ELECTRIQUE TOURNANTE DE VEHICULE AUTOMOBILE,

ET MACHINE CORRESPONDANTE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION.

L'invention concerne un procédé et un dispositif de commande d'une machine électrique tournante de véhicule automobile, ainsi qu'une telle machine comprenant ce dispositif. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION.

Les véhicules automobiles à moteur thermique comportent classiquement un réseau électrique de bord comprenant une batterie, généralement de 12 V, destiné à alimenter en énergie électrique les divers équipements, notamment un démarreur, indispensable pour assurer le démarrage du moteur thermique. Après le démarrage, un alternateur accouplé au moteur thermique assure la charge de la batterie.

De nos jours, le développement de l'électronique de puissance permet d'alimenter et de piloter une seule machine électrique tournante polyphasée réversible qui remplace avantageusement le démarreur et l'alternateur.

Dans un premier temps, cette machine, connue sous le nom d'alterno- démarreur, avait essentiellement pour but de remplir les fonctions autrefois dédiées à l'alternateur et au démarreur, et, accessoirement, de récupérer l'énergie au freinage, ou d'apporter un supplément de puissance et de couple au moteur thermique.

Dans le but d'accroître la puissance et d'améliorer le rendement de l'alterno- démarreur en augmentant sa tension de fonctionnement tout en conservant la possibilité d'utiliser des autres équipements standards, prévus pour une alimentation de 12 V à 14 V, notamment les batteries au plomb, a été développée une architecture bi-tension.

Cette architecture consiste en un réseau électrique de puissance reliant l'alterno-démarreur à un élément de stockage d'énergie électrique fonctionnant à une tension supérieure à 14 V, pouvant atteindre 48 V, et en un réseau électrique de service à 12 V reliant tous les autres équipements. L'adaptation des niveaux de tensions entre les deux réseaux est assurée par un convertisseur continu- continu réversible, généralement d'une puissance comprise entre 1 ,5 kW et 3 kW. Dans ce contexte, la structure du convertisseur continu- continu réversible est choisie pour maximiser le rendement (95% par exemple) à un coût raisonnable, mais ce convertisseur doit être intégré dans le véhicule (boîtier d'environ 25 cm par 20 cm sur 8 cm), doit aussi être refroidi, et représente un coût additionnel en soi.

Par conséquent pour simplifier la structure du véhicule, il est connu d'utiliser dans une architecture de réseaux bi-tension une machine électrique tournante double tension spécifique capable de réaliser la conversion continu- continu pour alimenter les charges 12 V.

Cette machine électrique est généralement une machine double-triphasée dans laquelle sont intégrés un premier onduleur réversible connecté à un premier réseau à haute tension (48 V) et un second onduleur réversible connecté à un second réseau à basse tension (12 V).

Une machine de ce type est décrite notamment dans la demande de brevet américain US2014/0375232.

Quand la machine ne tourne pas, les doubles enroulements de phases d'un stator font fonction de transformateur comme dans un convertisseur continu- continu conventionnel.

Mais les enroulements de phases de ce type de machine ont une inductance très faible comparée à celle que l'on trouve dans un convertisseur continu- continu adapté, et les pertes fer dans le stator sont beaucoup plus élevées.

Cela a pour résultat que le rendement de la conversion est assez faible comparé à celui d'un convertisseur adapté, ce qui représente un inconvénient alors que par ailleurs l'architecture bi-tension est simplifiée. DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION.

La présente invention vise donc à pallier cet inconvénient grâce à un procédé et un dispositif de commande spécifiques.

Le procédé de commande dont il s'agit concerne une machine électrique tournante de véhicule automobile du type de celles double tension à plusieurs phases réversible comprenant:

- un rotor apte à être couplé mécaniquement à un moteur thermique du véhicule automobile;

- un stator comportant des premiers enroulements de phases en étoile connectés à un premier onduleur réversible apte à être relié par une première borne de sortie à un premier sous-réseau d'un réseau électrique d'alimentation des équipements du véhicule automobile à une première tension continue nominale prédéterminée par rapport à un potentiel de référence d'une borne de masse, et des seconds enroulements de phases connectés à un second onduleur réversible apte à être relié par une seconde borne de sortie à un second sous-réseau du réseau électrique d'alimentation à une seconde tension continue nominale prédéterminée par rapport au potentiel de référence inférieure à la première tension continue nominale prédéterminée;

- un circuit de transfert reliant électriquement un point neutre des premiers enroulements de phases à la seconde borne de sortie.

Dans le procédé de l'invention, dans un mode de fonctionnement de la machine à l'arrêt en convertisseur courant continu - courant continu, on pilote le premier onduleur en modulation en largeur d'impulsions en fonction d'une puissance fournie au second sous-réseau selon une stratégie de pilotage prédéterminée.

Selon l'invention, cette stratégie de pilotage comprend au moins un changement d'un mode de pilotage courant pris dans un groupe de modes de pilotage prédéterminés du premier onduleur au passage de la puissance d'un seuil de puissance courant pris dans un ensemble de seuils de puissance prédéterminés.

Ce groupe comprend, selon l'invention:

- un premier mode de pilotage dans lequel on pilote une seule des phases en mode discontinu;

- un deuxième mode de pilotage dans lequel on pilote une seule des phases en mode continu;

- un troisième mode de pilotage dans lequel on pilote en phase deux des phases;

- un quatrième mode de pilotage dans lequel on pilote deux des phases avec un premier déphasage prédéterminé;

- un cinquième mode de pilotage dans lequel on pilote en phase trois des phases;

- un sixième mode de pilotage dans lequel on pilote trois des phases avec un second déphasage prédéterminé.

Dans le premier mode de pilotage on déconnecte un enroulement actif des premiers enroulements de phases de la borne de masse, ou bien l'on ouvre un interrupteur du circuit de transfert, quand cet enroulement actif n'est pas alimenté.

Selon l'invention encore, l'ensemble de seuils de puissance prédéterminés comprend un seuil bas, un seuil moyen, un seuil haut. Chacun de ces seuils de puissance présente une plage d'hystérésis prédéterminée.

Dans la stratégie de pilotage d'un mode de réalisation du procédé de commande selon l'invention, la machine étant une machine double-triphasée, le mode de pilotage courant est le cinquième mode de pilotage en dessous du seuil moyen et le sixième mode au dessus de ce seuil moyen.

Dans la stratégie de pilotage d'un autre mode de réalisation du procédé de commande selon l'invention, la machine étant également une machine double- triphasée, le mode de pilotage courant est le premier mode de pilotage en dessous du seuil bas, le deuxième mode de pilotage au dessus du seuil bas et en dessous du seuil moyen, le troisième mode de pilotage ou le quatrième mode de pilotage au dessus du seuil moyen et en dessous du seuil haut, et le cinquième mode de pilotage ou le sixième mode de pilotage au dessus du seuil haut.

L'invention concerne aussi un dispositif de commande d'une machine électrique tournante de véhicule automobile apte à la mise en œuvre du procédé décrit ci-dessus

Cette machine est du type de celles double tension à plusieurs phases réversible comprenant:

- un rotor apte à être couplé mécaniquement à un moteur thermique du véhicule automobile;

- un stator comportant des premiers enroulements de phases en étoile connectés à un premier onduleur réversible apte à être relié par une première borne de sortie à un premier sous-réseau d'un réseau électrique d'alimentation des équipements de ce véhicule automobile à une première tension continue nominale prédéterminée par rapport à un potentiel de référence d'une borne de masse, et des seconds enroulements de phases connectés à un second onduleur réversible apte à être relié par une seconde borne de sortie à un second sous-réseau du réseau électrique d'alimentation à une seconde tension continue nominale prédéterminée par rapport au potentiel de référence inférieure à la première tension continue nominale prédéterminée;

- un circuit de transfert reliant électriquement un point neutre des premiers enroulements de phases à la seconde borne de sortie.

Selon l'invention, ce dispositif de commande comprend:

- des moyens de mémorisation d'un groupe de modes de pilotage du premier onduleur en modulation en largeur d'impulsions dans un mode de fonctionnement de la machine à l'arrêt en convertisseur courant continu - courant continu, et d'un ensemble de seuils de puissance;

- des moyens de détermination d'une puissance fournie au second sous-réseau;

- des moyens de comparaison de la puissance fournie par rapport auxdits seuils de puissance;

- des moyens de sélection d'un mode de pilotage courant parmi le groupe de modes de pilotage en fonction d'un résultat fourni par les moyens de comparaison;

- des moyens de pilotage du premier onduleur par le mode de pilotage courant.

Selon l'invention encore, le dispositif de commande comprend en outre des moyens de commande d'un interrupteur du circuit de transfert par le mode de pilotage courant.

L'invention vise également une machine électrique tournante double tension à plusieurs phases réversible de véhicule automobile qui comprend un dispositif de commande tel que décrit ci-dessus.

Ces quelques spécifications essentielles auront rendu évidents pour l'homme de métier les avantages du procédé et du dispositif de commande d'une machine électrique tournante de véhicule automobile selon l'invention, ainsi qu'une machine comprenant ce dispositif de commande, par rapport à l'état de la technique.

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.

La Figure 1 est un schéma de principe d'un réseau électrique d'alimentation des équipements d'un véhicule automobile à double sous-réseaux connu de l'état de la technique, mettant en œuvre un convertisseur continu- continu dédié.

La Figure 2 est un schéma de principe d'un autre réseau électrique d'alimentation des équipements d'un véhicule automobile à double sous-réseaux connu de l'état de la technique, mettant en œuvre une machine électrique tournante double tension polyphasée du type concerné par l'invention.

La Figure 3 est un schéma de principe détaillé d'une machine électrique tournante double tension double-triphasée réversible comprenant un dispositif de commande selon l'invention.

Les Figures 4, 5a et 5b sont des diagrammes de temps illustrant des modes de pilotage un onduleur d'entrée de la machine montrée sur la Figure 3 par un dispositif de commande selon l'invention, respectivement avec un pilotage d'une seule phase, avec un pilotage en phase de deux phases, et de deux phases déphasées.

Les Figures 6a et 6b sont des diagrammes de temps illustrant des modes de pilotage classiques d'un onduleur d'entrée de la machine montrée sur la Figure 3 par un dispositif de commande selon l'invention, respectivement avec un pilotage en phase de trois phases, et de trois phases déphasées, dans un mode de fonctionnement à l'arrêt en convertisseur courant continu - courant continu.

Les Figures 7a et 7b montrent un rendement de conversion en fonction d'une puissance fournie respectivement pour les modes de pilotage classiques illustrés par les Figures 6a et 6b, et pour les modes de pilotage illustrés par les Figures 4, 5a et 5b.

Les Figures 8a et 8b illustrent respectivement une stratégie de pilotage basée sur les modes de pilotage classiques illustrés par les Figures 6a et 6b, et une autre stratégie de pilotage basée sur les modes de pilotage illustrés par les Figures 4, 5a et 5b.

DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES DE L'INVENTION.

Le réseau électrique 1 d'alimentation des équipements d'un véhicule automobile à double sous-réseaux connu de l'état de la technique, montré sur la Figure 1 , comporte:

- un premier sous-réseau électrique 2 fonctionnant sous une première tension continue nominale V1 de 48 V et relié à un stockeur d'énergie électrique 3, alimentant des premières charges 4 sous cette première tension V1 ;

- un second sous-réseau électrique 5 fonctionnant sous une seconde tension continue nominale V2 de 12 V et relié à une batterie 6 de type acide- plomb, alimentant des secondes charges électriques 7.

Une machine électrique tournante polyphasée réversible 8 est couplée mécaniquement 9 à un moteur thermique du véhicule 10 pour fournir de l'énergie électrique 1 1 au premier sous-réseau 2.

Un convertisseur continu- continu réversible 12 est connecté entre les premier et second sous-réseaux 2, 5 pour fournir de l'énergie électrique 13 aux secondes charges électriques 7 conventionnelles sous 12 V, et de manière générale assurer les transferts d'énergie 14 entre les deux sous-réseaux 2, 5. Comme indiqué en préambule, pour simplifier l'architecture du véhicule, il est connu d'alimenter les deux sous-réseaux 2, 5 par une machine électrique tournante double tension polyphasée réversible 15 dans une configuration d'un autre réseau 16 montré sur Figure 2.

Une structure d'une machine double tension double-triphasée 15 faisant l'objet de l'invention est montrée en détail sur la Figure 3.

Cette machine 15 comprend de manière connue en soi:

- un rotor 17 apte à être couplé mécaniquement au moteur thermique 10 du véhicule et comportant une bobine d'induction 18;

- un stator comportant des premiers enroulements de phases 19 en étoile (deux tours par pôle) connectés à un premier onduleur réversible 20 et des seconds enroulements de phases 21 reliés ici en étoile (un demi tour par pôle) et connectés à un second onduleur réversible 22.

Les premier et second onduleurs réversibles 20, 22 sont formés de ponts triphasés dont les bras comportent des commutateurs à semi-conducteur de puissance pilotables reliant, d'une part, les premiers et seconds enroulements de phases 19, 21 respectivement à des première et seconde bornes de sortie 23, 24 aptes à être connectées aux premier et second sous-réseaux 2, 5 (commutateurs à semi-conducteur supérieurs HS-i , HS ₂ , HS ₃ , HS ₄ , HS ₅ , HS ₆ du côté dit "high-side"), et, d'autre part, à une borne de masse 25 (commutateurs à semi-conducteur inférieurs LS^, LS ₂ , LS ₃ , LS ₄ , LS ₅ , LS ₆ , du côté dit "low-side").

Dans cette architecture 16, on dispose d'une commande de la machine 15 adaptée (gestion du couple par un pilotage en modulation en largeur d'impulsions PWM1 , PWM2 des onduleurs 20, 22) pour réaliser toutes les fonctions d'une machine électrique hybride (mode démarrage, mode moteur, mode générateur) basées sur l'énergie fournie à, ou fournie par les premier et second sous-réseaux 2, 5 (48 V ou 12 V).

Une fonction équivalente à celle du convertisseur continu- continu 12 (fournir de l'énergie 13 aux charges 12 V) du réseau conventionnel 1 avec un convertisseur continu- continu 12 additionnel est réalisée quand la machine 15 est en mode générateur et en rotation.

Pour assurer cette fonction de convertisseur continu- continu même quand la machine électrique 15 ne tourne pas (moteur thermique à l'arrêt), un circuit de transfert 26 comprenant un interrupteur 27 (bidirectionnel, comme le montre la Figure 3, pour une réalisation avec des interrupteurs à semi-conducteur) est agencé entre un point neutre 28 des premiers enroulements de phases 19 et la seconde borne de sortie 24 vers le second sous-réseau 5 (12 V).

Quand la machine 15 est arrêtée, cet interrupteur 27 est fermé et les premiers enroulements de phases 19 alimentés sous 48 V sont utilisés comme des inducteurs d'un convertisseur continu- continu (équivalents au primaire d'un transformateur de rapport 1 /4) de manière à permettre l'échange d'énergie d'un réseau à l'autre 2, 5 comme avec un convertisseur continu- continu conventionnel 12.

Les commutateurs de puissance du premier onduleur 20 relié au premier sous-réseau (48 V) sont pilotés en modulation en largeur d'impulsions PWM1 , à une fréquence de 10 à 20 kHz, par exemple, pour réguler le courant de phase IU, IV, IW dans chacun u, v, w des premiers enroulements de phases 19, et un filtrage est assuré par les condensateurs 29, 30 déjà présents dans la machine 15 pour le fonctionnement en mode moteur ou en mode générateur.

Ainsi que cela a déjà été remarqué en préambule, les premiers enroulements de phases 19 de la machine 15 présentent une inductance très faible comparée à celle qui peut être trouvée dans un convertisseur continu- continu 12 dédié. De ce fait des pertes fer dans une carcasse du stator sont beaucoup plus élevées.

L'entité inventive a remarqué que, dans un mode de fonctionnement de la machine 15 à l'arrêt en convertisseur courant continu - courant continu, il existait plusieurs possibilités de piloter en modulation en largueur d'impulsions PWM1 le premier onduleur 19 en alimentant une ou plusieurs phases u, v, w par des tensions de phases U, V, W, déphasées ou non, pour réduire les pertes fer tout en limitant un courant efficace dans les condensateurs d'entrée 29 du premier onduleur 20.

Dans des premier et deuxième modes de pilotage A, A' illustrés par le diagramme de temps de la Figure 4, une seule phase u est alimentée sous la tension de phase U (trait plein 30). Une seule phase u étant alimentée, les pertes fer dues au courant de phase IU (trait pointillé 31 ) sont faibles.

Ces pertes fer sont d'autant plus faibles, que dans le premier mode de pilotage A considéré, pour une très faible puissance de sortie P (puissance P fournie au second sous-réseau 5 par un courant de sortie 12 sous la seconde tension continue nominale V2) de moins de 200 ou 300 W, un enroulement de phase actif u est déconnecté de la borne de masse 25 quand il n'est pas alimenté. Alternativement, en variante, l'interrupteur 27 du circuit de transfert 26 est ouvert.

Dans des troisième et quatrième modes de pilotage B, B' du premier onduleur 20 illustrés sur les Figure 5a et 5b, deux phases u, v sont alimentées sous les tensions de phase U, V (traits pleins 32).

Les courants de phases I U, IV (traits en pointillé 33) pouvant être importants dans le troisième mode de pilotage B (Figure 5a) dans lequel les tensions de phases U, V sont en phase, on préfère pour limiter le courant efficace dans les condensateurs d'entrée 29 du premier onduleur 20 utiliser un quatrième mode de pilotage B' des deux phases u, v illustré sur la Figure 5b, dans lequel les deux tensions de phases U, V sont déphasées de 1 80 ° électriques, c'est-à-dire décalées d'une demi-période 1 /2F dans le temps (F étant une fréquence de la modulation en largeur d'impulsion PWM1 ).

Des cinquième et sixième modes de pilotage C, C illustrés par les diagrammes de temps montrés sur les Figure 6a et 6b mettent en œuvre les trois phases u, v, w, tel que cela est réalisé classiquement dans les machines connues de l'état de la technique.

Les courants de phases I U, IV, IW (traits en pointillé 34) pouvant être importants quand les trois tensions de phase U, V, W (traits pleins 35) sont en phase (Figure 6a) dans le cinquième mode de pilotage C, le sixième mode de pilotage C (Figure 6b) où les trois tensions de phases U, V, W sont déphasées de 120 ° électriques, c'est-à-dire décalées d'un tiers de période 1 /3F, est préféré.

Des essais ont été réalisés par l'entité inventive sur une machine double- triphasée 1 5 fonctionnant à l'arrêt en convertisseur CC-CC abaisseur entre 48,5 V et 1 3,7 V (utilisation typique dans un véhicule) avec une modulation en largeur d'impulsions PWM1 à une fréquence F de 1 6 kHz dans une gamme de puissances P de 0 à 3000 W.

Les Figures 7a et 7b montrent qu'un rendement de conversion r de la machine 1 5 varie en fonction de la puissance fournie P et selon les premier, deuxième, quatrième, cinquième et sixième modes de pilotage A, A', B', C, C spécifiés ci-dessus.

Pour les cinquième et sixième modes de pilotage C, C, un écart de rendement ΔΓ de dix points au bénéfice du cinquième mode de pilotage C (trait en double points et tirets alternés) par rapport au sixième mode de pilotage C (trait en points et tirets alternés) apparaît pour une faible puissance P, aux alentours de 500 W (77% au lieu de 67%), comme le montre bien la Figure 7a.

La Figure 7b montre bien également que:

- le premier mode de pilotage A (trait en pointillé) correspond à un rendement r intéressant supérieur à tous les autres modes de pilotage A', B', C jusqu'à une puissance de 250 W ;

- le deuxième mode de pilotage A' (trait plein) correspond à un rendement r intéressant supérieur aux modes A, B' et C de 250 W à 800 W;

- le quatrième mode de pilotage B' (trait tireté) correspond à un rendement r intéressant supérieur au mode C de 800 W à 1 500 W;

- le sixième mode de pilotage C (trait en pointillé et tirets alternés) correspond à un rendement r intéressant à partir d'une puissance P de 1 500 W.

Prenant en compte ces résultats, dans le procédé de commande de la machine électrique tournante de véhicule automobile 1 5 selon l'invention, on pilote le premier onduleur 20 en modulation en largeur d'impulsions PWM1 en fonction d'une puissance P fournie au second sous-réseau 5 selon une stratégie de pilotage prédéterminée.

Dans une stratégie de pilotage illustrée par la Figure 8a, on pilote le premier onduleur 5 par le cinquième mode de pilotage C jusqu'à un seuil de puissance S d'environ 950 W, et par le sixième mode de pilotage C au dessus.

Une plage d'hystérésis 36, de l'ordre de 200 ou 300 W, est implémentée autour P _L , PH du seuil de puissance S pour éviter toute oscillation inopportune entre les deux modes de pilotage C, C.

Dans une autre stratégie de pilotage illustrée par la Figure 8b, on pilote le premier onduleur 5 de manière plus fine:

- par le premier mode de pilotage A en dessous d'un seuil bas S1 d'environ 250 W;

- par le deuxième mode de pilotage A' au dessus de ce seuil bas S1 et en dessous d'un seuil moyen S2 d'environ 950 W ;

- par le troisième mode de pilotage B ou le quatrième mode de pilotage B' au dessus de ce seuil moyen S2 et en dessous d'un seuil haut S3 d'environ 1 500 W;

- le cinquième mode de pilotage C ou le sixième mode de pilotage C au dessus de ce seuil haut.

Des plages d'hystérésis 36 sont également implémentées autour des seuils bas S1 (plage d'hystérésis P1 L, P1 H ), moyen S1 (plage d'hystérésis P2 _L , P2 _H ) et haut (plage d'hystérésis P3 _L , P3 _H ).

Le procédé de commande selon l'invention est implémenté dans la machine électrique tournante de véhicule automobile 15 par un dispositif de commande 37, comprenant comme le montre bien la Figure 3: - des moyens de mémorisation 38 d'un groupe de modes de pilotage A, A', B, B', C, C du premier onduleur 20 en modulation en largeur d'impulsions PWM1 dans un mode de fonctionnement de la machine à l'arrêt en convertisseur courant continu - courant continu, et d'un ensemble de seuils de puissance S, S1 , S2, S3 ;

- des moyens de détermination 39 d'une puissance P fournie au second sous- réseau 5 à partir de capteurs 40, 41 de la seconde tension continue nominale V2 et du courant de sortie 12 ;

- des moyens de comparaison 42 de la puissance P par rapport aux seuils de puissance S, S1 , S2, S3 ;

- des moyens de sélection 43 d'un mode de pilotage courant parmi le groupe de modes de pilotage A, A', B, B', C, en fonction d'un résultat fourni par les moyens de comparaison 42;

- des moyens de pilotage 44 du premier onduleur 20 par le mode de pilotage courant PWM1 .

Pour la mise en œuvre de la variante du premier mode de pilotage A du procédé, le dispositif de commande 37 selon l'invention comprend en outre des moyens de commande 45 de l'interrupteur du circuit de transfert 26 par le mode de pilotage courant PWM1 .

Le dispositif de commande 37 est de préférence réalisé sous la forme d'un microprocesseur ou d'un microcontrôleur dont un firmware comprend les instructions représentatives du procédé selon l'invention ; il peut s'agir d'une modification du firmware d'une unité électronique de contrôle d'une machine électrique tournante de véhicule automobile antérieure du type concerné par l'invention.

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

Les valeurs numériques indiquées ne sont que des exemples destinés à faire la démonstration de l'avantage apporté, au plan d'une limitation des pertes fer et d'une amélioration du rendement r, par la mise en œuvre de différents modes de pilotage A, A', B, B', C, C de l'onduleur d'entrée 20 d'une machine électrique tournante double tension double-triphasée réversible 1 5 fonctionnant à l'arrêt en convertisseur courant continu - courant continu.

Une description similaire pourrait s'appliquer à des machines 15 de même type possédant un plus grand nombre de phases, et alimentant des réseaux électriques 1 6 de véhicules automobiles à double sous-réseaux 2, 5 à des tensions continues nominales V1 , V2 différentes de celles citées.

L'invention embrasse donc toutes les variantes possibles de réalisation dans la limite de l'objet des revendications ci-après.