Brevet FR3083039A1 — publié le 20191227

Dispositif de surveillance d'une machine électrique synchrone à aimants permanents de traction d'un véhicule automobile La présente invention concerne un dispositif de surveillance d'une machine électrique synchrone à aimants permanents, et plus particulièrement d'une machine électrique synchrone à aimants permanents de traction d'un véhicule automobile à propulsion hybride électrique ou électrique pure Les véhicules automobiles à propulsion hybride électrique ou à propulsion purement électrique comprennent une machine électrique, par exemple une machine électrique synchrone à aimants permanents. Une telle machine électrique comprend par exemple un stator doté d'une pluralité d'enroulements statoriques et un rotor comprenant des aimants permanents Avec une telle machine électrique, un échauffement excessif du rotor peut entraîner la démagnétisation des aimants permanents. Pour éviter un tel échauffement, il est imposé une baisse de couple, également connue sous la dénomination anglo-saxonne « derating », lorsque la température du rotor dépasse une valeur limite Il existe donc un besoin de connaitre la température du rotor, à la fois pour détecter les conditions dans lesquelles une baisse de couple est nécessaire et pour déterminer la consigne de courant devant être appliqué aux enroulements statoriques qui est établie en fonction de la température du rotor et de la consigne de couple Comme il est difficile d'incorporer un capteur de température sur le rotor, une solution généralement utilisée consiste à calculer le flux au rotor puis à utiliser le flux au rotor calculé pour estimer la température de rotor. L'estimation de la température de rotor peut se faire en utilisant la caractéristique de la force électromotrice à vide qui lie le flux au rotor et la température du rotor, Bien que cette solution permette d'estimer la température du rotor, elle n'apporte pas pleine satisfaction. En effet, les machines électriques présentent une dispersion de fabrication qui se traduit par 2 une légère variation de la force électromotrice à vide, généralement de l'ordre de +/- 5 % Or, la caractéristique flux au rotor - température de rotor est très raide ou, en d'autres termes, une petite variation du flux correspond à une grande variation de la température sur cette 5 caractéristique En conséquence, des erreurs d'estimation importantes surviennent avec le procédé décrit précédemment, par exemple de l'ordre de plusieurs dizaines de degrés Celsius en résulte un risque élevé de démagnétisation des aimants du rotor et donc un risque élevé de destruction de la machine électrique 10 Au vu de ce qui précède, l'invention a pour but de pallier les inconvénients précités Plus particulièrement, l'invention vise à permettre d'estimer la température du rotor avec précision sans entrainer une augmentation importante des coûts et de la difficulté de mise en oeuvre de l'estimation. 15 A cet effet, il est proposé un dispositif de surveillance d'une machine électrique synchrone à aimants permanents de traction d'un véhicule automobile, comprenant un premier module de détermination d'un flux au rotor de la machine électrique, un second module de détermination d'une température de rotor de la machine électrique, le 20 second module de détermination tenant compte du flux au rotor déterminé par le premier module de détermination. Selon une de ses caractéristiques générales, le dispositif comprend un moyen de réception d'une température connue, d'une vitesse de rotation connue et d'une force électromotrice de réglage, la 25 force électromotrice de réglage correspondant à la force électromotrice à 'ide de la machine électrique à la température connue et à la vitesse de rotation connue, le second module de détermination tenant compte de la température connue, de la vitesse de rotation connue et de la force électromotrice de réglage reçues par le moyen de réception. 30 Grâce au moyen de réception et au second module de détermination ainsi configuré, le lien entre le flux au rotor et la température de rotor est établi de manière plus précise, ce qui augmente considérablement la précision de l'estimation de la température de rotor. Dans un mode de réalisation, le second module de détermination comprend une première cartographie contenant des valeurs de la température de rotor en fonction du flux au rotor, et un moyen de réglage de la première cartographie en fonction de la température connue, de la 5 vitesse de rotation connue et de la force électromotrice de réglage Avantageusement, la première cartographie contient une fonction liant le flux au rotor et la température de rotor, le moyen de réglage étant adapté pour modifier une ordonnée à l'origine de la fonction 10 Une telle conception du second module de détermination permet d'adapter de manière simple le dispositif de surveillance pour tenir compte de la force électromotrice de réglage On peut en outre prévoir que la fonction est une fonction affine Dans un mode de réalisation, le moyen de réglage comprend une 15 seconde cartographie contenant des valeurs de l'ordonnée à l'origine en fonction de la température connue, de la vitesse de rotation connue et de la force électromotrice de réglage La température connue doit être proche de la température du rotor au moment de la mesure de la force électromotrice de réglage La 20 température connue peut être choisie selon plusieurs variantes Selon une première variante, le moyen de réception est destiné à recevoir une température connue égale à une constante comprise entre 15 °C et 25 °C, de préférence entre 19 °C et 21 °C Cette variante permet de mettre en oeuvre l'invention en limitant 25 au maximum les coûts et les difficultés de mise en oeuvre de l'invention, la constante reçue par le moyen de réception correspondant à une température classique de banc d'essais d'une machine électrique. Selon une deuxième variante, le moyen de réception est destiné à recevoir une température connue égale à une température mesurée au 30 moyen d'un capteur de la température de l'air ambiant autour de la machine électrique La deuxième variante est notamment avantageuse en ce qu'elle permet d'estimer plus précisément la température du rotor au moment 4 de la mesure de la force électromotrice de réglage sans nécessiter de placer un capteur dans un endroit difficile d'accès. Selon une troisième variante, le moyen de réception est destiné à recevoir une température connue égale à une température mesurée au 5 moyen d'un capteur de la température d'un stator de la machine électrique. Cette troisième variante est adaptée lorsque la force électromotrice de réglage est mesurée en fin de procédé de fabrication de la machine électrique, peu après la sortie du four. Dans ces 10 conditions, la température du rotor est très proche de la température du stator. Selon un autre aspect, il est proposé un véhicule automobile comprenant une machine électrique synchrone à aimants permanents et un dispositif de surveillance tel que défini précédemment 15 Selon encore un autre aspect, l'invention concerne un procédé de surveillance d'une machine électrique synchrone à aimants permanents de traction d'un véhicule automobile, dans lequel on reçoit une température connue, une vitesse de rotation connue et une force électromotrice de réglage, la force électromotrice de réglage 20 correspondant à la force électromotrice à vide de la machine électrique à la température connue et à la vitesse de rotation connue, on détermine un flux au rotor de la machine électrique, et on détermine une température de rotor de la machine électrique en tenant compte du flux au rotor déterminé, de la température connue, de la vitesse de rotation 25 connue et de la force électromotrice de réglage. 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 aux dessins annexés sur lesquels : 30 - la figure 1 illustre schématiquement un exemple de véhicule selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 montre schématiquement une machine électrique équipant le véhicule de la figure I, 5 - la figure 3 représente un dispositif de surveillance de la machine électrique de la figure 2, - la figure 4 représente graphiquement une caractéristique flux au rotor - température de rotor contenue dans une cartographie du 5 dispositif de la figure 3 selon un premier réglage, et la figure 5 représente graphiquement une caractéristique flux au rotor - température de rotor contenue dans la même cartographie selon un second réglage. En référence à la figure 1, on a schématiquement représenté un 10 véhicule automobile 2. Le véhicule 2 est à propulsion hybride électrique. Le véhicule 2 comprend un groupe motopropulseur 4 doté d'une machine électrique 6 et d'un moteur thermique 8. Bien que, dans l'exemple illustré, le véhicule 2 soit propulsé par un groupe motopropulseur hybride thermique-électrique, il est possible, sans sortir 15 du cadre de l'invention, d'envisager un groupe motopropulseur hybride comprenant une autre source d'énergie rotative qu'un moteur thermique ou un groupe motopropulseur à propulsion purement électrique. La machine électrique 6 est synchrone à aimants permanents. En référence à la figure 2, la machine électrique 6 comporte un stator 10 et 20 un rotor 12. Le stator 10 comprend trois enroulements statoriques N, 16 et 18 correspondant respectivement à trois phases A, B et C. Le rotor 12 comprend une pluralité d'aimants permanents 20, en l'espèce quatre paires de pôles 20. Le véhicule 2 comporte un dispositif de surveillance 22. Le 25 dispositif 22 a pour fonction de surveiller le fonctionnement de la machine électrique 6. En particulier, le dispositif 22 surveille que le rotor 12 ne s'échauffe pas à un niveau excessif. Le dispositif 22 est représenté en détail sur la figure 3. En référence à la figure 3, le dispositif 22 comporte un module 30 de détermination 24. Le module 24 a pour but de déterminer un flux (pi2 au rotor U. Le module 24 comporte trois estimateurs de tension 26, 28, 30 estimant les tensions VA, Vs, Vc respectives des phases A, B, C à partir de mesures des courants des phases A, B, C et de la position du stator. 6 Pour des raisons de clarté des figures, seul l'estimateur 26 est représenté sur la figure 2. Les tensions VA, Vs, Vc correspondent à la différence de potentiel des phases respectives A, B, C par rapport au neutre N. Le module 24 comporte trois capteurs de courant 32, 34, 36 5 mesurant respectivement les intensités des phases A, B, C. De même que pour les capteurs de tension, seul le capteur 32 est représenté sur la figure 2. Le module 24 comporte un calculateur 40 en liaison d'informations avec les capteurs/estimateurs 26 à 36. Le calculateur 40 10 est doté des moyens matériels et logiciels pour calculer, à partir des tensions et des intensités mesurées par les capteurs/estimateurs 26 à 36, les composantes directe id et quadratique iq de l'intensité d'alimentation du moteur 6, et les composantes directe vd et quadratique va de le tension d'alimentation du moteur 6. 15 Le module 24 comporte un capteur de position 42 permettant de calculer la vitesse de rotation e) du rotor 12 par rapport au stator 10. Le module 24 comporte un capteur 44 capable de mesurer la tension Vbat aux bornes d'une batterie d'accumulation électrique (non représentée) incorporée dans le véhicule 2 et en liaison électrique avec la machine 20 électrique 6. Le module 24 comprend un calculateur 46 en liaison d'informations avec le calculateur 40 et les capteurs 42 et 44. Le calculateur 46 est doté des moyens matériels et logiciels pour calculer, à partir des variables id, iq, V d, Vq, CO et Vbat, le flux (pu. 25 Le dispositif 22 comporte une étiquette 48. L'étiquette 48 est destinée à être apposée sur la machine électrique 6, de préférence collée sur un endroit particulièrement visible de la machine électrique 6. Par exemple, l'étiquette 48 peut être apposée et collée sur un boîtier (non représenté) de la machine électrique 6. 30 L'étiquette 48 comporte des inscriptions correspondant à une température Tref, une vitesse de rotation wraf et une force électromotrice à vide femvide ref. Plus précisément, la température Tref correspond à une température à un instant de référence, la vitesse cora correspond à la vitesse de rotation de la machine électrique 6 à l'instant de référence et 7 la force électromotrice fem,ide ref correspond à une valeur mesurée de la force électromotrice à vide délivrée par la machine électrique 6 à l'instant de référence. De la sorte, l'étiquette 48 constitue un moyen de réception des données Tref, Wref et fenlvide ref. Les données Tref, coref et 5 fem,ide ref sont spécifiques à une machine électrique 6 particulière. Les données Tref, Wref et fem,ide ref peuvent varier légèrement entre deux machines électriques différentes en fonction de la dispersion de fabrication. Classiquement, pour des machines électriques synchrones à aimants permanents de traction d'un véhicule automobile, la dispersion 10 maximale de la donnée fem,ide ref à Tref et (Bref constantes est de l'ordre de +/- 5%. Les valeurs des données Tref, Wref et fem,ide ref peuvent être déterminées lors d'un procédé d'obtention des données de référence associées à une machine électrique 6, mis en oeuvre après un procédé de fabrication de la machine électrique 6, dont trois variantes de mise en 15 oeuvre sont décrites ci-après. Selon une première variante, la machine électrique 6 est entreposée après la fin du procédé de fabrication dans une pièce dont la température est régulée autour d'une température de régulation Tregul, par exemple 20 °C. Après qu'une durée relativement longue, par 20 exemple quelques heures, s'est écoulée, la machine électrique 6 est entraînée à 1000 tours par minute. Ensuite, l'alimentation du stator 10 est modifiée de sorte que les composantes id et iq soient rendues nulles : çia = 0 = 0 Dans ces conditions, il est possible de mesurer la force 25 électromotrice à vide fem'ide mesurée liée à la machine électrique 6. Par exemple, pour mesurer la force électromotrice femyide mesurée, on peut utiliser une mesure de la tension VA et multiplier la tension mesurée par un coefficient multiplicateur : f einvide mesurée - VA. 3 30 A la fin de cette variante de mise en oeuvre, les données sont définies comme suit : 8 f Tref' ' Tregut Étirer e 1000 tr/min f eMvide ref ' ferrivide mesurée Selon une deuxième variante, la machine électrique 6 est entreposée dans un local non régulé en température. Un capteur de température permet de mesurer la température "ambiant de l'air ambiant 5 autour de la machine électrique 6. Après quelques heures, la machine électrique 6 est entrainée en rotation à 1000 tours par minute et les composantes id et iq sont rendues nulles. Ensuite, on mesure simultanément la température "ambiant et la force électromotrice femvide_inesurée. A la fin de cette variante, les données sont définies 10 comme suit : Tref Tambiant GO'f e 1000 tr/min feinvide_ref e femvidemesurée f a. x + bo 15 a = -0.07 bc, = 44 Bien que, dans l'exemple illustré, la liaison entre le flux cp12 et la température T17 corresponde à une fonction affine, il est bien entendu possible, sans sortir du cadre de l'invention, d'envisager une liaison différente, par exemple plusieurs fonctions affines définies sur des 20 intervalles successifs de température, des fonctions polynômes ou encore tout autre type de fonction. La fonction fo étant bijective, on peut retrouver la température Tu à partir du flux pl, en calculant l'antécédent par la fonction fo du flux déterminé par le module 24. Le module 50 comporte une unité de réglage 54 agissant sur la 25 cartographie 52. L'unité 54 est en liaison d'informations avec une seconde cartographie 56. La cartographie 56 a pour fonction de déterminer un paramètre de réglage de la cartographie 52 en fonction des données Tref, Wref et femvide_ref inscrites sur l'étiquette 48. En fait, la cartographie 56 calcule une ordonnée à l'origine modifiée b1 30 compensant la dispersion de fabrication de la machine électrique 6. Dans l'exemple illustré, dans lequel le flux cp12 se calcule comme une fonction 12 [44 371 mWb (PT12 1- 0 100-1 °C Entre les températures 0 °C et 100°C, la cartographie 52 est 10 affine de la température Tu, la cartographie 56 délivre le paramètre bi en appliquant la formule : femvià e_ref - P - (ore f où p correspond au nombre de paires de pôles de la machine 5 électrique 6, quatre dans l'exemple illustré, et wref est exprimée en radians par seconde. L'unité 54 reçoit le paramètre bi délivré par la cartographie 56 et modifie le réglage de la cartographie 52 de sorte que le flux pli soit délivré comme une fonction affine modifiée f1 : 10 Ce faisant, l'unité 54 décale verticalement la représentation graphique de la fonction fo de manière à adapter la caractéristique contenue par la cartographie 52 en fonction de la dispersion de fabrication de la machine électrique 6. 15 La figure 4 est une représentation graphique de la fonction fo contenue dans la cartographie 52 dans un premier cas d'espèce. Dans le premier cas d'espèce, la machine électrique 6 incorporée dans le véhicule 2 présente une étiquette 48 sur laquelle les données suivantes sont inscrites : Trei = 20°C 20 ci,'! = 1000 trs Imin f emvia,_'1 = 21,84 V L'application de l'équation (1) permet d'obtenir un paramètre bi égal à 44 mWb. Dans ce cas d'espèce, le paramètre bi est égal à l'ordonnée 1)0 de la fonction fo. L'unité 54 n'a donc pas besoin de modifier le réglage de la fonction fo. 25 Lorsque ia = ia = 0, l'équation de la machine à vide écrite sur l'axe quadratique s'écrit ainsi : = p. a). yo où pç est le flux au rotor. Appliquée aux conditions du premier cas d'espèce, l'équation de 30 la machine à vide s'écrit : = 11 f einvideref - (P12 = t. Wref (2) avec cura en radians par seconde Le flux tp12_20°C correspondant à la température 20 °C prend donc la valeur 42,59 mWb lorsqu'il est calculé par l'équation (2). 5 Calculé avec la fonction fo, le flux (p12_202c prend la valeur de 42,6 mWb. La figure 5 est une représentation graphique des fonctions fo et fi contenues dans la cartographie 52 dans un second cas d'espèce La fonction fo est représentée par la courbe 58 en traits pointillés. La 10 fonction fi est représentée par la courbe 60 en traits pleins. Dans ce cas d'espèce, la machine électrique 6 présente une étiquette 48 sur laquelle les données suivantes sont inscrites : Trei = 20°C co'f = 1000 trs /min f entrt.cle_ref = 21 V Dans ces conditions, la cartographie 56 délivre un paramètre b1 15 égal à 42,35 mWb. Le flux (p12_20)c prend la valeur 40,95 mWb lorsqu'il est calculé par application de l'équation (2) et par application de la fonction f1 modifiée. A titre de comparaison, l'antécédent de 40,95 mWb par la fonction fo est 54,57 °C. Si la fonction fo non modifiée avait été utilisée 20 pour estimer la température Tu, une imprécision de 23,57 °C aurait été constatée. Au vu de ce qui précède, l'invention améliore considérablement la précision de l'estimation de la température T12. Les coûts d'installation et la difficulté de mise en oeuvre de l'invention sont faibles 25 puisqu'elle ne nécessite pas d'incorporer REVENDICATIONS1. Dispositif de surveillance (22) d'une machine électrique synchrone à aimants permanents (6) de traction d'un véhicule automobile (2), comprenant un premier module de détermination (24) d'un flux (p12) au rotor (12) de la machine électrique (6), un second module de détermination (50) d'une température (Tu) de rotor (12) de la machine électrique (6), le second module de détermination (50) tenant compte du flux (q)12) au rotor (12) déterminé par le premier module de détermination (24), caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de réception (48) d'une température connue (Tref), d'une vitesse de rotation connue (cora) et d'une force électromotrice de réglage (femvide_ref), la force électromotrice de réglage (femvide_ref) correspondant à la force électromotrice à vide de la machine électrique (6) à la température connue (Tref) et à la vitesse de rotation connue (oeref), le second module de détermination (50) tenant compte de la température connue (Tref), de la vitesse de rotation connue (cora) et de la force électromotrice de réglage (femvirie_fer) reçues par le moyen de réception (48). 2. Dispositif (22) selon la revendication 1, dans lequel le second module de détermination (50) comprend une première cartographie (52) contenant des valeurs de la température (Tu) de rotor (12) en fonction du flux (p12) au rotor (12), et une unité de réglage (54) de la première cartographie (52) en fonction de la température connue (Tref), de la vitesse de rotation connue (cora) et de la force électromotrice de réglage (femvidc_ref). 3. Dispositif (22) selon la revendication 2, dans lequel la première cartographie (52) contient une fonction (fo, fi) liant le flux (pu) au rotor (12) et la température (Tu) de rotor (12), l'unité de réglage (54) étant adaptée pour modifier une ordonnée (bu, bi) à l'origine de la fonction (fo, fi). 4. Dispositif (22) selon la revendication 3, dans lequel la fonction (fo, fi) est une fonction affine. 13 5. Dispositif (22) selon la revendication 3 ou 4, dans lequel le second module de détermination (50) comprend une seconde cartographie (56) contenant des valeurs de l'ordonnée à l'origine (bo, In) en fonction de la température connue (Tref), de la vitesse de rotation 5 connue (ifiref) et de la force électromotrice de réglage (fernvide_ref). 6. Dispositif (22) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le moyen de réception (48) est destiné à recevoir une température connue (Tref) égale à une constante (Tregul) comprise entre 15 °C et 25 °C, de préférence entre 19 °C et 21 °C. 10 7. Dispositif (22) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le moyen de réception (48) est destiné à recevoir une température connue (Tref) égale à une température mesurée (Tambiant) au moyen d'un capteur de la température de l'air ambiant autour de la machine électrique (6). 15 8. Dispositif (22) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le moyen de réception (48) est destiné à recevoir une température connue (Tref) égale à une température mesurée (T stator) au moyen d'un capteur de la température d'un stator (10) de la machine électrique (6). 20 9. Véhicule automobile (2) comprenant une machine électrique synchrone à aimants permanents (6) et un dispositif (22) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 10. Procédé de surveillance d'une machine électrique synchrone à aimants permanents (6) de traction d'un véhicule 25 automobile (2), dans lequel on reçoit une température connue (Tref), une vitesse de rotation connue (core) et une force électromotrice de réglage (femvide_ref), la force électromotrice de réglage (femvide_ref) correspondant à la force électromotrice à vide de la machine électrique (6) à la température connue (Tref) et à la vitesse de rotation connue 30 (ifiref), on détermine un flux (p12) au rotor (12) de la machine électrique (6), et on détermine une température (Tu) de rotor (12) de la machine électrique (6) en tenant compte du flux (pu) au rotor (12) déterminé, de la température connue (Tref), de la vitesse de rotation connue (coref) et de la force électromotrice de réglage (fernvide_ref).