APTE A FONCTIONNER EN REDRESSEUR SYNCHRONE, DISPOSITIF DE COMMANDE CORRESPONDANT ET MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE DE VEHICULE ELECTRIQUE COMPRENANT UN TEL DISPOSITIF

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION.

La présente invention concerne un procédé de commande d'un module électronique de puissance apte à fonctionner en redresseur synchrone pour des applications aux machines électriques tournantes de types alternateurs, ou alterno- démarreurs, de véhicules automobiles.

L'invention concerne aussi un dispositif de commande correspondant, ainsi qu'une machine électrique tournante de véhicule automobile comprenant un tel dispositif et une mémoire électronique contenant un programme adapté. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION.

Dans les véhicules automobiles à moteur thermique, l'énergie électrique nécessaire aux divers équipements de bord est de manière habituelle produite par une machine électrique tournante couplée mécaniquement au moteur thermique.

L'alternateur s'est substitué universellement sur les véhicules modernes aux génératrices qui fournissaient un courant continu.

Le courant alternatif polyphasé fourni par l'alternateur est donc redressé pour alimenter le réseau électrique de bord.

Les ponts redresseurs à diodes, bien connus de l'état de la technique, sont aussi le plus souvent remplacés de nos jours par des redresseurs synchrones à interrupteurs de type transistors MOSFET qui ne présentent pas la chute de tension non négligeable des diodes en basse tension.

Le rendement électrique de l'alternateur est donc amélioré.

De plus, les éléments de commutation à semi-conducteur du redresseur synchrone peuvent être commandés de sorte que ce module électronique de puissance constitue un onduleur permettant d'alimenter à partir du réseau électrique de bord la machine électrique qui fonctionne alors en moteur.

Ce moteur peut être avantageusement utilisé pour démarrer le moteur thermique du véhicule.

Une telle machine électrique réversible, ou alterno-démarreur, permet notamment aux constructeurs de véhicules automobiles d'équiper leurs modèles d'un système de démarrage/ arrêt automatique, tel que le système connu sous le terme anglo-saxon de « Stop and Go », toutefois avec des contraintes accrues en termes de performances par rapport à un alterno-démarreur standard.

De ce fait, dans sa demande de brevet FR2843842, la société VALEO EQUIPEMENTS ELECTRIQUES MOTEUR divulgue un dispositif de commande d'une machine électrique tournante permettant d'utiliser un alterno-démarreur standard en mode moteur pour des véhicules automobiles exigeant une augmentation de la puissance électrique installée, et un couple de démarrage plus élevé que celui pour lequel l'alterno-démarreur était initialement prévu.

Mais l'entité inventive a également constaté qu'un alterno-démarreur standard utilisé en mode alternateur (et d'ailleurs aussi, n'importe quel alternateur) présente une limitation du débit aux faibles vitesses de rotation (de l'amorçage jusqu'à 3000 tr/mn environ).

Cette limitation est due à la conception du stator qui est optimisé pour un débit prédéterminé à haute vitesse (6000 tr/mn environ).

Il existe donc un besoin pour améliorer le débit à faible vitesse d'un alterno- démarreur standard fonctionnant en générateur, ou d'un alternateur à redressement synchrone, tout en en conservant les mêmes performances à haute vitesse. DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION.

La présente invention vise donc à satisfaire ce besoin.

Selon un premier aspect, l'invention concerne un procédé de commande d'un module électronique de puissance qui est apte à fonctionner en redresseur synchrone alimentant en courant continu un réseau électrique de bord d'un véhicule automobile à partir d'un courant alternatif polyphasé fourni par une machine électrique tournante polyphasée.

Conformément à l'invention, le procédé comporte la commande du module électrique de puissance par une première commande de mode de redressement synchrone ou par une seconde commande de mode pleine onde présentant un déphasage par rapport à une force électromotrice de la machine, en fonction de la valeur d'au moins un paramètre de fonctionnement de la machine électrique tournante polyphasée parmi la vitesse de rotation courante et la force électromotrice de la machine, la première commande étant sélectionnée lorsque ladite valeur est supérieure à une valeur prédéterminée et ladite seconde commande étant choisie dans le cas contraire., et un angle d'ouverture de la seconde commande étant fonction d'une valeur de consigne du courant continu et/ou d'au moins une caractéristique électrique de la machine.

Selon une caractéristique particulière du procédé, une transition entre les première et seconde commandes présente une plage d'hystérésis comprise entre une première valeur de paramètre de fonctionnement prédéterminée supérieure à ladite valeur prédéterminée, et une seconde valeur de paramètre de fonctionnement prédéterminée inférieure à ladite valeur prédéterminée.

Selon une autre caractéristique particulière du procédé, le déphasage est variable et est fonction, alternativement ou en combinaison quelconque, d'une intensité du courant continu, d'une valeur de consigne du courant continu, de la vitesse de rotation courante, d'une température de la machine et d'une tension électrique de bord.

Selon encore une autre caractéristique particulière du procédé, le déphasage et/ou l'angle d'ouverture de la seconde commande sont déterminés de manière à limiter le courant et/ou la tension sur le réseau de bord, la limitation étant effectuée en amplitude et/ou en durée.

Selon un second aspect, l'invention concerne un dispositif de commande d'un module électronique de puissance, le module électronique de puissance comprenant un pont redresseur comportant des éléments de commutation à semiconducteur formant plusieurs bras destinés à être connectés aux enroulements statoriques d'un stator d'une machine électrique tournante polyphasée et alimentant en courant continu un réseau électrique de bord d'un véhicule automobile, et le module électronique de puissance étant apte à fonctionner en redresseur synchrone et adapté à la mise en œuvre du procédé de commande selon l'invention décrit brièvement ci-dessus.

Conformément à l'invention, le dispositif comprend:

- des premiers moyens d'acquisition d'une vitesse de rotation de la machine;

- des moyens de construction d'une première commande de mode de redressement synchrone quand la valeur de paramètre de fonctionnement est supérieure à une valeur prédéterminée, et d'une seconde commande de mode pleine onde dans le cas contraire;

- des moyens de pilotage des éléments de commutation à semi-conducteur par les première et seconde commandes.

Selon une autre caractéristique, les moyens de construction du dispositif comprennent alternativement:

- au moins un capteur de position d'une position angulaire d'un rotor de la machine;

- au moins une spire de mesure de la force électromotrice agencée dans le stator;

- des moyens de mesure/estimation d'au moins un courant de phase de la machine ou du signe de celui-ci.

Selon encore une autre caractéristique, les moyens de construction du dispositif comprennent en outre, alternativement ou en combinaison quelconque:

- des deuxièmes moyens d'acquisition d'une intensité du courant continu;

- des troisièmes moyens d'acquisition d'une valeur de consigne du courant continu; - des quatrièmes moyens d'acquisition d'une température de la machine;

- des cinquièmes moyens d'acquisition d'une tension de réseau électrique de bord du véhicule.

Selon encore un autre aspect, l'invention concerne une machine électrique tournante de véhicule automobile de type alternateur ou alterno-démarreur qui comporte un dispositif de commande d'un module électronique de puissance tel que décrit brièvement ci-dessus.

Ces quelques spécifications essentielles auront rendu évidents pour l'homme de métier les avantages apportés par l'invention par rapport à l'état de la technique antérieur.

Les spécifications détaillées de l'invention sont données dans la description qui suit en liaison avec les dessins ci-annexés. Il est à noter que ces dessins n'ont d'autre but que d'illustrer le texte de la description et ne constituent en aucune sorte une limitation de la portée de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS.

Les Figures 1a, 1 b et 1 c sont des schémas de principe du dispositif de commande d'un module électronique de puissance apte à fonctionner en redresseur synchrone, et de son agencement dans une machine électrique tournante triphasée connectée à un réseau électrique de bord dans des premier, deuxième et troisième modes de réalisation préférés de l'invention.

La Figure 2 est une vue schématique d'un palier arrière d'une machine électrique tournante comportant un dispositif de commande selon l'invention.

La Figure 3 montre des courbes de débit d'une machine électrique tournante connue de l'état de la technique, d'une machine idéale et d'une machine théorique selon l'invention. La Figure 4 est un organigramme illustrant le procédé de commande d'un module électronique de puissance apte à fonctionner en redresseur synchrone selon l'invention.

La Figure 5 est un diagramme montrant une première commande de mode de redressement synchrone et une seconde commande de mode pleine onde selon l'invention.

La Figure 6 montre une courbe de débit d'une machine électrique tournante standard et une courbe de débit d'une machine implémentant l'invention. DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES DE L'INVENTION.

Le type de machine électrique tournante 1 visée par l'invention est de préférence un alterno-démarreur polyphasé 1 alimenté à partir du réseau électrique de bord 2, quand il fonctionne en démarreur, ou fournissant de l'énergie électrique à ce réseau 2 quand il fonctionne en alternateur.

II peut s'agir également d'un alternateur 1 comportant un module de puissance 3 à pont de transistors de puissance 4 de type MOSFET fonctionnant en redresseur synchrone.

Les Figures 1a, 1 b et 1 c représentent un exemple de machine électrique tournante 1 triphasée à excitation correspondant soit à l'alternateur d'un alterno- démarreur, soit à un alternateur conventionnel.

L'excitation est fournie par un rotor 5 dont l'enroulement rotorique 5 est parcouru par un courant d'excitation contrôlé de manière connue par un dispositif de régulation 6.

Les courants de phase induits dans le stator 7 par la rotation du rotor 5 entraîné par le moteur thermique du véhicule sont redressés par un pont redresseur 3 du module de puissance 3.

Ce pont redresseur 3 est généralement intégré sur un palier arrière de l'alternateur 1 , comme le représente schématiquement la Figure 2.

La Figure 2 est une vue axiale simplifiée, du côté opposé à la poulie d'entraînement, d'un alternateur 1 comportant un dispositif de commande 8 selon l'invention du module de puissance 3 et montrant les éléments de commutation à semi-conducteur 4 du module électronique de puissance 3.

Les transistors MOSFET 4 sont montés sur des radiateurs 9 et connectés entre-eux par une grille de connexion 10 (« Lead frame » en anglais).

La grille de connexion 10 supporte également les bornes électriques B+, B- de liaison au réseau électrique de bord 2, un connecteur 1 1 à un réseau local d'interconnexion de type LIN, un porte-balais 12 pour l'alimentation électrique du rotor 5, et le dispositif de commande 8.

Ce dispositif de commande 8 est basé sur un ASIC (acronyme de "Application Spécifie Integrated Circuit" en anglais, c'est-à-dire "circuit intégré pour application spécifique") de type à la fois numérique et analogique, comprenant notamment une mémoire de type Flash, ou l'association d'un ASIC analogique et d'un FPGA (acronyme de "Field Progammable Gâte Array" en anglais, désignant un "circuit intégré prédiffusé programmable").

Le pont redresseur 3 comporte trois bras H-, , L-, ; H ₂ , L ₂ ; H ₃ , L ₃ comprenant chacun de manière connue des éléments de commutation à semi-conducteur 4 haut H-,, H ₂ , H ₃ et bas L _; L ₂ , L ₃ .

Dans un alternateur standard à pont redresseur 3 à transistors 4, le dispositif de commande 8 génère, indépendamment d'une vitesse de rotation courante Ω de l'alternateur, un vecteur de commande (H, L) des éléments de commutation à semiconducteur 4 haut H-,, H ₂ , H ₃ et bas L _; L ₂ , L ₃ de manière à commuter les enroulements statoriques 7 pour fournir un courant continu.

Un tel vecteur de commande conduit à un débit limité aux faibles vitesses de rotation courantes Ω, comme le montre une courbe de débit standard (en trait pointillé 13) de la Figure 3.

Ceci n'est pas satisfaisant, car cette courbe de débit standard 13 est très éloignée d'une courbe de débit idéale (en trait tireté 14), qui présenterait rapidement un débit constant et maximum I _max dès la vitesse de ralenti Ω, de l'ordre de 1000 tr/mn, souhaitée par les constructeurs d'automobiles.

Le procédé de commande d'un module de puissance 3 apte à fonctionner en redresseur synchrone selon l'invention, représenté sur la Figure 4, permet d'obtenir, comme le montre bien la Figure 3, une courbe de débit théorique (en trait plein) proche de la courbe idéale 14.

Dans le procédé de commande selon l'invention, le pont redresseur 3 fonctionne comme le pont redresseur 3 à transistors 4 d'un alternateur standard si un test 15 détermine que la vitesse de rotation courante Ω est supérieure à une valeur prédéterminée Ω ₀ , de l'ordre de 3000 tr/ mn, c'est-à-dire que le dispositif de commande 8 construit une première commande 16 de mode de redressement synchrone (H,L) identique au vecteur de commande (H,L) d'un alternateur standard. Après le démarrage 17 de la machine électrique 1 , et tant que le test 15 détermine que la vitesse de rotation courante Ω est inférieure ou égale à cette valeur prédéterminée Ω ₀ , dans le procédé de commande selon l'invention, le dispositif de commande 8 construit une seconde commande 18 de mode pleine onde (H,L) ₂ .

Comme le montre l'exemple de la Figure 5, cette seconde commande 18 (en trait plein 19) est déphasée 20 d'un déphasage Δφ par rapport à une force électromotrice V (représentée en trait tireté 21 ) de la machine électrique 1 .

Ce déphasage Δφ est ajusté en fonction 22 de la vitesse de rotation courante Ω et d'une température T de la machine électrique 1 .

Il est ajusté 22 afin de maximiser l'intensité I du courant continu débité par la machine électrique 1 .

Ce déphasage Δφ peut aussi être modulé en fonction 22 d'une valeur de consigne Io de ce courant continu demandée par le réseau 2 et/ou une tension de réseau de bord Vb.

Dans le procédé de commande selon l'invention, on module 23 un angle d'ouverture r (180° ou moins) en fonction 24 de caractéristiques électriques M de la machine et/ou de la valeur de consigne Io du courant continu.

Le déphasage Δφ et l'angle d'ouverture r sont des degrés de liberté supplémentaires qui sont utilisés pour améliorer la dynamique de la machine électrique 1 en cas d'un saut de charge 25 (appel ou délestage) sur le réseau 2.

Cette seconde commande 18 de mode pleine onde (H,L) ₂ est donc intéressante à utiliser à fort courant afin de faire varier plus rapidement le courant continu I, comme par exemple pendant des phases de freinage récupératif ou de délestage de charge conduisant à une surtension sur le réseau de bord (phénomène désigné « load-dump » en anglais).

On notera que la seconde commande 18, du fait de la possibilité qu'elle donne d'ajuster le déphasage Δφ et/ou l'angle d'ouverture r, peut être utilisée pour limiter le courant et/ou la tension du réseau de bord, par exemple, en cas de surtension sur le réseau due à un « load-dump » ou à un défaut de court-circuit dans le circuit d'excitation 5, 6 de la machine. Cette limitation du courant et/ou de la tension du réseau de bord peut être faite en amplitude et/ou dans la durée.

Dans le but d'éviter un phénomène de pompage, une plage d'hystérésis comprise entre une première vitesse de rotation prédéterminée Ω et une seconde vitesse de rotation prédéterminée Ω ₂ autour de la valeur prédéterminée Ω ₀ est en variante introduite dans une transition entre les première 16 et seconde 18 commandes.

Dans le cas d'un alterno-démarreur standard, la seconde commande 18 de mode pleine onde (H,L) ₂ est réalisée de manière simple, puisqu'une commande similaire est déjà réalisée quand l'alterno-démarreur fonctionne en mode moteur (avec un déphasage Δφ différent qui place la machine électrique 1 dans le cadran mode moteur).

Dans le cas d'un alternateur standard à pont redresseur 3 à transistors 4, l'implémentation du procédé de commande selon l'invention par une simple modification du firmware du dispositif de commande 8 n'est pas possible sans modifier le matériel.

Une première solution pour construire la seconde commande 18 de mode pleine onde (H,L) ₂ consiste à ajouter une mesure de position angulaire Θ du rotor 5 au moyen d'au moins un capteur de position 27 pour implémenter un premier mode de réalisation de l'invention représenté sur la Figure 1a.

Une deuxième solution consiste à ajouter une spire de mesure 28 de la force électromotrice V de la machine électrique 1 pour implémenter un deuxième mode de réalisation de l'invention représenté sur la Figure 1 b.

Une troisième solution consiste à ajouter des moyens de mesure 29 d'un courant de phase i _p comme un capteur à effet Hall pour implémenter un troisième mode de réalisation de l'invention représenté sur la Figure 1 c.

En variante de cette troisième solution, une quatrième solution consiste à utiliser une image du courant de phase i _p (tension drain-source des transistors 4 correspondants) ou le signe de ce courant de phase i _p pour construire la seconde commande 18 (non représentée).

La température T prise en compte 22 par le procédé de commande selon l'invention peut être une mesure directe, indirecte ou une estimation de température à partir d'une ou plusieurs températures de la machine électrique 1 comme, de manière non exhaustive, la température du stator, la température des transistors 4 ou celle de la grille de connexion 10. Un capteur de température 30 est montré à la Figure 2 et est utilisé pour l'obtention de cette température T.

Le procédé de commande selon l'invention du module de puissance 3 introduit des variations de courant sur le bus continu de la grille de connexion 10 nécessitant un filtrage. Pour ce faire, la machine électrique 1 selon l'invention comporte un bloc de condensateurs 31 intégré dans le module électronique de puissance 3 et connecté aux bornes B+, B- du bus continu. Le bloc de condensateurs 31 est intégré au niveau du palier arrière de la machine 1 comme le montre bien la Figure 2.

La Table I et la Figure 6 présentent des résultats d'essais menés par l'entité inventive sur un alterno-démarreur standard dont le firmware de l'ASIC a été modifié pour implémenter le procédé de commande selon l'invention.

La capacité du bloc de condensateurs 31 est de l'ordre de 8 mF.

La seconde commande 18 de mode pleine onde (H,L) ₂ avec un angle d'ouverture r de 180° a été appliquée en mode alternateur entre 1000 tr/mn et 2200 tr/mn par pas de 200 tr/mn avec un courant d'excitation de 8 A.

Le déphasage Δφ est variable et est commandé selon le point de fonctionnement de la machine 1 . Les valeurs appliquées au déphasage Δφ ont été déterminées pour maximiser l'intensité I du courant continu généré par la machine électrique 1 .

Table I

La Figure 6 montre nettement que la courbe de débit mesurée (en trait plein 32) quand le dispositif de commande 8 fonctionne avec la seconde commande 18 de mode pleine onde (H,L) ₂ est au dessus de la courbe de débit standard 13 (en trait pointillé), et se rapproche de la courbe de débit idéale 14 montrée sur la Figure 3, aux faibles vitesses de rotation Ω comprises entre environ 1000 tr/mn et 2200 tr/mn.

Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seuls modes d'exécution préférentiels décrits ci-dessus.

Notamment, la machine électrique triphasée à excitation 1 décrite n'est donnée qu'à titre d'exemple. Une description similaire pourrait porter sur d'autres types de machines électriques 1 comme des machines 1 ayant un nombre de phases supérieur ou inférieur à six et des machines 1 à aimants permanents ou hybrides.

Les valeurs numériques des vitesses de rotation Ω citées ici ne sont données qu'à titre indicatif et varieront selon les modèles de machines électriques utilisées.

L'invention embrasse donc au contraire toutes les variantes possibles de réalisation qui resteraient dans le cadre défini par les revendications ci-après.