cette machine electrique 36, et en niveaux de gris, la tension d'alimentation optimale Ue°Pt de la machine electrique 36 correspondant. Sur la figure 3, on a represents une autre cartographie etablie de la merle fawn, avec, en abscisse, le couple electrique Te developpe par la machine electrique 36 et en ordonnee, la puissance electrique optimale Pbatt°Pt developpee 20 par la batterie electrique 31. Les courbes tracees correspondent a differents regimes we de la machine electrique 36. On comprend de la figure 2 qu'il est possible de deduire la tension d'alimentation optimale Ue°Pt en fonction uniquement du regime we de la machine electrique 36 et du couple electrique Te developpe par cette machine electrique 25 36. Sur les figures 4A a 4C, on a alors issues de la figure 2 trois courbes illustrant les variations de la tension d'alimentation optimale Ue°Pt en fonction uniquement du regime we de la machine electrique 36, tracees pour trois couples electriques Te differents (-200Nm, ONm, 50Nm). 30 La demanderesse a alors observe que ces courbes presentent des formes homologues, si bien qu'il est possible de modeliser la variation de la tension d'alimentation optimale Ue°Pt en fonction du regime we de la machine electrique 36 au moyen d'une courbe-modele illustree sur la figure 5. Comme le 12 montre la figure 5, cette courbe-modele presente deux seuils weliml et Welim2 de part et d'autre desquels la tension d'alimentation optimale Ue°Pt ne varie pas et entre lesquels cette tension varie. La demanderesse a egalement observe qu'il 6tait possible de modeliser 5 les variations de ces deux seuils weliml et Welim2 par les courbes illustrees sur la figure 6. La demanderesse a alors determine une equation d'interpolation de la courbe-modele, qui est la suivante : ueopt = Si We E [0; we /imi(Teopt)] Si We E [we/im1(TeoPt); welim2(Te si we E [we lim2 (Teolot); ci(Teopt)] [eq.9] C'est donc de cette expression qu'est issue le calcul analytique de la tension d'alimentation optimale Ue°Pt. On y observe que les fonctions uo, ut, u2, w welirot et welim2 e, doivent 15 toutes etre obtenues sur Banc d'essais. Comme cela apparait sur la figure 9 et comme cela a ete decrit dans la premiere partie de cet exposé, pour calculer la tension d'alimentation optimale Ue°Pt, it est necessaire de connaitre le couple electrique optimal Te°Pt. Pour comprendre le raisonnement ayant permis a la demanderesse 20 d'aboutir au procede decrit dans la premiere partie, on peut fournir les informations suivantes. On observe sur la figure 3 que la variation de la puissance batterie optimale Pbattopt par rapport au couple electrique optimal Te°Pt presente un caractere convexe. 25 Or, la puissance electromecanique Pm est egale au produit du couple electrique Te et du regime we. II est donc possible de modeliser analytiquement la variation de la puissance batterie optimale Pbatt°Pt en fonction de la puissance electromecanique Pm, au moyen de la formule : 30 13battopt - bl. Pm+ bi 7 . Pm + by Si Pm E [Pe; 0] [eq.10] LiF . Piii + biE . Pm + bo Si pm E [0; 171 Ubatt uo(Teopt) 10 U2 (Ten. We 2 + tli Moll. We + Ue(Te°13t) 13 Ici encore, les differents coefficients apparaissant dans cette equation doivent etre mesures sur Banc d'essai, et seront differents d'un groupe motopropulseur hybride a l'autre. La methode utilisee ensuite se base encore sur le principe du minimum 5 de Pontriaguine, appliqué a l'operateur Hamiltonien precite. Selon le principe du minimum de Pontriaguine, cet Hamiltonien doit etre minimise afin de trouver les valeurs optimales recherchees. On peut donc ecrire : prn7t = arg minpm Hhyb [eq.11] 10 Soit : [eq.12] apihyb 0 a Pin Alors, en modelisant de fagon analytique le debit de carburant Q, comme cela est exposé dans requation eq.13 (ci-dessous), it est alors possible d'en deduire ('equation de la puissance electromecanique optimale Pm°Pt (equation 15 eq.1). a1. Q(Pth) - (p Pth Q0 si Pth E [Pth,min Plin] [eq.13] -2. th Plim) Qum si Pth E [Plim Pth,max] Dans ce modele, les coefficients a1 et a2 sont obtenus de fagon experimentale pour chaque modele de vehicule automobile (en realisant plusieurs tests sur le modele de vehicule considers et en estimant leurs valeurs par la 20 methode des moindres carres). Les parametres 00, 0 a eux des Pth,min, Plim et Pth,max sont quant variables qui varient en fonction du regime wth du moteur a combustion interne 22. Ces variables sont modelisees de la fagon suivante : Qo(wth) = q2. wth2 + q1. Wth go, 25 Chm(wth) = ai.Plim + Qo(wth), Plirn(wth) = Pi.wth + Po, Pth,max(Wth) = kl .Wth k0, Pth,min(Wth) = 100(Wth) / al. Dans cette modelisation, qo, q1, q2, Po, Pi, REVENDICATIONS1. Procede de pilotage d'un dispositif de modulation (33) de la tension d'alimentation (Ue) d'un courant electrique qui est debite par une batterie de traction (31) d'un vehicule automobile (1) hybride et qui est fourni a une machine electrique (36) du vehicule automobile (1), le procede comportant : - une etape de determination d'un couple electrique optimal (Tewt) que la machine electrique (36) doit developper, en fonction d'une valeur d'energie (Pr) demandee pour propulser le vehicule automobile (1) et d'un facteur d'equivalence (A) associe a la batterie de traction (31), - une etape de calcul analytique d'une tension d'alimentation optimale (Uewt) en fonction dudit couple electrique optimal (Tewt) et du regime (we) de la machine electrique (36), ladite tension d'alimentation optimale (Uewt) minimisant les pertes electriques dans un ensemble (32) comprenant au moins le dispositif de modulation (33) et la machine electrique (36), et - une etape de commande dudit dispositif de modulation (33) de fagon a ce qu'il delivre ladite tension d'alimentation optimale (Uewt). 2. Procede de pilotage selon la revendication precedente, dans lequel, si le regime (we) est compris entre deux bornes (welimi, welim2) determinees en fonction dudit couple electrique optimal (Tewt), ladite tension d'alimentation optimale (Uewt) est calculee en fonction exclusivement dudit couple electrique optimal (Tewt) et du regime (we) de la machine electrique (36). 3. Procede de pilotage selon la revendication precedente, dans lequel, si le regime (We) est compris entre lesdites deux bornes (welimi, welim2) ladite tension d'alimentation optimale (Uewt) est calculee selon la formule : Uewt = u2(Tewt)-we2 + ui (reapt).we + uo(reapt), ou Uewt est la tension d'alimentation optimale, Tewt est le couple electrique optimal, we est le regime de la machine electrique (36), uo, ui, u2 sont des fonctions predeterminees. 4. Procede de pilotage selon l'une des deux revendications precedentes, dans lequel, si le regime (we) est inferieur auxdites deux bornes (welimi, welim2), ladite tension d'alimentation optimale (Uewt) est choisie egale a la tension (Ubatt) aux bornes de la batterie de traction (31). 15 5. Procede de pilotage selon l'une des deux revendications precedentes, dans lequel, si le regime (we) est superieur auxdites deux bornes (welirot, welim2), ladite tension d'alimentation optimale (Ue°Pt) est choisie egale a un seuil de tension maximal (U e) dont la valeur est une fonction du couple electrique optimal (Te°Pt). 5 6. Procede de pilotage selon l'une des revendications precedentes, dans lequel ledit couple electrique optimal (Te°Pt) est determine par calcul analytique. 7. Procede de pilotage selon la revendication precedente, dans lequel ledit couple electrique optimal (Te°Pt) est calcule selon la formule : Teopt _ (a - A . b1) / (2 . A. we. b2), 10 tels que : a = a1 Si Pr -mp opt ppm b1 = b1- et b2 = b2- Si Pmwt 8. Procede de pilotage selon l'une des revendications precedentes, dans lequel ledit couple electrique optimal (Tewt) et ladite tension electrique optimale (Uewt) minimisent les pertes electriques dans ledit ensemble (32) si un hamiltonien (Hhyb), qui est fonction d'une consommation en carburant d'un moteur a 25 combustion interne (22) du vehicule automobile (1) et d'une consommation en courant electrique dudit ensemble (32), est minimise. 9. Procede de pilotage selon l'une des revendications precedentes, dans lequel ladite valeur d'energie (Pr) est une puissance demandee au niveau des roues motrices (10) du vehicule automobile (1). 30 10. Procede de calcul d'une consigne de pilotage d'un groupe motopropulseur hybride de vehicule automobile (1), ledit groupe motopropulseur hybride comportant, d'une part, une machine electrique (36) qui est alimentee en courant par une batterie de traction (31), un dispositif de modulation (33) de tension et un onduleur (35), et d'autre part, un moteur a combustion interne (22) 16 qui est alimente en carburant par un reservoir (21), !edit procede comprenant : - une op6ration d'acquisition d'une valeur d'6nergie (Pr) demand6e pour propulser le vehicule automobile (1), d'un facteur d'equivalence (A) associe a la batterie de traction (31), du regime (wth) du moteur a combustion interne (22) et du 5 regime (we) de la machine electrique (36), - une operation de pilotage du dispositif de modulation (33) selon un procede conforme a l'une des revendications precedentes, au cours duquel on calcule une premiere puissance (Pm) que la machine electrique (36) doit developper, en fonction dudit couple electrique optimal (Te°Pt) et du regime (we) de 10 la machine electrique (36), - une operation de calcul d'une seconde puissance (Pth) que le moteur a combustion interne (22) doit developper, en fonction de la premiere puissance (Pm) et de ladite valeur d'energie (Pr), et - une operation de commande de la machine electrique (36) et du moteur 15 a combustion interne (22) de fawn a ce qu'ils developpent respectivement les premiere et seconde puissances (Pm, Pth).