EP2707247A2 - Installation comprenant une source d'energie electrique comportant au moins deux elements de technologies differentes et un onduleur de pilotage d'un moteur electrique a courant alternatif - Google Patents

Installation comprenant une source d'energie electrique comportant au moins deux elements de technologies differentes et un onduleur de pilotage d'un moteur electrique a courant alternatif

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Publication number
EP2707247A2
EP2707247A2 EP12719392.8A EP12719392A EP2707247A2 EP 2707247 A2 EP2707247 A2 EP 2707247A2 EP 12719392 A EP12719392 A EP 12719392A EP 2707247 A2 EP2707247 A2 EP 2707247A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
current
source
inverter
electric motor
supply line
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12719392.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Ivan MODOLO
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Michelin Recherche et Technique SA Switzerland
Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
Original Assignee
Michelin Recherche et Technique SA Switzerland
Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
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Filing date
Publication date
Application filed by Michelin Recherche et Technique SA Switzerland, Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA filed Critical Michelin Recherche et Technique SA Switzerland
Publication of EP2707247A2 publication Critical patent/EP2707247A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/51—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells characterised by AC-motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/28—Arrangements for controlling current
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S388/00—Electricity: motor control systems
    • Y10S388/907—Specific control circuit element or device
    • Y10S388/9072—Bridge circuit

Definitions

  • the present invention relates to the control of electric motors. More particularly, it relates to the control of electric motors used in particular for the traction of vehicles.
  • such a motor comprises, in the stator, a magnetic circuit and coils of electrically conductive wire capable of generating a stator magnetic flux.
  • the motor in the rotor, the motor comprises permanent magnets and a magnetic circuit generating a magnetic rotor flux.
  • the motor comprises a squirrel cage rotor.
  • the motor In the case of a reluctant motor, the motor comprises a reluctant rotor.
  • synchronous motors are used. Such a motor is equipped with a "resolver" giving the position of the rotor relative to the stator. Such a motor is always associated with an inverter to control it.
  • the source of electrical energy is a DC source such as a battery or a fuel cell.
  • the engine control inverter has an inverter transforming the DC signal into an alternating signal of amplitude and frequency adapted to the operating instructions of the motor.
  • the role of the three-phase inverter associated with a motor is to generate a desired mechanical torque at the motor shaft output from a continuous power supply.
  • the operating principle is as follows: the interaction between the stator magnetic field of the motor, created by the current in the winding, and the rotor magnetic field, produces a mechanical torque.
  • the inverter thanks to three branches of power transistors, realizes a system of three-phase currents of appropriate amplitude, appropriate frequency and appropriate phase relative to the rotor field, to supply the three phases of the motor.
  • the inverter has current sensors making it possible to know the currents of each phase of the motor.
  • the inverter receives signals from a resolver that measures the position of the rotor relative to the stator.
  • the general controller is equipped with a motor model which makes it possible to know exactly the phase currents to be achieved in order to obtain the desired motor torque.
  • the inverter from the motor modeling, determines the setpoints of the phase currents of the motor and realize them thanks to its regulators. The inverter therefore does not control the torque, but the motor current.
  • the losses of the motor, the inverter and cables may vary. As a result, the power, so the current absorbed on the source can be different from one case to another.
  • the objective of the invention is to overcome the need to model the losses and to provide the means for better control of the engine.
  • the invention proposes an installation comprising a source of electrical energy comprising at least two elements of different technologies and a driving inverter of an electric motor, the motor comprising a stator having at least two phases and a rotor, said inverter comprising:
  • An alternating current generator delivering a current to a terminal block intended to be connected to the phases of said electric motor
  • An input receiving information comprising at least one "source limit current” value for the current flowing on the supply line, said source limit current considering generally said at least two elements of different technologies, and comprising a requested torque setpoint (Ccons),
  • a controller receiving the power line current measurements, the electrical motor phase current measurements, the source current limits (Idc max and Idc min), the requested torque setpoint (C CAN), the controller for controlling the phase currents of the electric motor according to the requested torque setpoint and maintaining the current flowing through the supply line to a value compatible with the limits of the source.
  • the "limit current of the source” comprises a maximum current setpoint (of positive sign) corresponding to a current withdrawn at the source of electrical energy when the motor operates in traction mode and a minimum current (negative sign) corresponding to a current returned on the DC bus, in general to recharge the source of electrical energy, when the electric motor operates in regenerative braking mode.
  • source means all electrical means for either deliver in traction mode, or absorb, in electric braking mode, a given power.
  • sources means all electrical means for either deliver in traction mode, or absorb, in electric braking mode, a given power.
  • the types of sources that can be present on the continuous bus are three in number:
  • the invention relates to an installation comprising a source of electrical energy comprising at least two elements of different technologies, it can be applied to a bidirectional source coupled to a pure sink, or a power source pure (fuel cell) coupled to a pure heatsink, or a bidirectional source coupled to a pure power source (battery to
  • the source may comprise the combination of several electrical elements capable of storing electrical energy (batteries and supercapacitors for example).
  • the source may also include an electric accumulator and a dissipation resistor.
  • an electric accumulator and a dissipation resistor.
  • the present invention is not concerned with the management aspect of two or more elements used to deliver electrical power and / or used to absorb electrical power, it will be appreciated that for the purposes of the present invention , the "current limit of the source" must be considered globally, for the set of different elements of the source used in parallel, as an electric accumulator and a dissipation resistor.
  • FIG. 1 illustrates an inverter according to the invention
  • FIG. 2 is a block diagram showing a specific treatment of the inverter of the invention.
  • Figure 3 is a block diagram of an additional device of the inverter of the invention
  • Figure 4 illustrates a particular implementation of the invention to a bidirectional source (battery) coupled to a pure sink.
  • FIG 1 we see an inverter 1, a three-phase electric motor 6, a battery 8 constituting the source of continuous electrical energy and a bus CAN ® 7 on which information flows used by the inverter 1.
  • the Three-phase electric motor comprises a stator having at least three phases U, V, W and a rotor.
  • the inverter 1 comprises two terminals 2 and 10 for connection to a DC bus (DC bus) associated with a source of DC electrical power and DC voltage. It comprises an alternating current generator 3 delivering a current to a terminal block 4 intended to be connected to the phases U, V and W of said electric motor 6.
  • the inverter 1 comprises a supply line 20 between the terminal 2 and the generator of 3.
  • the inverter 1 comprises a controller 5 and a control stage 9 receiving control commands from the controller 5 and controlling the power transistors of the current generator 3.
  • the rotor of the electric motor 6 is a synchronous motor and is associated with a resolver 60 giving the relative position between the rotor and the stator. .
  • the inverter 1 then comprises an input 51 receiving the signal delivered by said resolver.
  • this provision is not limiting; those skilled in the art know that there are algorithms which make it possible, from measurements of currents and phase voltages, to estimate the position of the rotor relative to the stator.
  • one of the essential characteristics of the present invention is to have a controller for controlling the phase currents of the electric motor according to the requested torque setpoint. and maintaining the current passing through the supply line to a value compatible with the limits of the source.
  • the inverter further comprises a supply voltage measurement line 220 on which a measurement of the voltage on the supply line 20, and the controller 5 receives the measurement of the voltage on the supply line 20. It is indeed advantageous to implement in the controller a regulation law which uses the supply voltage in its parameters. The controller 5 also receives the signals from the resolver 60.
  • the controller 5 determines a driving torque (Cpil) of the electric motor for driving the phase currents of the electric motor, so that said driving torque (Cpil) is identical to the requested torque setpoint (Ccons) as long as the current on the supply line 20 remains remote from the source limit current and, when the current on the supply line 20 reaches the limit current of the source, said driving torque (Cpil) is reduced compared to the requested torque setpoint (Ccons) so as not to exceed the limit current of the source on the supply line 20.
  • a driving torque (Cpil) of the electric motor for driving the phase currents of the electric motor, so that said driving torque (Cpil) is identical to the requested torque setpoint (Ccons) as long as the current on the supply line 20 remains remote from the source limit current and, when the current on the supply line 20 reaches the limit current of the source, said driving torque (Cpil) is reduced compared to the requested torque setpoint (Ccons) so as not to exceed the limit current of the source on the supply line 20.
  • the inverter integrates a current sensor 21 on the supply line, said current sensor 21 delivering its measurement on said power supply measurement line 210.
  • the inverter also integrates a voltage sensor 22 of the supply line, said voltage sensor 22 delivering its measurement on said supply voltage measurement line (220).
  • the inverter also incorporates a resistor 23 of FIG.
  • the inverter also incorporates an AC current sensor, specifically two AC current sensors 41, 42 installed on certain phases supplying said synchronous electric motor 6, namely on the phases U and W, the current on the phase V being the sum of the phase currents U and phase W. These alternating currents supply the synchronous electric motor 6.
  • the said alternating current sensors 41, 42 deliver their measurement to two (410, 420) of the said at least one current measurement line. .
  • the inverter 1 comprises a current sensor 21 on the supply line 20, and a voltage sensor 22.
  • the inverter 1 further comprises an input 52 receiving information flowing on the bus CAN ® 7.
  • these pieces of information there is the limit current set point Idc max of the source (positive sign set point) corresponding to a current drawn off at the source of electrical energy when the motor is operating in traction mode and the minimum current setpoint Idc min. of the source (negative sign setpoint) corresponding to a current returned to the source of electrical energy when the electric motor operates in regenerative braking mode.
  • the latter is the most intense charging current that the source can accept.
  • current instructions are themselves continuously calculated according to the state of the vehicle.
  • the current returned to the source can only be absorbed by said source, it is a charging current whose limit value depends on the state of charge of the source and its technology.
  • a lead-acid battery only allows low recharge currents, while a bank of super-capacitors has high charging currents that are identical to discharge currents.
  • Lithium Polymer batteries or Lithium Ion batteries accept fairly large charging currents, but less than the discharge currents.
  • the determination of "current limit of the source” depends on the technology of the accumulator used, the state of the charging the accumulator and vehicle conditions, all things outside the scope of the present invention. Said values constitute input data that the present invention makes use of in a clever way.
  • the inverter 1 comprises a controller 5 which receives the signals of the voltage sensor 22 on the supply line 2, the current sensor 21 on the supply line 2, the resolver 60, the current of each phase. synchronous electric motor thanks to the sensors 41 and 42, the limit currents Idc max and Idc min of the battery 8, the requested torque set point C CA as desired also flowing on the CAN ® bus 7.
  • the controller 5 comprises a bus current regulator acting on the torque setpoint Cpil, this regulator comprising a processing branch B1 receiving the maximum current setpoint Idc max, a processing branch B2 receiving the minimum current setpoint Idc min and a test module T to switch between one or the other line according to the sign of the current.
  • the current flowing on the supply line 20 is measured by the current sensor 21 (see FIG. 1) which communicates the measurement Idc of the current to the test module T which, in turn and according to the sign of the current, sends the measurement Idc on the branch B1 in the case of a positive value, that is to say of traction operation of the motor 6, or on the branch B2 in the case of a negative value, that is to say of operation in recuperative braking.
  • a measurement of the current of two of the three phases of the motor 6 is also performed by a sensor 41 on the U phase of the engine 6 and by a sensor 42 on the phase W of the engine 6. These current values are communicated to the controller which calculates the current on phase V.
  • the controller converts the requested torque setpoint C CAN into a control torque setpoint Cpil of the motor 6 as will be explained below and then converts this driving torque Cpil into a motor phase current value. a conventional manner and well known to those skilled in the art.
  • This branch corresponds to the operation in motor mode where the inverter consumes current on the source.
  • the torque setpoint Ccons is identical to the requested torque setpoint C CAN flowing on the CAN bus ®.
  • the driving torque set point Ccons is positive (Ccons> 0) in forward direction or it is negative (Ccons ⁇ 0) when the driver of the vehicle has selected the reverse gear.
  • the resolver 60 communicates to the controller 5 information that allows it to know the speed of the vehicle, with its sign, thus allowing to know the direction of movement of the vehicle. Therefore, by comparing the signs of the desired torque C CAN on the one hand and the vehicle speed on the other hand, the controller 5 can determine whether it operates in traction mode or braking mode.
  • An adder 91 receives on the one hand the limit current Idc max of the source and on the other hand the current measurement Idc and delivers the current difference with respect to the limit current value of the source. Said deviation is processed by a "Proportional Integral” regulator 92 and by a limiter 93 which limits the result after Proportional Integral regulator 92 to the value "minus the absolute value of the setpoint torque Ccons".
  • the result passes through a "torque sign" module 94 which holds the sign of the result or changes it, depending on whether the initial target torque desired by the driver of the vehicle is a torque tending to increase the movement of the vehicle forward (positive sign) or increase it backwards (reverse, negative sign) to obtain the result Ct.
  • the result Ct enters an adder 95 which also receives the torque setpoint value Ccons and delivers a control torque setpoint Cpil for controlling the torque of the electric motor 6.
  • the difference torque Ct is subtracted from the setpoint torque Ccons to give a reduced motor control torque Cpil to take account of the current overflow allowed by the source.
  • the output of the Proportional Integral regulator 92 is a zero value
  • the output of the clipper 93 is a zero value
  • the output of the "torque sign" module 94 is a zero value and the control torque Cpil remains identical to the torque setpoint Ccons. If the current Idc is positive while the torque setpoint is negative (the vehicle is in reverse and in engine operation), then the regulator increases (that is to say, tends to 0) the setpoint to reduce consumption on the source.
  • the B2 branch corresponds to the operation in regenerative braking mode where the inverter injects current on the source.
  • the setpoint of torque Ccons is positive (Ccons> 0) in reverse or it is negative (Ccons ⁇ 0) in forward direction.
  • the operating principle is identical. When moving forward, the torque setpoint Ccons is less than zero; the output of Proportional Integral regulator 92B is positive this time; the "torque sign" module 94B reverses the sign this time when the torque setpoint is negative.
  • the mechanism tends to reduce (in absolute value) the resulting torque setpoint said driving torque with respect to the (original) torque setpoint.
  • the power consumed on the source for a given motor current varies according to a large number of parameters. Even if it was possible to model the influence of each parameter (temperature, length and type of cable, aging) on the losses, this work is to be repeated at least on each motor and on each electronic. Moreover all these modelizations, are to implant in a central unit which must in real time calculate that the set of torque which it asks to the inverter does not generate losses, therefore a power, and finally a current consumed on the source that is unacceptable by this one. This is true when the inverter-motor system is power consuming, but it is also when this system is generator. In this second case, it must also be verified that the current injected towards the source is acceptable.
  • the present invention allows at any time, regardless of the level of losses in the controlled electric motor and in the inverter itself, without having to resort to a calibration, in a self-adaptive way to the drift of the components that can cause a variation of said losses, to always be able to take the maximum permissible current on the source, or to inject the maximum charging current that it allows without damaging the DC source. Therefore, it optimizes the overall power of the onduelur-motor system, that is to say for example the electric traction system installed on a vehicle, without having to adopt in sizing too large safety factors that would be detrimental to iso power, system weight, or iso safety factor, decreasing the risk of damage.
  • a central unit of the vehicle (not shown) sends two bus current setpoints via bus CAN ® 7 to the inverter: maximum bus current (Idc Max> 0) and minimum bus current (Idc Min ⁇ 0).
  • the inverter 1 respects the torque setpoint coming from a central unit of the vehicle as long as the bus current remains between the values Idc Min and Idc Max. When the bus current regulator operates so as not to exceed these limits, the torque setpoint is no longer respected.
  • the inverter 1 continuously sends (via the CAN ® bus 7) to the central unit of the vehicle the value of the torque actually generated.
  • FIG. 3 it can be seen that the controller comprises a "torque ramp" block 96 receiving as input the torque setpoint C CAN coming from the CAN ® communication network. (see figure 1), receiving a state INC signifying that the torque increase is authorized, receiving a DEC state signifying that the decrease in torque is allowed, and delivering the setpoint torque Ccons actually used in the process illustrated by means of FIG.
  • the outputs of the Proportional Integral regulator assembly 92 and the clipper 93 and the Proportional Integral 92B regulator set and 93B clipper are null values, which activate the INC state if C CAN> Ccons, or which activate the DEC state if C CAN ⁇ Ccons.
  • one of the outputs of the Proportional Integral regulator assembly 92 and the clipper 93 or the Proportional Integral 92B regulator assembly and the 93B limiter is a non-zero value, which deactivates either the INC state or the DEC state depending on whether the inverter is a consumer or a generator of energy and that it is forward or reverse.
  • the invention also makes it possible to carry out functional checks of the inverter-motor system. Consistent power consumption checks (or generated) can be carried out between the input of the inverter on the power supply line 20 and the output of the inverter 1 on the phases U, V, W of the motor 6.
  • the current sensor 21 makes it possible to calculate in real time the efficiency of the inverter 1.
  • the invention makes it possible to carry out coherence checks. For example, if the resolver 60 of the motor 6 is accidentally shifted, the current control of the motor will operate normally but the stator magnetic field will not be phased correctly with respect to the rotor. The actual torque generated will be lower than the target torque. Note that this consistency check is possible even if the torque is not measured.
  • the mechanical power output of the engine 6 is the product of the mechanical torque by the speed of rotation.
  • the electrical power consumed at the input of the inverter must correspond to the mechanical power plus the losses.
  • this electrical power is known and makes it possible to estimate a mechanical power (by subtracting a plausible value of losses), which makes it possible to estimate the mechanical torque at the motor output shaft.
  • a deviation beyond an experimental threshold makes it possible to activate an alert, and it is possible to propose as a troubleshooting aid the possible causes that are a fault of the resolver 60 or of a phase current sensor or that of the DC bus, the DC bus voltage measurement, ....
  • a braking power management device 14 connected on the one hand to an inverter 1B supplying an electric traction machine 6B of a vehicle and on the other hand to a battery 8B electrical energy storage.
  • the battery 8B includes a battery management system 31.
  • the braking power management device 14 comprises a continuous bus 20B which shows the positive line + and the negative line.
  • the braking power management device 14 comprises a dissipation branch 1D connected to the positive line + to and the negative line.
  • This 1D dissipation branch includes an electronic switch of dissipation 1D1, constituted for example by a transistor, connected in series with a dissipation resistor 1D2.
  • the device for managing the electrical power during braking 14 comprises a current sensor 15 on the continuous bus 20B.
  • the controller 1B is quite comparable to the controller 1 of the previous example. Its description is not repeated and the drawing of FIG. 5 is simplified.
  • the current sensor 15 shown in FIG. 4 could be the one integrated in the inverter 1B, and conversely the inverter could use the information coming from an external sensor such as the current sensor 15.
  • the object of the The example described with the support of FIG. 4 is to describe an application of the invention to a "source" comprising elements of two different technologies: a battery 8B and a dissipation resistor 1D2.
  • a controller 18 provides control of the electric power management device braking 14. It is seen that it receives from the battery management system 31, via a CAN bus 180, various information useful for managing the power. braking power, including a setpoint of "battery recharge limit current" Ic recharge max, a measurement of the current on the DC bus 20B delivered by the current sensor 15, via a line 150.
  • the controller 18 comprises a comparator evaluating the difference between the charging current of the battery and the current on the DC bus, the controller comprising a unit ensuring the control of the electronic dissipation switch according to a cycle maintaining the charging current of the battery equal to the current limit of recharging the battery when the current on the DC bus is not lower than the charging limit current of the battery.
  • the control of the dissipation power is done by a duty cycle.
  • suitable opening and closing of the electronic dissipation switch 1D1; the time during which the electronic dissipation switch 1D1 is open varies as a function of the difference between the maximum current charge current of the battery and the measurement of the current by the current sensor 15.
  • the controller integrated in the inverter makes it possible to drive the phase currents of the electric motor according to the requested torque setpoint and to maintain the current passing through the supply line 20B at a value compatible with the limits of the source, the latter being considered globally, namely formed the battery 8B and the dissipation resistor 1D2.
  • the present invention makes it possible to control the current drawn (or injected) by the inverter on the source of electrical energy by means of a regulator acting on an influential quantity of the power consumed. This is to act on the engine torque to reduce the power taken (or injected) input to the inverter and consequently reduce the current consumed.
  • the inverter integrates a motor control loop responsible for controlling an internal torque setpoint.
  • the present invention makes it possible to adapt the effective setpoint of engine torque in order to respect a maximum current admissible by the source of electrical energy.
  • the invention has been described with reference to a synchronous motor, to a resolver, it can also be applied to controlling an asynchronous motor; it can also be applied to controlling a synchronous motor without resorting to a relative position sensor of the rotor relative to the stator (resolver); it can also be applied with or without measurement of the supply voltage, while applying the essential elements of the invention, mentioned above.
  • the inverter allows an excellent control, very fine, very reactive , current on the power supply line.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
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Abstract

Installation comprenant une source d'énergie électrique comportant au moins deux éléments de technologies différentes et un onduleur de pilotage d'un moteur électrique à courant alternatif, ledit onduleur de pilotage comportant un générateur de courant alternatif (3) délivrant un courant à un bornier (4) destiné à être connecté aux phases d'un moteur électrique (6), une ligne d'alimentation (20), un capteur de courant alternatif (41, 42) sur certaines phases alimentant ledit moteur électrique, un capteur de courant (21) sur la ligne d'alimentation, une entrée (52) recevant des informations comprenant au moins une valeur de « courant limite de la source », et une consigne couple demandé, et un contrôleur (5) pilotant les courants de phase du moteur électrique en fonction de la consigne couple et en maintenant le courant de la ligne d'alimentation à une valeur acceptable en fonction du courant limite de la source. En conséquence, on peut toujours imposer à la source de courant un courant maximal sans risque de la dégrader.

Description

INSTALLATION COMPRENANT UNE SOURCE D'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE COMPORTANT AU MOINS DEUX ÉLÉMENTS DE TECHNOLOGIES DIFFÉRENTES ET UN ONDULEUR DE PILOTAGE D'UN MOTEUR ÉLECTRIQUE À COURANT
ALTERNATIF.
DOMAINE DE L 'INVENTION
[001] La présente invention se rapporte au pilotage de moteurs électriques. Plus particulièrement, elle se rapporte au pilotage des moteurs électriques utilisés notamment pour la traction de véhicules.
ETAT DE LA TECHNIQUE
[002] On sait qu'un tel moteur comporte, au stator, un circuit magnétique et des bobinages de fil conducteur de l'électricité capables d'engendrer un flux magnétique statorique. Dans le cas d'un moteur synchrone, au rotor, le moteur comporte des aimants permanents et un circuit magnétique engendrant un flux magnétique rotorique. Dans le cas d'un moteur asynchrone, le moteur comporte un rotor à cage d'écureuil. Dans le cas d'un moteur réluctant, le moteur comporte un rotor réluctant. Dans beaucoup d'applications pour véhicules électriques, on utilise des moteurs synchrones. Un tel moteur est équipé d'un « resolver » donnant la position du rotor par rapport au stator. Un tel moteur est toujours associé à un onduleur pour en assurer le pilotage.
[003] L'homme du métier sait qu'en pratique, les moteurs électriques sont des machines réversibles, c'est-à-dire qu'ils fonctionnent aussi en alternateur. C'est pourquoi il est aussi usuel de parler de machines électriques. Lorsque l'on parle ci-dessous de moteur, c'est par commodité de langage, étant entendu que dans le contexte de la présente invention, on couvre en général une machine électrique, qu'elle fonctionne en moteur ou en alternateur.
[004] Dans de très nombreuses applications, notamment aux véhicules automobiles, la source d'énergie électrique est une source à courant continu comme une batterie ou une pile à combustible. Dans ce cas, l'onduleur de pilotage du moteur comporte un onduleur transformant le signal continu en un signal alternatif d'amplitude et de fréquence adaptées aux consignes de fonctionnement du moteur. Le rôle de l'onduleur triphasé associé à un moteur est de générer un couple mécanique souhaité en sortie d'arbre moteur à partir d'une alimentation de puissance continue.
[005] A titre d'illustration de l'état de la technique, on peut citer la demande de brevet US 2003/0088343 qui décrit une chaîne de traction électrique pour véhicule automobile hybride équipé d'un moteur à combustion interne et d'un moteur électrique qui intervient en assistance pour la motorisation du véhicule. Le moteur électrique est lui-même alimenté par une batterie. Quant au pilotage du moteur, ce document décrit un principe basé sur une limitation du couple en fonction de la puissance limite de la batterie. Il est fait référence à une puissance maximale de décharge. Est également décrite l'utilisation d'un capteur de courant de la batterie utilisé pour maîtriser la puissance de décharge, ainsi qu'un capteur de température de la batterie permettant de déterminer une puissance limite de la batterie en fonction d'une cartographie pré-établie de la puissance en fonction de la température, cette disposition ne permet pas des régulations très dynamiques.
[006] Dans le domaine des véhicules à traction purement électrique, on peut citer le brevet US 5,600,125 qui décrit un contrôleur pour véhicule électrique à batterie. Ce brevet opère une régulation du couple du moteur électrique en fonction de la tension de la batterie. Mais ce principe ne permet pas une bonne maîtrise du courant dans le cas de certains types de batterie, comme des batteries Li-Ion, par exemple, dont l'usage a tendance à se répandre. La tension des batteries Li-ion dépend en effet de nombreux facteurs (température, état de charge, vieillissement) et il est très problématique de réguler correctement un courant de décharge de cette façon. En outre, dans la description de ce document, la tension limite de la batterie est une valeur fixe prédéfinie, non actualisée en fonction de l'évolution de l'état de charge, de la température,... , d'où une régulation assez grossière.
[007] Dans la plupart des applications requérant des puissances importantes, on utilise des machines triphasées. Le principe de fonctionnement est le suivant : l'interaction entre le champ magnétique statorique du moteur, créé par le courant dans le bobinage, et le champ magnétique rotorique, produit un couple mécanique. A partir de la tension continue de l'alimentation, l'onduleur, grâce à trois branches de transistors de puissance, réalise un système de courants triphasés d'amplitude appropriée, de fréquence appropriée et de phase appropriée par rapport au champ rotorique, pour alimenter les trois phases du moteur. Afin de contrôler l'amplitude des courants, l'onduleur dispose de capteurs de courant permettant de connaître les courants de chaque phase du moteur. Pour contrôler la fréquence et la phase des courants, l'onduleur reçoit les signaux d'un resolver qui mesure la position du rotor par rapport au stator.
[008] Le contrôleur général est équipé d'une modélisation du moteur qui permet de connaître exactement les courants de phases à réaliser pour obtenir le couple moteur souhaité. L'onduleur, à partir de la modélisation du moteur, détermine les consignes des courants de phase du moteur et les réalisent grâce à ses régulateurs. L'onduleur n'asservit donc pas le couple, mais le courant du moteur. En fonction des différentes conditions de fonctionnement (température du moteur, température de l'onduleur, longueur des câbles) et de la dispersion de fabrication des onduleurs et des moteurs, pour un courant moteur donné, les pertes du moteur, de l'onduleur et des câbles peuvent varier. En conséquence, la puissance, donc le courant absorbé sur la source peuvent être différents d'un cas à l'autre.
[009] En conséquence, il est nécessaire de modéliser les pertes d'un système onduleur- moteur choisi comme étalon, la modélisation étant effectuée à une température donnée. La température est en général choisie plutôt haute de façon à surestimer les pertes du moteur, celles-ci étant parmi toutes les pertes celles qui sont les plus dépendantes de la température. De cette façon, pour une consigne couple donnée, on surestime le courant à prélever sur la source de courant pour garantir que le courant ne dépasse pas le courant acceptable par la source.
[0010] Un autre exemple de régulation basée sur une modélisation peut être consulté dans la demande de brevet EP 1410942. Celle-ci décrit aussi un contrôleur pour véhicule électrique à batterie. En particulier, elle décrit une limitation de la consommation du courant de la source par l'intermédiaire du pilotage moteur, ladite limitation étant basée sur une modélisation du moteur, c'est-à-dire l'établissement d'une cartographie du moteur en fonction de différents paramètres. [0011] Cette approche n'est pas optimale parce qu'il est difficile d'effectuer une modélisation suffisamment représentative de tous éléments dans tous les cas d'usage. En pratique, on réalise des modélisations sur banc en laboratoire et non pas sur véhicule ou, même si l'on poursuit par des modélisation sur véhicule, on ne balaye pas tous les cas d'usage de celui-ci, sans parler de la prise en compte du vieillissement des composants dans la modélisation.
[0012] Cette approche (modélisation) conduit donc à ne pas utiliser la pleine puissance de la source dans les cas ou les pertes réelles sont plus basses que celles estimées (basse température par exemple) et elle ne tient pas compte du vieillissement et donc de la perte de rendement de l'onduleur ou du moteur. Ainsi, les performances maximales ne sont pas garanties dans toutes les conditions.
[0013] L'objectif de l'invention est de s'affranchir de la nécessité de modéliser les pertes et de proposer les moyens d'un meilleur pilotage du moteur.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
[0014] L'invention propose une installation comprenant une source d'énergie électrique comportant au moins deux éléments de technologies différentes et un onduleur de pilotage d'un moteur électrique, le moteur comportant un stator ayant au moins deux phases et un rotor, ledit onduleur comportant :
• deux bornes de branchement à un bus continu associé à une source d'énergie électrique à courant continu et à tension électrique continue,
· un générateur de courant alternatif délivrant un courant à un bornier destiné à être connecté aux phases dudit moteur électrique,
• une ligne d'alimentation entre les bornes de branchement et le générateur,
• une ligne de mesure de courant d'alimentation sur laquelle circule une mesure du courant sur la ligne d'alimentation, • au moins une ligne de mesure de courant moteur sur laquelle circule une mesure du courant alternatif sur certaines phases alimentant ledit moteur électrique de façon à connaître le courant alternatif circulant dans chacune des phases,
• une entrée recevant des informations comprenant au moins une valeur de « courant limite de la source » pour le courant circulant sur la ligne d'alimentation, ledit courant limite de la source considérant globalement lesdits au moins deux éléments de technologies différentes, et comprenant une consigne de couple demandé (Ccons),
• un contrôleur recevant les mesures de courant sur la ligne d'alimentation, les mesures du courant de phases du moteur électrique, les courants limites de la source (Idc max et Idc min), la consigne couple demandé (C CAN), le contrôleur permettant de piloter les courants de phase du moteur électrique en fonction de la consigne couple demandé et en maintenant le courant passant par la ligne d'alimentation à une valeur compatible avec les limites de la source.
[0015] Dans une mise en œuvre particulièrement intéressante lorsque l'invention est appliquée au pilotage des moteurs de traction d'un véhicule, le « courant limite de la source » comprend une consigne de courant maximal (de signe positif) correspondant à un courant soutiré à la source d'énergie électrique lorsque le moteur fonctionne en mode traction et une consigne de courant minimal (de signe négatif) correspondant à un courant renvoyé sur le bus à courant continu, en général pour recharger la source d'énergie électrique, lorsque le moteur électrique fonctionne en mode freinage récupératif.
[0016] Dans le présent mémoire, on entend par « source » l'ensemble des moyens électriques permettant soit de délivrer, en mode traction, soit d'absorber, en mode freinage électrique, une puissance donnée. Les types de sources qui peuvent être présent sur le bus continu sont au nombre de trois :
• les sources bidirectionnelles, c'est-à-dire les sources dans lesquelles le courant
électrique peut circuler dans les deux sens, donc capables de délivrer un courant électrique sur le bus continu ou d'absorber un courant électrique en provenance du bus continu : batteries, super-condensateurs, ou même machine électrique couplée à une roue inertielle,...
• les sources unidirectionnelles, et parmi celles-ci : o les sources d'alimentation électrique pure, capables seulement de délivrer un courant électrique sur le bus continu : piles à combustible, alternateur entraîné par un moteur thermique (en négligeant le frein moteur d'un moteur thermique), ...
o les dissipateurs purs capables seulement d'absorber un courant électrique en provenance du bus continu : résistances de dissipation, ...
[0017] L'invention se rapportant à une installation comprenant une source d'énergie électrique comportant au moins deux éléments de technologies différentes, elle peut s'appliquer à une source bidirectionnelle couplée à un dissipateur pur, ou à une source d'alimentation électrique pure (pile à combustible) couplée à un dissipateur pur, ou une source bidirectionnelle couplée à une source d'alimentation électrique pure (pile à
combustible) ou encore les trois catégories combinées, ou encore plusieurs éléments d'une même catégorie mais de technologies différentes.
[0018] Pour des raisons d'optimisations diverses qui ne font pas partie de l'exposé de la présente invention, on peut être amené à installer à bord d'un véhicule des sources de différentes technologies. Par exemple, la source peut comporter l'association de plusieurs éléments électriques capable de stocker de l'énergie électrique (batterie et supercondensateurs par exemple). La source peut aussi comporter un accumulateur électrique et une résistance de dissipation. Bien entendu il convient de gérer l'envoi de courant de recharge vers la batterie et/ou vers la résistance de dissipation. Dans tous les cas, la gestion de la circulation ou de l'aiguillage d'énergie vers ou depuis des éléments de technologies différentes ne fait pas partie de la présente invention.
[0019] La présente invention ne s'intéressant pas à l'aspect de la gestion de deux éléments ou plus utilisés pour délivrer une puissance électrique et/ou utilisés pour absorber une puissance électrique, on conviendra que, pour les besoins de la présente invention, le « courant limite de la source » doit être considéré globalement, pour l'ensemble de différents éléments de la source utilisés en parallèles, comme un accumulateur électrique et une résistance de dissipation. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
[0020] La suite de la description permet de bien faire comprendre tous les aspects de l'invention au moyen des dessins joints dans lesquels :
- la figure 1 illustre un onduleur selon l'invention ;
la figure 2 est un schéma bloc représentant un traitement spécifique de l'onduleur de l'invention ;
la figure 3 est un schéma bloc d'un dispositif additionnel de l'onduleur de l'invention la figure 4 illustre une mise en œuvre particulière de l'invention à une source bidirectionnelle (batterie) couplée à un dissipateur pur.
DESCRIPTION DE MEILLEURS MODES DE REALISA TION DE L 'INVENTION
[0021] A la figure 1, on voit un onduleur 1, un moteur électrique triphasée 6, une batterie 8 constituant la source d'énergie électrique continue et un bus CAN ® 7 sur lequel circulent des informations utilisées par l'onduleur 1. Le moteur électrique triphasée comporte un stator ayant au moins trois phases U, V, W et un rotor.
[0022] L'onduleur 1 comporte deux bornes 2 et 10 de branchement à un bus à courant continu (bus DC) associé à une source d'énergie électrique à courant continu et à tension électrique continue. Il comporte un générateur de courant alternatif 3 délivrant un courant à un bornier 4 destiné à être connecté aux phases U, V et W dudit moteur électrique 6. L'onduleur 1 comporte une ligne d'alimentation 20 entre la borne 2 et le générateur de courants 3. L'onduleur 1 comporte un contrôleur 5 et un étage de pilotage 9 recevant des ordres de pilotage du contrôleur 5 et assurant le pilotage des transistors de puissance du générateur de courants 3. [0023] Dans une mise en œuvre préférée de l'invention, afin de permettre un pilotage ayant d'excellentes performances, le rotor du moteur électrique 6 est un moteur synchrone et est associé à un resolver 60 donnant la position relative entre rotor et stator. L'onduleur 1 comporte alors une entrée 51 recevant le signal délivré par ledit resolver. Cependant, cette disposition n'est pas limitative ; l'homme du métier sait qu'il existe des algorithmes qui permettent, à partir des mesures de courants et de tensions de phase, d'estimer la position du rotor par rapport au stator.
[0024] On a vu dans la partie introductive de la présente demande de brevet qu'une des caractéristiques essentielles de la présente invention est de disposer d'un contrôleur permettant de piloter les courants de phase du moteur électrique en fonction de la consigne couple demandé et en maintenant le courant passant par la ligne d'alimentation à une valeur compatible avec les limites de la source. A cette fin, dans la mise en œuvre non limitative décrite dans le présent mémoire, l'onduleur comporte encore une ligne de mesure de tension d'alimentation 220 sur laquelle circule une mesure de la tension sur la ligne d'alimentation 20, et le contrôleur 5 reçoit en outre la mesure de la tension sur la ligne d'alimentation 20. Il s'avère en effet avantageux de mettre en œuvre, dans le contrôleur, une loi de régulation qui utilise la tension d'alimentation dans ses paramètres. Le contrôleur 5 reçoit aussi les signaux du resolver 60. A partir de ces informations, le contrôleur 5 détermine un couple de pilotage (Cpil) du moteur électrique pour piloter les courants de phase du moteur électrique, de façon à ce que ledit couple de pilotage (Cpil) soit identique à la consigne de couple demandé (Ccons) tant que le courant sur la ligne d'alimentation 20 reste éloigné du courant limite de la source et, lorsque le courant sur la ligne d'alimentation 20 atteint le courant limite de la source, ledit couple de pilotage (Cpil) est réduit par rapport à la consigne de couple demandé (Ccons) de façon à ne pas dépasser le courant limite de la source sur la ligne d'alimentation 20.
[0025] Très avantageusement, plusieurs capteurs sont directement intégrés à l'onduleur selon l'invention. Mais, il doit être entendu que ce qui est essentiel à l'invention, ce n'est pas l'intégration des capteurs en soi, mais le fait que les signaux qu'ils délivrent soient utilisés directement comme paramètres de la régulation effectuée par l'onduleur. Ceci étant précisé, l'onduleur intègre un capteur de courant 21 sur la ligne d'alimentation, ledit capteur de courant 21 délivrant sa mesure sur ladite ligne de mesure de courant d'alimentation 210. L'onduleur intègre aussi un capteur de tension 22 de la ligne d'alimentation, ledit capteur de tension 22 délivrant sa mesure sur ladite ligne de mesure de tension d'alimentation (220). L'onduleur intègre encore une résistance 23 de la figure 1 câblée entre le pôle positif +DCBus et le pôle négatif -DCBus de la ligne d'alimentation 20 ; cette résistance, de valeur très élevée pour n'absorber qu'une puissance négligeable, sert à la décharge des condensateurs de l'onduleur lors de l'extinction du véhicule, pour des raisons de sécurité. L'onduleur intègre encore un capteur de courant alternatif, plus précisément deux capteurs de courant de courant alternatif 41, 42 installés sur certaines phases alimentant ledit moteur électrique synchrone 6, à savoir sur les phases U et W, le courant sur la phase V étant la somme des courants de phase U et de phase W. Ces courants alternatifs alimentent le moteur électrique synchrone 6. Lesdits capteurs de courant alternatif 41, 42 délivrent leur mesure sur deux (410, 420) desdites au moins une ligne de mesure de courant moteur.
[0026] L'onduleur 1 comporte un capteur de courant 21 sur la ligne d'alimentation 20, ainsi qu'un capteur de tension 22. L'onduleur 1 comporte encore une entrée 52 recevant des informations circulant sur le bus CAN ® 7. Parmi ces informations, il y a la consigne de courant limite Idc max de la source (consigne de signe positif) correspondant à un courant soutiré à la source d'énergie électrique lorsque le moteur fonctionne en mode traction et la consigne de courant minimal Idc min de la source (consigne de signe négatif) correspondant à un courant renvoyé à la source d'énergie électrique lorsque le moteur électrique fonctionne en mode freinage récupératif. Cette dernière est le courant de recharge le plus intense que la source puisse accepter.
[0027] Soulignons que les consignes de courant sont elles mêmes calculées en permanence en fonction de l'état du véhicule. Lorsque le courant renvoyé vers la source ne peut qu'être absorbé par ladite source, c'est un courant de recharge dont la valeur limite dépend de l'état de charge de la source et de sa technologie. Par exemple, une batterie au plomb n'admet que des courants de recharge faibles alors qu'un banc de super-condensateurs admet des courants de recharge élevés et identiques aux courants de décharges. Des Batteries Lithium polymère ou des batteries Lithium Ion acceptent des courants de charge assez importants mais toutefois moindres que les courants de décharge. En résumé, la détermination de valeurs de « courant limite de la source » dépend de la technologie d'accumulateur électrique utilisé, de l'état de charge de l'accumulateur et des conditions de véhicules, toutes choses en dehors du cadre de la présente invention. Lesdites valeurs constituent des données d'entrées que la présente invention permet d'exploiter de manière astucieuse.
[0028] L'onduleur 1 comporte un contrôleur 5 qui reçoit les signaux du capteur de tension 22 sur la ligne d'alimentation 2, du capteur de courant 21 sur la ligne d'alimentation 2, du resolver 60, du courant de chaque phase du moteur électrique synchrone grâce aux capteurs 41 et 42, les courants limites Idc max et Idc min de la batterie 8, la consigne couple demandé C CA tel que souhaité circulant aussi sur le bus CAN ® 7.
[0029] On voit à la figure 2 que le contrôleur 5 comporte un régulateur de courant de bus agissant sur la consigne de couple Cpil, ce régulateur comportant une branche Bl de traitement recevant la consigne de courant maximal Idc max, une branche B2 de traitement recevant la consigne de courant minimal Idc min et un module de test T permettant de basculer entre l'une ou l'autre ligne selon le signe du courant.
[0030] Le courant transitant sur la ligne d'alimentation 20 est mesuré par le capteur de courant 21 (voir figure 1) qui communique la mesure Idc du courant au module de test T qui, à son tour et selon le signe du courant, envoie la mesure Idc sur la branche Bl en cas de valeur positive, c'est-à-dire de fonctionnement en traction du moteur 6, ou sur la branche B2 en cas de valeur négative, c'est-à-dire de fonctionnement en freinage récupératif.
[0031] Une mesure du courant de deux des trois phases du moteur 6 est également effectuée par un capteur 41 sur la phase U du moteur 6 et par un capteur 42 sur la phase W du moteur 6. Ces valeurs de courant sont communiquées au contrôleur qui calcule le courant sur la phase V.
[0032] Par ailleurs, le contrôleur transforme la consigne de couple demandé C CAN en consigne de couple de pilotage Cpil du moteur 6 comme on va l'expliquer ci-dessous puis transforme ce couple de pilotage Cpil en valeur de courant de phase moteur d'une façon classique et bien connue de l'homme du métier. [0033] Revenons à la figure 2 et considérons d'abord la branche Bl . Cette branche correspond au fonctionnement en mode moteur où l'onduleur consomme du courant sur la source. Considérons que la consigne de couple Ccons est identique à la consigne de couple demandé C CAN circulant sur le bus CAN ®. La consigne de couple de pilotage Ccons est positive (Ccons > 0) en marche avant ou elle est négative (Ccons < 0) lorsque le conducteur du véhicule a sélectionné la marche arrière. Au passage, signalons que le resolver 60 communique au contrôleur 5 une information qui permet à celui-ci de connaître la vitesse du véhicule, avec son signe, permettant donc de connaître le sens de déplacement du véhicule. Dès lors, par comparaison des signes du couple souhaité C CAN d'une part et de la vitesse de véhicule d'autre part, le contrôleur 5 peut déterminer s'il fonctionne en mode traction ou en mode freinage.
[0034] Un sommateur 91 reçoit d'une part la consigne de courant limite Idc max de la source et d'autre part la mesure de courant Idc et délivre l'écart de courant par rapport à la valeur de courant limite de la source. Ledit écart est traité par un régulateur « Proportionnel Intégral » 92 et par un écrêteur 93 qui limite le résultat après régulateur Proportionnel Intégral 92 à la valeur « moins la valeur absolue du couple de consigne Ccons ». Le résultat, éventuellement plafonné par l'écrêteur 93, passe ensuite par un module « signe du couple » 94 qui maintient le signe du résultat ou le change, selon que la consigne initiale de couple voulue par le conducteur du véhicule est un couple tendant à augmenter le mouvement de déplacement du véhicule vers l'avant (signe positif) ou à l'augmenter vers l'arrière (marche arrière, signe négatif) pour obtenir le résultat Ct. Le résultat Ct entre dans un sommateur 95 qui reçoit par ailleurs la valeur de consigne de couple Ccons et délivre une consigne couple de pilotage Cpil pour piloter le couple du moteur électrique 6.
[0035] Ainsi, si l'on est en mode traction (couple de consigne positif, supposé proche du couple maximal pour le raisonnement, branche Bl), si le courant Idc max vaut 100A, si le courant mesuré vaut 105 A, au-delà de la limite, le sommateur 91 délivre une valeur -5 A négative, dont l'amplitude est proportionnelle au dépassement, transformée en couple d'écart de valeur proportionnelle au dépassement et de signe « moins » par le régulateur Proportionnel Intégral 92. Ensuite, il y a inversion du signe du couple d'écart par le module « signe du couple » 94 car on est en mode traction. Après le sommateur 95, le couple d'écart Ct est retranché du couple de consigne Ccons pour donner un couple de pilotage moteur Cpil réduit pour tenir compte du dépassement de courant admissible par la source. Dans tous les cas où la sortie du régulateur Proportionnel Intégral 92 est une valeur nulle, la sortie de l'écrêteur 93 est une valeur nulle, la sortie du module « signe du couple » 94 est une valeur nulle et le couple de pilotage Cpil reste identique à la consigne de couple Ccons. Si le courant Idc est positif alors que la consigne de couple est négative (le véhicule est en marche arrière et en fonctionnement moteur), alors le régulateur augmente (c'est-à-dire fait tendre vers 0) la consigne pour diminuer la consommation sur la source.
[0036] La branche B2 correspond au fonctionnement en mode freinage récupératif où l'onduleur injecte du courant sur la source. La consigne de couple Ccons est positive (Ccons > 0) en marche arrière ou elle est négative (Ccons < 0) en marche avant. Le principe de fonctionnement est identique. En marche avant, la consigne de couple Ccons est inférieure à zéro ; la sortie du régulateur Proportionnel Intégral 92B est cette fois positive ; le module « signe du couple » 94B inverse le signe cette fois quand la consigne de couple est négative.
[0037] Dans tous les cas de figure, le mécanisme tend à réduire (en valeur absolue) la consigne de couple résultante dite couple de pilotage par rapport à la consigne de couple (originelle).
[0038] La puissance consommée sur la source pour un courant moteur donné varie en fonction d'un grand nombre de paramètres. Même s'il était possible de modéliser l'influence de chaque paramètre (température, longueur et type de câble, vieillissement) sur les pertes, ce travail est à répéter au moins sur chaque moteur et sur chaque électronique. De plus toutes ces modélisations, sont à implanter dans une unité centrale qui doit en temps réel calculer que la consigne de couple qu'elle demande à l'onduleur n'engendre pas des pertes, donc une puissance, et finalement un courant consommé sur la source qui est inacceptable par celle-ci. Ceci est vrai lorsque le système onduleur-moteur est consommateur de courant, mais il l'est aussi lorsque ce système est générateur. Dans ce deuxième cas, il faut également vérifier que le courant injecté vers la source est acceptable. Contrairement à l'approche décrite ci-dessus, la présente invention permet à tout moment, indépendamment du niveau de pertes dans le moteur électrique piloté et dans l'onduleur lui-même, sans devoir recourir à un étalonnage, d'une façon auto adaptative à la dérive des composants pouvant provoquer une variation desdites pertes, de toujours être en mesure de prélever le courant maximal admissible sur la source, ou de lui injecter le courant de recharge maximal qu'elle permet sans endommager ladite source de courant continu. Dès lors, on optimise la puissance globale du système onduelur-moteur, c'est-à-dire par exemple du système de traction électrique installé sur un véhicule, sans devoir adopter dans le dimensionnement de trop grands coefficients de sécurités qui seraient préjudiciables, à iso puissance, au poids du système, ou à iso coefficient de sécurité, en diminuant le risque d'endommagement.
[0039] Le fait d'avoir ajouté une mesure du courant de bus permet maintenant de réaliser au sein de l'onduleur la maîtrise de ce courant. En effet, un régulateur interne modifie en temps réel le pilotage du moteur afin de respecter un courant maximum (consommé sur la source) ou minimum (injecté sur la source) de la source.
[0040] La gestion du système en est grandement simplifiée. Il n'y a plus besoin de connaître les caractéristiques des éléments moteur, onduleur, câble. Une unité centrale du véhicule (non représentée) envoie par le bus CAN ® 7 au onduleur deux consignes de courant de bus : courant de bus maximum (Idc Max > 0) et courant de bus minimum (Idc Min < 0). L'onduleur 1 respecte la consigne de couple venant d'une unité centrale du véhicule tant que le courant de bus reste entre les valeurs Idc Min et Idc Max. Lorsque le régulateur du courant de bus fonctionne pour ne pas dépasser ces limites, la consigne couple n'est plus respectée. De manière avantageuse pour la gestion globale du véhicule, l'onduleur 1 envoie en permanence (par le bus CAN ® 7) à l'unité centrale du véhicule la valeur du couple réellement généré.
[0041] Dans une mise en œuvre de l'invention particulièrement avantageuse pour assurer un fonctionnement agréable d'un véhicule automobile à traction électrique, on ajoute au contrôleur 5 un traitement de la consigne de couple demandé C CAN pour obtenir une consigne de couple de pilotage Ccons retraitée, ce traitement étant illustré à la figure 3. A la figue 3, on voit que le contrôleur comporte un bloc « rampe de couple » 96 recevant en entrée la consigne de couple C CAN venant par le réseau de communication CAN ® 7 (voir figure 1), recevant un état INC signifiant que l'augmentation du couple est autorisée, recevant un état DEC signifiant que la diminution du couple est autorisée, et délivrant le couple de consigne Ccons effectivement utilisé dans le traitement illustré au moyen de la figure 2.
[0042] En fonctionnement normal du véhicule, c'est-à-dire lorsque le courant de Idc n'a pas atteint l'une des limites, les sorties de l'ensemble régulateur Proportionnel Intégral 92 et l'écrêteur 93 et l'ensemble régulateur Proportionnel Intégral 92B et l'écrêteur 93B sont des valeurs nulles, qui activent l'état INC si C CAN > Ccons, ou qui activent l'état DEC si C CAN < Ccons. Dans ce cas, tant que la consigne de couple demandé C CAN est supérieure à la consigne de couple de pilotage Ccons (C CAN > Ccons), on incrémente Ccons de AC/ΔΤ selon une rampe choisie et de la même manière, tant que la consigne de couple demandé C CAN est inférieur à la consigne de couple de pilotage Ccons (C CAN < Ccons), on décrémente Ccons de AC/ΔΤ selon une rampe choisie ; Cela permet d'obtenir un fonctionnement très progressif du véhicule alors que la variation de la consigne de couple demandé C CAN peut être brutale, et surtout elle est transmise en paliers successifs parce que son rafraîchissement intervient par exemple toutes les 20 milli-secondes.
[0043] En fonctionnement bridé du véhicule, c'est-à-dire lorsque le courant de Idc a atteint l'une des limites, l'une des sorties de l'ensemble régulateur Proportionnel Intégral 92 et l'écrêteur 93 ou de l'ensemble régulateur Proportionnel Intégral 92B et l'écrêteur 93B est une valeur différente de zéro, ce qui désactive soit l'état INC soit l'état DEC selon que l'onduleur soit consommateur ou générateur d'énergie et que l'on roule en marche avant ou en marche arrière. En résumé, il y a quatre cas :
i) marche avant et consommateur d'énergie, on interdit INC ;
ii) marche avant et générateur d'énergie, on interdit DEC ;
iii) marche arrière et consommateur d'énergie, on interdit DEC ;
iv) marche arrière et générateur d'énergie, on interdit INC.
Autrement dit, on interdit à la consigne de couple de pilotage Ccons de continuer à augmenter, quelle que soit l'augmentation de la consigne de couple demandé C CAN afin de ne pas tendre à augmenter la consommation de courant Idc et de ce fait « charger » encore davantage l'ensemble régulateur Proportionnel Intégral 92 et l'écrêteur 93 qui, de toute manière, ne pourra pas autoriser une consigne de couple Ccons supérieur à celle atteinte lorsque que ledit ensemble régulateur Proportionnel Intégral 92 et l'écrêteur 93 est entré en fonctionnement. En revanche, on autorise la consigne de couple de pilotage Ccons à diminuer.
[0044] En conclusion, indiquons que l'invention permet également d'effectuer des contrôles de bon fonctionnement du système onduleur-moteur. En effet, des contrôles de cohérence de puissance consommée (ou générée) peuvent être effectués entre l'entrée de l'onduleur sur ligne d'alimentation 20 et la sortie de l'onduleur 1 sur les phases U, V, W du moteur 6. De plus, le capteur de courant 21 permet de calculer en temps réel le rendement de l'onduleur 1. En outre, l'invention permet de faire des contrôles de cohérence. Par exemple, si le resolver 60 du moteur 6 se décale accidentellement, l'asservissement en courant du moteur va fonctionner normalement mais le champ magnétique statorique ne sera pas phasé correctement par rapport au rotor. Le couple réellement engendré sera plus faible que le couple de consigne. Soulignons le ce contrôle de cohérence est possible même si le couple n'est pas mesuré. La puissance mécanique en sortie du moteur 6 vaut le produit du couple mécanique par la vitesse de rotation. La puissance électrique consommée en entrée de l'onduleur doit correspondre à la puissance mécanique additionnée des pertes. Grâce à la mesure de la tension et du courant de ligne d'alimentation 20, cette puissance électrique est connue et permet d'estimer une puissance mécanique (en retranchant une valeur plausible de pertes), ce qui permet d'estimer le couple mécanique à l'arbre de sortie du moteur. On peut alors comparer ce couple mécanique à la consigne de couple. Un écart au delà d'un seuil expérimental permet d'activer une alerte, et on peut proposer comme aide au dépannage les causes possibles que sont un défaut du resolver 60 ou d'un capteur de courant de phase ou celui du bus DC, la mesure de tension du bus DC, ....
[0045] A la figure 4, on voit un dispositif de gestion de la puissance électrique en freinage 14 connecté d'une part à un onduleur 1B alimentant une machine électrique 6B de traction d'un véhicule et d'autre part à une batterie 8B de stockage d'énergie électrique. La batterie 8B comporte un système de gestion de batterie 31. Le dispositif de gestion de la puissance électrique en freinage 14 comporte un bus continu 20B dont on voit la ligne positive + et la ligne négative— . Le dispositif de gestion de la puissance électrique en freinage 14 comporte une branche de dissipation 1D connectée à la ligne positive + à et la ligne négative— . Cette branche de dissipation 1D comporte un interrupteur électronique de dissipation 1D1, constitué par exemple par un transistor, connecté en série avec une résistance de dissipation 1D2. On voit encore une diode 1D4 qui, lors de l'ouverture de l'interrupteur électronique de dissipation 1D1, permet au courant qui circulait dans la résistance de dissipation 1D2 de s'annuler. Ceci est d'autant plus utile que ce circuit est inductif. Le dispositif de gestion de la puissance électrique en freinage 14 comporte un capteur de courant 15 sur le bus continu 20B.
[0046] Le contrôleur 1B est tout à fait comparable au contrôleur 1 de l'exemple précédent. Sa description n'est pas reprise et le dessin de la figure 5 est simplifié. Le capteur de courant 15 est représenté à la figure 4 pourrait être celui intégré à l'onduleur 1B, et inversement l'onduleur pourrait utiliser l'information provenant d'un capteur extérieur tel que le capteur de courant 15. L'objet de l'exemple décrit avec l'appui de la figure 4 est de décrire une application de l'invention à une « source » comportant des éléments de deux technologies différentes : une batterie 8B et une résistance de dissipation 1D2.
[0047] Un contrôleur 18 assure le pilotage du dispositif de gestion de la puissance électrique en freinage 14. On voit qu'il reçoit du système de gestion de batterie 31, via un bus CAN® 180, différentes informations utiles à la gestion de la puissance de freinage, dont une consigne de « courant limite de recharge de la batterie » Ic recharge max, une mesure du courant sur le bus continu 20B délivrée par le capteur du courant 15, via une ligne 150. Le contrôleur 18 comporte un comparateur évaluant la différence entre le courant limite de recharge de la batterie et le courant sur le bus continu, le contrôleur comportant une unité assurant le pilotage de l'interrupteur électronique de dissipation selon un cycle maintenant le courant de charge de la batterie égal au courant limite de recharge de la batterie lorsque le courant sur le bus continu n'est pas inférieur au courant limite de recharge de la batterie.
[0048] Ainsi, le pilotage de la puissance de dissipation, c'est-à-dire la part du de la puissance produite par la machine électrique 21 qui ne peut pas être utilisée pour charger la batterie 30, se fait par un rapport cyclique approprié d'ouverture et fermeture de l'interrupteur électronique de dissipation 1D1 ; le temps pendant lequel l'interrupteur électronique de dissipation 1D1 est ouvert varie en fonction de l'écart entre la consigne de courant maximal de charge de la batterie et la mesure du courant par le capteur de courant 15. [0049] Dans cet exemple, le contrôleur intégré à l'onduleur permet de piloter les courants de phase du moteur électrique en fonction de la consigne couple demandé et en maintenant le courant passant par la ligne d'alimentation 20B à une valeur compatible avec les limites de la source, celle-ci étant considérée globalement, à savoir formée la batterie 8B et la résistance de dissipation 1D2.
[0050] En synthèse, soulignons que la présente invention permet de contrôler le courant prélevé (ou injecté) par l'onduleur sur la source d'énergie électrique grâce à un régulateur agissant sur une grandeur influente de la puissance consommée. Il s'agit d'agir sur le couple moteur afin de diminuer la puissance prélevée (ou injectée) en entrée d'onduleur et par conséquence de diminuer le courant consommé. Quel que soit le type de moteur, l'onduleur intègre une boucle de pilotage moteur chargée d'asservir une consigne interne de couple. Sur la base d'une consigne de couple venant de l'extérieur de l'onduleur (action du conducteur du véhicule, éventuellement via un superviseur véhicule), et en mesurant un courant prélevé (en mode traction) ou injecté (en freinage récupératif) sur la source d'énergie électrique, de consommation à respecter, la présente invention permet d'adapter la consigne effective de couple moteur afin de respecter un courant maximal admissible par la source d'énergie électrique. Bien que l'invention ait été décrite en faisant référence à un moteur synchrone, à un resolver, elle peut aussi s'appliquer au pilotage d'un moteur asynchrone ; elle peut aussi s'appliquer au pilotage d'un moteur synchrone sans recourir à un capteur de position relative du rotor par rapport au stator (resolver) ; elle peut aussi s'appliquer avec ou sans mesure de la tension d'alimentation, tout en appliquer les éléments essentiels de l'invention, rappelés ci- dessus. Au final, grâce à une mesure de courant d'alimentation de l'onduleur et à un régulateur agissant sur une grandeur significative de la puissance consommée (ou injecté) sur la source, l'onduleur permet une excellente maîtrise, très fine, très réactive, du courant sur la ligne d'alimentation électrique.

Claims

REVENDICATIONS
Installation comprenant une source d'énergie électrique comportant au moins deux éléments de technologies différentes et un onduleur de pilotage d'un moteur électrique à courant alternatif, le moteur comportant un stator ayant au moins deux phases et un rotor, ledit onduleur comportant :
• deux bornes (2 et 10) de branchement à un bus continu associé à une source d'énergie électrique à courant continu et à tension électrique continue,
• un générateur de courant alternatif (3) délivrant un courant à un bornier (4) destiné à être connecté aux phases dudit moteur électrique (6),
• une ligne d'alimentation (20) entre les bornes de branchement et le générateur,
• une ligne de mesure de courant d'alimentation (210) sur laquelle circule une mesure du courant sur la ligne d'alimentation (20),
• au moins une ligne de mesure de courant moteur (410, 420) sur laquelle circule une mesure du courant alternatif sur certaines phases alimentant ledit moteur électrique de façon à connaître le courant alternatif circulant dans chacune des phases,
• une entrée (52) recevant des informations comprenant au moins une valeur de « courant limite de la source » pour le courant circulant sur la ligne d'alimentation, ledit courant limite de la source considérant globalement lesdits au moins deux éléments de technologies différentes, et comprenant une consigne de couple demandé (Ccons),
• un contrôleur (5) recevant les mesures de courant sur la ligne d'alimentation, les mesures du courant de phases du moteur électrique, les courants limites de la source (Idc max et Idc min), la consigne couple demandé (C CAN), le contrôleur permettant de piloter les courants de phase du moteur électrique en fonction de la consigne couple demandé et en maintenant le courant passant par la ligne d'alimentation (20) à une valeur compatible avec les limites de la source.
Installation selon la revendication 1 , ladite source comportant un accumulateur électrique et une résistance de dissipation. Installation selon la revendication 1, ledit onduleur assurant le pilotage d'un moteur synchrone, ledit rotor étant associé à un resolver (60) donnant la position relative entre rotor et stator, l'onduleur comportant en outre :
• une ligne de mesure de tension d'alimentation (220) sur laquelle circule une mesure de la tension sur la ligne d'alimentation (20),
• une entrée (51) recevant le signal délivré par ledit resolver (60),
dans lequel, pour assurer le pilotage des courants de phase du moteur électrique, le contrôleur (5) :
• reçoit en outre la mesure de la tension sur la ligne d'alimentation (20) et les signaux du resolver (60),
• détermine un couple de pilotage (Cpil) du moteur électrique pour piloter les courants de phase du moteur électrique, de façon à ce que ledit couple de pilotage (Cpil) soit identique à la consigne de couple demandé (Ccons) tant que le courant sur la ligne d'alimentation (20) reste éloigné du courant limite de la source et, lorsque le courant sur la ligne d'alimentation (20) atteint le courant limite de la source, ledit couple de pilotage (Cpil) est réduit par rapport à la consigne de couple demandé (Ccons) de façon à ne pas dépasser le courant limite de la source sur la ligne d'alimentation (20).
Installation selon la revendication 1 ou 3, dans laquelle sont intégrés dans l'onduleur :
• un capteur de courant (21) sur la ligne d'alimentation, ledit capteur de courant (21) délivrant sa mesure sur ladite ligne de mesure de courant d'alimentation (210),
• un capteur de tension (22) de la ligne d'alimentation, ledit capteur de tension (22) délivrant sa mesure sur ladite ligne de mesure de tension d'alimentation (220),
• deux capteurs de courant de courant alternatif (41, 42) sur certaines phases alimentant ledit moteur électrique, lesdits capteurs de courant alternatif (41, 42) délivrant leur mesure sur deux (410, 420) desdites au moins une ligne de mesure de courant moteur.
Installation selon l'une des revendications 1 à 4, ledit onduleur comportant un étage de pilotage (9) recevant des ordres de pilotage du contrôleur (5) et assurant le pilotage de transistors de puissance d'un générateur de courants (3).
Installation selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle le « courant limite de la source » comprend une consigne de courant maximal (Idc max) de signe positif correspondant à un courant soutiré à la source d'énergie électrique lorsque le moteur fonctionne en mode traction et une consigne de courant minimal (Idc min) de signe négatif correspondant à un courant renvoyé à la source d'énergie électrique lorsque le moteur électrique fonctionne en mode freinage récupératif.
Installation selon la revendication 6 dans laquelle le contrôleur dudit onduleur comprend une ligne de traitement recevant la consigne de courant maximal et une ligne de traitement recevant la consigne de courant minimal et un module permettant de basculer entre l'une ou l'autre ligne selon le signe du courant.
Installation selon l'une des revendications 1 à 7, le contrôleur dudit ledit onduleur comportant un bloc « rampe de couple » (96) recevant en entrée la consigne de couple C CAN et délivrant une consigne de couple de pilotage Ccons retraitée.
Installation selon l'une des revendications 1 à 8, utilisé avec un moteur électrique utilisé pour la traction d'un véhicule électrique.
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