Titre de l’invention : Procédé de commande d’un onduleur triphasé d’un groupe motopropulseur pour un véhicule automobile

[0001] L’invention concerne le domaine de la commande d’onduleurs triphasés pour des groupes motopropulseurs de véhicules automobiles électriques ou hybrides.

[0002] En particulier l’invention concerne le domaine de la commande d’onduleurs par modulation de largeur d’impulsion, aussi appelé MLI, et en anglais Pulse Width Modulation, P WM.

[0003] Il est bien connu qu’une batterie d’accumulateurs électriques d’un véhicule automobile fournit une tension continue qui n’est généralement pas exploitable en l’état par la machine électrique.

[0004] Il est nécessaire de convertir cette tension continue en une tension alternative, via un dispositif nommé onduleur.

[0005] Le réseau électrique impliquant des courants forts est généralement triphasé. C’est ce que l’on retrouve généralement dans un véhicule automobile électrique.

[0006] Un système d’alimentation tel que représenté figure 1 comprend une batterie 10 connectée via un bus de tension continue, dit bus DC, non représenté, à un onduleur triphasé 15 de l’art antérieur, composé de trois bras A, B, C, référencés respectivement 11, 12 et 13, d’interrupteurs commandés Sa, Sa, Sb, Sb, Sc, Sc, généralement des bras 11-13 constitués chacun de deux transistors bipolaires à grille isolée, mieux connus sous le nom WIGBT pour Insulated Gate Bipolar Transistor.

[0007] Cet onduleur 15 est connecté en sortie à une machine électrique 14, représentée figure 1 selon un schéma électrique équivalent RL étoile triphasé équilibré.

[0008] Afin de commander l’onduleur 15, la littérature scientifique a décrit de nombreuses techniques, mais l’une des techniques les plus populaires est la méthode dite de modulation de largeur d’impulsion, MLI, notamment l’injection d’harmonique de rang trois, ou via la création de méthodes à modulations vectorielles dont la plus connue est la méthode du vecteur spatial, abrégé S VM pour Space Vector Modulation.

[0009] Cependant, quelle que soit la commande employée, la commande des onduleurs par modulation de largeur d’impulsion présente deux problèmes principaux :

[0010] - elle limite l’exploitation du bus continue haute tension, dit DC HV, par l’onduleur à environ 57.7% car l’amplitude des tensions simples dans la g machine ne peuvent pas dépasser , avec EDC l’énergie du bus continue ; et

[0011] - l’opération de commutation des onduleurs 15 se caractérise par des pertes énergétiques supplémentaires dans l’onduleur 15 et dans la machine électrique 14 de traction qui peuvent être améliorées.

[0012] Des techniques de modulation de largeur d’impulsion plus avancées permettent toutefois d’aller jusqu’au maximum théorique d’environ 63.7% d’exploitation du bus DC HV, et l’amplitude des tensions simples J H • î peut aller jusqu

[0013] C’est la raison pour laquelle un objectif général est d’améliorer la commande des onduleurs, et plus particulièrement des commandes par MLI, de sorte à réaliser une commande optimisée et réduisant les pertes énergétiques.

[0014] Afin d’améliorer cette situation préexistante, de nouvelles méthodes de commandes ont été développées nommées MLI hors-ligne.

[0015] Ces commandes de modulation de largeur d’impulsions, tirant partie des puissances de calcul et de stockage en permanente évolution, ont pour principe de base de précalculer les angles de commutation pour chaque interrupteur de puissance, à l’échelle d’une période fondamentale de la tension à réaliser.

[0016] Ce calcul est réalisé de manière à minimiser une fonction-objectif choisie et ce sur une grande quantité de tensions à réaliser différentes.

[0017] Ces angles précalculés sont alors stockés dans des tables mémorisées et accédées en temps-réel lors de la commande de l’onduleur.

[0018] Afin de simplifier les calculs, ces méthodes hors-lignes procèdent à des simplifications de symétrie du signal en se basant uniquement sur le fondamental des signaux.

[0019] Ces simplifications sont basées sur la symétrie des bras de l’onduleur et se nomment : symétrie quart d’onde, anglais Quarter Wave Symmetry, QWS, pour) ; symétrie demi onde, en anglais Half Wave Symmetry, HWS et la symétrie plein onde, en anglais Full Wave Symmetry, FWS, dans laquelle le calcul est réalisé pour toute la période du signal.

[0020] A titre d’exemple en référence à la figure 2 ; on cherche à ne pas calculer les angles pour chaque IGBT de l’onduleur mais seulement pour une portion d’entre eux afin d’alléger les calculs :

[0021] - Pour la QWS, tel que représenté figure 3a, on ne calcule que les angles pour une première phase Sa, et seulement entre [0, n/2].

[0022] - Pour la HWS, tel que représenté figure 3b, on étend la zone de calcul entre [0, n] et

[0023] - Pour la FWSn tel que représenté figure 3c, la zone s’étend pour toute la période [0, 2n].

[0024] À partir de ces calculs il est aisé de déterminer les positions de chaque interrupteur, sur une période de [0 ; 2n] grâce aux diverses symétries qui existent dans l’onduleur 15.

[0025] L’avantage de réduire l’espace de travail permet de grandement accélérer les calculs, car il y a beaucoup moins de variables de décisions et les calculs sont plus simples.

[0026] On notera alors que dans ce type de méthode, la question n’est plus de calculer sur des commutations de période prédéfinie, mais bien de travailler sur l’état des IGBT de l’onduleur, maintenus dans des états ouverts/ fermés sur des périodes de temps pouvant varier au cours de la période.

[0027] En outre, dans le cadre d’un réseau triphasé, le calcul pour une phase est appliqué aux deux autres phases, prenant en compte le déphasage de n/3 entre les phases d’un réseau triphasé équilibré.

[0028] Toutefois il existe le besoin d’une méthode améliorant encore ces méthodes existantes.

[0029] A cet effet, on propose un procédé de commande d’un onduleur triphasé comprenant une pluralité d’interrupteurs commandés, le procédé de commande comprenant :

[0030] - L’obtention d’un vecteur de tension de référence ;

[0031] - La fourniture d’une table d’angles de commutation précalculés pour une pluralité de vecteurs de tension de référence, de sorte à minimiser une fonction-objectif prédéterminée en fonction de chaque vecteur de tension de référence sur une période du fondamental du vecteur de tension de référence ;

[0032] - Une étape d’acquisition des angles de commutation des interrupteurs commandés précalculés dans ladite table fournie en fonction dudit vecteur de tension de référence ; et

[0033] - Une étape de commande de la commutation des interrupteurs commandés de l’onduleur en fonction des angles de commutation acquis.

[0034] Ainsi, on peut obtenir un signal de commutation des interrupteurs commandés de l’onduleur optimisé, sans effectuer de calcul simplifié par symétrie ou par simplification entre phase. Le procédé selon l’invention permet de tenir compte à la fois de l’effet des trois phases entre elles, notamment en ce qui concerne les harmoniques de rang trois, et permet d’optimiser le signal de commutation sur une période complète.

[0035] En particulier, l’obtention du vecteur de tension de référence comprend la réception d’une tension de consigne à réaliser ; et le calcul d’un vecteur de tension de référence en fonction de ladite tension de consigne.

[0036] En particulier, la tension de référence est un vecteur de tension pour une commande vectorielle par modulation de largeur d’impulsion.

[0037] L’invention concerne aussi un procédé de calcul d’une table d’angles de commutation des interrupteurs commandés d’un onduleur triphasé comprenant :

[0038] - La définition d’une pluralité de vecteurs de tension de référence, [0039] - La définition d’une fonction-objectif à minimiser ;

[0040] - Pour chaque vecteur de tension de référence, le calcul des angles de commutations des interrupteurs commandés minimisant ladite fonction- objectif sur une période fondamentale ; et

[0041] - L’enregistrement desdits angles de commutation calculés sous forme de table permettant d’accéder en fonction d’un vecteur de tension de référence aux angles de commutation précalculés.

[0042] Ainsi, on peut pré-calculer des signaux de commutation des interrupteurs commandés de l’onduleur, sans avoir à réaliser de simplification par symétrie ou de simplification entre phases. Le procédé selon l’invention permet ainsi de tenir compte à la fois de l’effet des trois phases entre elles, notamment en ce qui concerne les harmoniques de rang trois, et permet d’optimiser le signal de commutation sur une période complète. [0043] Avantageusement et de manière non limitative, ladite fonction-objectif est une fonction de réduction du taux de distorsion harmonique de la tension de sortie. Ainsi, on peut obtenir une tension de sortie de l’onduleur relativement optimisée pour le fonctionnement notamment d’un véhicule automobile.

[0044] Avantageusement et de manière non limitative, le calcul des angles de commutation est réalisé pour mettre en œuvre une modulation de largeur d’impulsion par méthode du vecteur spatial, en fonction du vecteur de référence sur une période du fondamental de la tension de référence et minimisant ladite fonction-objectif. Ceci permet de mettre en œuvre une commande performante de l’onduleur de manière relativement optimisée.

[0045] L’invention concerne aussi un dispositif de commande d’un onduleur triphasé comprenant une pluralité d’interrupteurs commandés, le dispositif comprenant :

[0046] - Des moyens d’obtention d’un vecteur de tension de référence ;

[0047] - Des moyens de fourniture d’une table d’angles de commutation précalculés pour une pluralité de vecteurs de tension de référence, de sorte à minimiser une fonction-objectif prédéterminée en fonction de chaque vecteur de tension de référence sur une période du fondamental du vecteur de tension de référence ;

[0048] - Des moyens d’acquisition des angles de commutation des interrupteurs commandés précalculés dans ladite table fournie ; et

[0049] - Des moyens de commande de la commutation des interrupteurs commandés de l’onduleur en fonction des angles de commutation acquis.

[0050] Le dispositif de commande peut comprendre un calculateur embarqué dans un véhicule automobile, comprenant un processeur, un DSP, ou tout type de calculateur connu, des moyens d’entrée-sortie pour permettre la communication entre le processeur et la mémoire stockant la table précalculée, et le processeur comprenant des moyens d’entrée-sortie pour actionner les interrupteurs commandés de l’onduleur.

[0051] On propose aussi un dispositif de calcul d’une table d’angles de commutation des interrupteurs commandés d’un onduleur triphasé comprenant :

[0052] - Des moyens de définition d’une pluralité de vecteurs de tension de référence,

[0053] - Des moyens de définition d’une fonction-objectif à minimiser ;

[0054] - Des moyens de calcul pour chaque vecteur de tension de référence, des angles de commutations des interrupteurs commandés minimisant ladite fonction-objectif sur une période fondamentale ; et

[0055] - Des moyens d’enregistrement desdits angles de commutation calculés sous forme de table permettant d’accéder en fonction d’un vecteur de tension de référence aux angles de commutation précalculés.

[0056] Le dispositif peut être notamment un ordinateur de calcul comprenant un processeur, une mémoire vive et une mémoire de stockage pour enregistrer la table pré-calculée.

[0057] L’invention concerne aussi une mémoire de stockage comprenant une table d’angles de commutation des interrupteurs d’un onduleur triphasé obtenue par le procédé tel que décrit précédemment. Cette mémoire de stockage peut notamment être une mémoire flash, telle qu’une mémoire SSD, un disque dur à tête de lecture, mais aussi un support de stockage de masse tel qu’un disque laser (CD-Rom, DVD, Blu-ray etc.), ou tout autre support de stockage connu.

[0058] L’invention concerne aussi un ensemble électrique d’un véhicule automobile comprenant une batterie d’accumulateurs électriques, un bus de tension continue, un onduleur triphasé, une machine électrique et un dispositif de commande de l’onduleur tel que décrit précédemment.

[0059] On propose aussi un véhicule automobile comprenant un ensemble électrique tel que décrit précédemment.

[0060] D’autres particularités et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d’un mode de réalisation particulier de l’invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :

[0061] [Fig. 1] est un ensemble électrique selon l’invention ;

[0062] [Fig. 2] est une vue schématique de la méthode du vecteur spatial pour une commande par modulation de largeur d’impulsion d’un onduleur triphasé ;

[0063] [Fig. 3a] est une vue schématique des symétries quart d’onde appliquées pour calculer une modulation de largeur d’impulsion sur une phase ;

[0064] [Fig. 3b] est une vue schématique des symétries demi-onde appliquées pour calculer une modulation de largeur d’impulsion sur une phase ;

[0065] [Fig. 3c] est une vue schématique du calcul d’une modulation de largeur d’impulsion sur une phase pour une période complète;

[0066] [Fig. 4] est un organigramme du procédé de commande selon l’invention ;

[0067] [Fig. 5] est un organigramme du procédé de calcul d’une table d’angles de commutation selon l’invention ;

[0068] [Fig. 6a] est un schéma comparant le procédé de commande selon l’invention à un procédé de MLI hors-ligne de l’art antérieur ;

[0069] [Fig. 6b] est un autre schéma comparant le procédé de commande selon l’invention à un procédé de MLI hors-ligne de l’art antérieur.

[0070] L’invention dans le mode de réalisation décrit vise à commander un onduleur triphasé 15, destiné à fournir une tension alternative de commande à une machine électrique 14 pour un véhicule automobile électrique ou hybride.

[0071] Cet onduleur 15 est connecté à une batterie d’accumulateurs électriques 10 fournissant une tension continue via un bus d’alimentation, dit bus continu ou bus DC, donc la tension continue est généralement notée EDC. L’onduleur est commandé par un micro-contrôleur 18 dont les instructions sont mémorisées dans une mémoire RAM19. La tension V _a N représente la tension statorique de la première phase de la machine, i _a N le courant statorique de cette premièer phase.

[0072] Selon l’invention la commande de l’onduleur 15 est une commande de modulation de largeur d’impulsion, abrégé en Français MLI et plus communément selon l’abréviation anglaise P WM, selon la méthode du vecteur spatial, dit SVM, pour Space Vector Modulation. On peut abréger globalement la commande sous le nom de SVP WM, pour Space Vector Pulse Width Modulation.

[0073] Cette méthode est bien connue de l’homme du métier. On en rappellera toutefois ci-après les grands principes.

[0074] Afin de commander les tensions alternatives d’un réseau électrique triphasé à réaliser pour une machine électrique 14, partant d’une tension de bus continue EDC, on souhaite simplifier le calcul de la commutation des interrupteurs commandés, en rapportant le problème qui se situe en dimension 3, pour les 3 phases à calculer, sur un problème à deux dimensions.

[0075] A cet effet, on convertit la tension à réaliser Vcommande en un vecteur de tension Vref.

[0076] Cette conversion est bien connue de l’homme du métier et est obtenue par le calcul d’une transformée de Clarke ou de Concordia, que nous ne rappellerons pas ici.

[0077] Ce vecteur de référence Vref est un vecteur inscrit dans un cercle de rayon correspondant à la tension maximale EDC, aussi référencée V _re f Max sur la figure 2. Il est toutefois prouvé qu’en condition normale et sans sur-modulation, la norme du vecteur de référence Vref ne peut excéder - = Ce cercle est divisé en 6 secteurs, divisés par 6 vecteurs d’états Vo à Ve, correspondant chacun à un état de commutation de chaque bras de l’onduleur. Deux vecteurs d’états supplémentaires Vo et V? sont les états de roue-libre, pour lesquels aucune tension n’est réalisée par l’onduleur. L’objectif de la modulation de largeur d’impulsion est classiquement d’alterner les vecteurs d’états pour arriver à réaliser en valeur moyenne la tension de référence Vref.

[0078] Ainsi on obtient le tableau suivant :

[0079]

[0080] ou A, B et C représentent chacun un bras de l’onduleur ;

[0081] S _a ,Sb,S _c représentent les commande du bras A, B, C de l’onduleur, les valeurs Sa, Sb, Sc représentant les valeurs inverses, chaque bras comprenant deux interrupteurs opposés ne pouvant être fermés en même temps ; et

[0082] les tensions composées VAB, VBC, VCA entre les phases du réseau triphasé en sortie de l’onduleur 15.

[0083] La modulation de la largeur d’impulsion comprenant dès lors le calcul de l’alternance des vecteurs d’états Vo à V? de sorte à réaliser au mieux le vecteur Vref. Sur la figure 2 V _re f se décompose en t /Ts * V2 + ti/T _s *Vi avec t2, ti respectivement les durées d’activation des vecteurs V2, Vi et T _s la période de commutation.

[0084] En fonction du secteur dans lequel se situe le vecteur de tension V _re f, on détermine la durée et l’alternance de commutation des vecteurs d’état encadrant le secteur, et des vecteurs de roue libre. La séquence de commutation choisie permet ainsi de régler l’angle a de la tension résultante en sortie de l’onduleur.

[0085] Toutefois, il n’existe pas de commande idéale permettant à la fois d’obtenir une annulation totale des harmoniques dans la tension de sortie réalisée et une minimisation optimale des pertes d’énergies dues aux commutations des interrupteurs.

[0086] C’est pourquoi, il existe de nombreuses façons de réaliser la commutation dans le temps des interrupteurs commandés pour réaliser la tension Vref.

[0087] Dans le mode de réalisation principal de l’invention, on procède de manière préalable, autrement dit de manière hors-ligne, au calcul d’une table d’angles de commutations en fonction du vecteur de tension Vref, pour une période complète de la tension fondamentale à réaliser.

[0088] Autrement dit on ne considère dans notre pré-calcul que la fréquence fondamentale de la tension de commande, sur sa période complète et pour les trois phases ensembles.

[0089] Ainsi, on peut optimiser notre calcul en tenant compte des trois phases conjointes, de l’impact que ceci peut avoir sur les harmoniques de rang 3 notamment, et non en réalisant une simplification sur une seule phase.

[0090] Autrement dit on pré-calcule et on stocke les angles de commutation en fonction du vecteur de tension Vref calculé, sans tenir compte de quelque symétrie que ce soit.

[0091] Ainsi, on peut calculer des angles de commutation optimisés pour toute la période fondamentale d’une tension de commande, et ne pas être contraint par une fréquence de commutation imposée, puisque le calcul est réalisé sur une période complète.

[0092] Cette méthode permet ainsi d’optimiser les signaux de commutation en fonction de la fonction-objectif déterminée.

[0093] Pour ce faire on met en œuvre procédé de calcul 200 d’une table d’angles de commutation en fonction d’une tension Vref à réaliser, tel que représenté figure 5.

[0094] A cet effet, on définit 201 dans un premier temps une plage de tension de référence Vref à réaliser pour lesquelles on va pré-calculer ces angles de commutation. La plage de tension réalisable s’étendant entre 0V et -^, le pas de tension choisi entre deux tensions consécutives est de 0,001 EDC-

[0095] Ensuite on définit 202 une fonction-objectif f(x) à minimiser.

[0096] Dans cet exemple de réalisation, la fonction-objectif à réaliser est une fonction minimisant le taux de distorsion harmonique de la tension réalisée.

[0097] Une telle fonction-objectif peut être formulée de manière générale comme suit :

[0099] Avec V _aN est le fondamental d’une tension que l’on peut définir comme V _aN = mE _DC , où m est l’indice de modulation et Ea _c la tension du bus continu ;

[0100]

[0101] n représente le rang des diverses harmoniques et V _n est l’amplitude de tension pour l’harmonique de rang n. [0102] Cette fonction-objectif de réduction de la distorsion harmonique dépend des angles de commutation des tensions de phase à réaliser et qu’on cherche à obtenir. Cette fonction-objectif est donc ensuite décomposée par une série de Fourier pour chaque bras de l’onduleur comme suit, ce qui fait apparaître ces angles de commutation à obtenir :

[0106] On a donc ao ws la valeur moyenne du signal et la racine carrée de a ² _n ,Fws + b ² _n ,Fws donne l’amplitude Vn de la n ^ieme harmonique.

[0107] Le problème de minimisation de cette fonction objectif comprend par ailleurs des contraintes que nous appliquons pour les trois bras afin de s’assurer du fonctionnement correct de l’onduleur :

[0108] [Math 2]

[0111] x est le vecteur de variable de décision contenant les angles de commutations pour chaque bras a,b,c à un instant de commutation k, de l’onduleur tel qu’exposé précédemment. Donc x _a est un vecteur d’angles de commutation x _a ,k pour la première phase, Xb est un vecteur d’angles de commutation Xb,k pour la deuxième phase et x _c est un vecteur d’angles de commutation x _c ,k pour la troisième phase (la notation x ayant remplacé la notation a pour coller à la description habituelle de la fonction objectif).

[0112] N est le nombre de commutations par quart de période désirée pour une période de la tension à réaliser ;

[0113]

[0114] m est l’indice de modulation ;

[0115] dx _min désigne l’écart d’angle minimal entre deux angles de commutation successifs ;

[0116] l _b = dx _min est par conséquent un intervalle minimal de temps avant une première commutation en début de période et u _b = 2n — dx _min un intervalle minimal de temps avant une première commutation en fin de période ;

[0117] Dans l’ensemble d’équations [Math 2], les trois premières contraintes sont des inégalités qui signifient que l’écart entre les angles de commutation doit respecter un certain minimum de temps, permettant notamment d’éviter de potentielles surtensions délétères pour l’onduleur.

[0118] Les six contraintes suivantes permettent de définir que les angles de commutation doivent être maintenus dans certains intervalles, selon la stratégie choisie. Enfin, les dernières contraintes sont là pour assurer la réalisation de la commande.

[0119] Nous mettons en œuvre une étape de calcul 204 permettant conformément à ce qui est exposé ci-dessus de calculer les différents angles de commutation optimisés pour tous les vecteurs de tension Vref que nous souhaitons anticiper.

[0120] A mesure que les angles sont calculés ils sont ajoutés 205 dans une table stockée en mémoire, par exemple dans une mémoire vive ou dans une mémoire de masse.

[0121] Ensuite, nous procédons à l’enregistrement 206 de cette table ainsi constituée dans une mémoire informatique, en particulier dans une mémoire flash ou tout type de disque dur.

[0122] Cette table peut ainsi fournir pour un vecteur de tension Vref donné, les angles de commutations optimisés sur une période complète de la tension fondamentale de la tension Vref. [0123] Ensuite, une fois cete table enregistrée, on peut mettre en œuvre le procédé de commande 100 de l’onduleur 15, tel que représenté figure 4.

[0124] On procède à l’acquisition 103 de la table précalculée. Ceci peut être notamment l’adressage par un processeur de la zone mémoire ou est stockée cette table de sorte à pouvoir l’interroger.

[0125] On met aussi en œuvre une étape d’obtention 102 d’un vecteur de tension de commande V _re f .

[0126] Généralement le vecteur de tension Vref est calculé par transformation d’une tension de commande Vcommande requise 101 par le système de commande de la machine électrique 14.

[0127] On met en œuvre une étape d’acquisition 104 des angles de commutation des interrupteurs commandés précalculés dans ladite table fournie, puis et on met en œuvre une étape de commande 105 de la commutation des interrupteurs commandés de l’onduleur en fonction des angles de commutation acquis.

[0128] Ces étapes de commandes peuvent ensuite être répétées pendant toute la période d’activation de la machine électrique 14 de sorte à s’assurer de fournir en permanence une tension en sortie de l’onduleur 15 optimisée.

[0129] Afin d’être particulièrement performant, la table précalculée est stockée dans une mémoire vive, dite mémoire RAM, afin de pouvoir fournir de manière très rapide les angles de commutations pour une période de la tension à réaliser en temps réel. Ceci permet d’obtenir une commande rapide et optimisée de l’onduleur.

[0130] La fonction-objectif est ici indiquée comme une fonction minimisant le taux de distorsion harmonique.

[0131] Comme on le voit figures 6a et 6b, on montre que de manière expérimentale, la méthode selon l’invention fournit, en référence aux courbes 81 et 83, un taux de distorsion harmonique toujours inférieur ou égal à la méthode de calcul d’une MLI hors-ligne en onde pleine de l’art antérieur, respectivement courbes 82 et 84, et ce quel que soit le nombre de commutations N pris par période et quel que soit l’indice de modulation dans une plage de ]0, 0.65],

[0132] Dans le cadre d’un véhicule automobile, la réduction du taux de distorsion harmonique est la fonction-objectif préférée, car elle vise à réduire les pertes énergétiques. D’autres fonctions objectif peuvent toutefois être mises en œuvre, par exemple une augmentation du rendement, ou encore la diminution du rayonnement électromagnétique de façon à améliorer la compatibilité électromagnétique.