Brevet FR2749044A1 — publié le 19971128

La présente invention a trait d'une façon générale aux dispositifs de chauffage de l'eau de refroidissement des moteurs thermiques de véhicules notamment automobiles. Il est bien connu que la mise en température d'un moteur thermique au démarrage du véhicule doit se faire aussi rapidement que possible. Ceci est vrai en particulier pour les moteurs diésel à injection directe, dont les performances, le degré de pollution et le bruit de fonctionnement sont sensiblement affectés par une température de fonctionnement trop basse. En outre, en accélérant la montée en température du moteur, on chauffe l'habitacle du véhicule plus rapidement, au bénéfice du confort des occupants. Il est déjà connu de recourir à des moyens de chauffage du liquide de refroidissement après le démarrage du véhicule, en vue d'atteindre les objectifs précités. Plus précisément, il est connu d'interposer sur le trajet du liquide de refroidissement un ou plusieurs dispositifs de chauffage tels que des brûleurs, réchauffant le liquide de refroidissement. Par ailleurs, comme autre type de moyen de chauffage, il peut venir à l'esprit de l'homme du métier le chauffage par effet Joule à l'aide de résistances. Toutefois, le fait de recourir à une telle solution impliquerait un risque élevé de surcharge de l'alternateur pendant la montée en température, avec en conséquence l'impossibilité de maintenir la tension du réseau de bord du véhicule à un niveau suffisant, ainsi qu'un risque de surcharge des diodes de puissance du pont redresseur de l'alternateur diminuant sa durée de vie. La présente invention vise à pallier toutes ces limitations de l'état de la technique, et à proposer une combinaison d'un alternateur et d'un dispositif de chauffage de l'eau de refroidissement dans lequel le dispositif de chauffage soit un dispositif électrique alimenté par l'alternateur du véhicule, mais qui ne risque pas de surcharger l'alternateur et en particulier son pont redresseur. Un autre objet de l'invention est d'adapter étroitement la puissance électrique dissipée dans le dispositif de chauffage à la puissance que l'alternateur est effectivement capable de fournir à un instant donné. Ainsi la présente invention propose, selon un premier aspect, une combinaison d'un alternateur et d'un dispositif de chauffage du liquide de refroidissement d'un moteur thermique, dans un véhicule notamment automobile, l'alternateur délivrant une tension alternative appliquée à un pont redresseur, caractérisée en ce que le dispositif de chauffage comprend au moins une résistance électrique interposée dans le circuit du liquide de refroidissement et alimentée par l'alternateur, et en ce que la ou les résistances sont alimentées par ladite tension alternative. L'invention propose également un alternateur pour véhicule notamment automobile, comprenant un ensemble stator/rotor délivrant en sortie une tension alternative, un pont redresseur relié à ladite sortie de l'ensemble stator/rotor et délivrant en sortie une tension continue, et un dispositif de régulation de la tension de sortie de l'alternateur, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins une borne de sortie de tension alternative pour un consommateur de puissance du véhicule, des moyens de commutation commandés prévus entre la sortie de l'ensemble stator/rotor et la ou lesdites bornes de sortie, et des moyens de commandes pour assurer la commutation cyclique desdits moyens de commutation commandés en fonction de la charge effective de l'alternateur au niveau de sa sortie de tension continue. Des aspects préférés, mais non limitatifs, de la présente invention sont les suivants - l'alternateur est polyphasé, et il est prévu autant de résistances électriques que de phases de l'alternateur. - l'alternateur est refroidi par ledit liquide de refroidissement, et la ou les résistances sont disposées dans la partie du circuit de liquide de refroidissement intégrée à l'alternateur. - il est prévu entre la sortie de tension alternative de l'alternateur et la ou les résistances des moyens de commutation commandés. - les moyens de commutation commandés comprennent autant d'organes de commutation individuels que de phases de l'alternateur. - il est prévu un circuit de commande recevant en entrée un signal électrique représentatif du taux d'excitation de l'alternateur et délivrant en sortie un signal de commande desdits moyens de commutation commandés. - ledit circuit de commande délivre en sortie un signal impulsionnel de commande de fermeture des moyens de commutation commandés dont la largeur des impulsions est d'autant plus grande que le taux d'excitation est faible. - ledit signal de sortie du circuit de commande est un signal à rapport cyclique variable, obtenu par inversion logique dudit signal représentatif du taux d'excitation de l'alternateur, également à rapport cyclique variable. D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante d'une forme de réalisation préférée de celle-ci, donnée à titre d'exemple et faite en référence au dessin annexé, sur lequel la figure 1 est un schéma-bloc d'une combinaison alternateur/dispositif de chauffage selon la présente invention, la figure 2 est un circuit détaillé de moyens de commutation commandés prévus dans la combinaison de la figure 1, les figures 3a et 3b illustrent schématiquement deux agencements de résistances de chauffage du dispositif de chauffage de la figure 1, et la figure 4 est un chronogramme illustrant deux signaux utilisés dans le schéma-bloc de la figure 1. En référence tout d'abord à la figure 1, on a représenté un alternateur de véhicule automobile, globalement désigné par la référence ALT, comportant de façon classique un rotor et un stator délivrant une tension alternative, en l'espèce triphasée, sur trois bornes de phases Pi, P2, P3. De façon classique, ces trois phases sont appliquées à l'entrée d'un pont redresseur à semi-conducteurs, de type actif ou passif, globalement désigné par la référence PR. Ce pont délivre en sortie une tension continue Ualt destinée à recharger la batterie du véhicule et à alimenter les divers éléments du réseau électrique de bord. L'alternateur ALT comporte classiquement un circuit de régulation de la tension de sortie Ualt, destiné à adapter l'excitation de l'alternateur pour maintenir ladite tension Ualt à une valeur souhaitée. Ce circuit régulateur REG fait appel à un signal d'excitation cyclique de fréquence fixe ou variable, noté DF, qui commande un interrupteur de puissance monté en série avec l'enroulement d'excitation du rotor pour effectuer la régulation par contrôle de la valeur du courant d 'excitation. Ce signal DF, représentatif du taux de charge de l'alternateur, est disponible sur une borne de sortie du circuit REG. Dans le présent exemple, il s'agit d'un signal logique à deux niveaux à rapport cyclique variable, la charge de l'alternateur, c'est-à-dire la puissance consommée par les organes électriques alimentés par la tension Ualt, étant d'autant plus importante que le rapport cyclique est élevé. Il est également prévu des moyens de commutation commandés, désignés globalement par la référence 20, qui sont branchés entre les trois phases Pi, P2, P3 du stator de l'alternateur et un organe consommateur électrique du véhicule, en l'espèce un ensemble d'éléments résistifs chauffants interposés sur le trajet du liquide de refroidissement du véhicule. Cet ensemble d'éléments chauffants est désigné par la référence 30. Les moyens de commutation commandés, de préférence à semi-conducteurs, sont assujettis à un circuit de commande 10 destiné à contrôler la puissance électrique dissipée dans les éléments 30, et qui reçoit le signal DF. Ce circuit 10 est destiné à contrôler l'ouverture et la fermeture des moyens de commutation 20 en fonction du signal DF, et donc de la puissance supplémentaire que l'alternateur est capable de délivrer, comme on va le voir plus en détail dans la suite. En référence maintenant à la figure 2, on a représenté en détail un exemple de réalisation des circuits 10 et 20. Le circuit 10 reçoit sur une borne d'entrée S8 le signal logique DF, qui est appliqué sur une entrée de ICi. Le circuit de commande 10 comprend un circuit intégré ICl de type classique (par exemple connu sous la référence IR2117, IR2118, L6380 auprès du fabricant ST.... à préciser), associé de façon conventionnelle à une diode rapide D4 et à un condensateur Cl pour la fonction de pompe de charge. Le circuit IC1 fonctionne en porte inverseuse logique, de telle manière que le rapport cyclique de son signal de sortie est d'autant plus faible que le rapport cyclique du signal d'entrée DF est élevé. On trouve également en association avec le circuit ICl un pont diviseur résistif R4, R5 branché entre une tension d'alimentation continue disponible sur la borne S7 et la masse, et un condensateur C2 branché entre la sortie du circuit ICl et le point milieu du pont diviseur, ceci afin de limiter la valeur maximale de la tension du signal de sortie G et de ralentir les temps de montée et de descente de ce signal. De façon avantageuse, le circuit de commande 10 comporte également une entrée pour un signal Prot constituant un signal de sécurité destiné à interrompre l'alimentation électrique du dispositif de chauffage dès qu'un incident est détecté dans le véhicule. Un tel incident peut par exemple consister en un manque de liquide de refroidissemnt (défaillance de la pompe à eau), en une mise en court-circuit d'une ou plusieurs des éléments chauffants, etc... La sortie du circuit 10 attaque les entrées de commande de trois interrupteurs à semi-conducteurs, globalement désignés par K1, K2, K3 et construits par exemple autour de transistors Métal-Oxyde-Semiconducteur à effet de champ (MOSFET), notés Q1, Q2 et Q3. Plus précisément, la sortie (signal G) du circuit ICl attaque les grilles de ces transistors via trois résistances Ri, R2 et R3. A chaque transistor est associée une diode zéner, respectivement D1, D2, D3, destinée à éviter de soumettre le transistor à une tension grille-source excessive lors des variations du potentiel de source. On observera ici que les résistances Ri à R3 ont pour objet d'une part de limiter le courant dans les diodes zéner respectives D1 à D3 lorsque celles-ci entrent en action, et d'autre part de ne pas faire saturer la pompe de charge faisant partie du circuit ICl, et donc de ne pas faire chûter la tension de commande délivrée par ce circuit. Par ailleurs, ces résistances, en freinant l'appel de courant lors de la mise en conduction des transistors Q1 à Q3, permettent d'obtenir des fronts de commutation suffisamment lents pour ne pas créer de perturbations électromagnétiques, en complément de l'action effectuée par les composants R4, R5 et C2. Afin de limiter au maximum les pertes thermiques dans les transistors, on utilise de préférence des MOSFET à canal-N à enrichissement. Les drains des transistors Q1 à Q3 sont reliés respectivement, via les bornes d'entrée S1, S2, S3 aux phases Pi à P3 du stator de l'alternateur. Les sources des transistors sont reliées respectivement, via les bornes de sortie Dll, D22, D33, à trois bornes El, E2, E3 de l'ensemble d'éléments chauffants que l'on va décrire en détail ci-dessous. Dans la forme de réalisation de la figure 3a, cet ensemble 30 comprend trois résistances de chauffage 31, 32, 33 branchées en étoile entre les bornes El à E3 et un point commun. Dans la forme de réalisation de la figure 3b les trois résistances 31 à 33 sont branchées en triangle. D'autres configurations de résistances pourraient bien entendu être envisagées. Les résistances sont agencées pour être en contact direct ou indirect avec le liquide de refroidissement. Elles sont par exemple du type à fil bobiné ou en un matériau à coefficient de température positif (CTP). De préférence, pour donner au dispositif de chauffage une efficacité satisfaisante, les valeurs ohmiques des résistances Ri à R3 sont choisies de manière à dissiper collectivement une puissance de l'ordre de 800 à 2000 W. On observera ici qu'avantageusement, pour éviter de perturber les tensions de phases appliquées au pont redresseur, les circuits 20 et 30 ne sont à aucun endroit reliés à la masse. En référence à la figure 4, on a représenté l'allure du signal d'excitation DF à rapport cyclique variable, et l'allure du courant circulant dans les résistances 31 à 33, qui est (au temps de montée et de descente près), soit nul, soit égal à une valeur Imax, selon l'état ouvert ou fermé des moyens de commutation Ql à Q3. On observe qu'aux temps de montée et de descente près, ces deux signaux sont les inverses l'un de l'autre du point de vue logique, grâce à l'inversion logique réalisée par le circuit ICi. On comprend donc que plus l'alternateur est chargé par les éléments alimentés par la tension continue Ualt (rapport cyclique de DF élevé), plus la puissance dissipée dans les résistances est faible. La combinaison décrite ci-dessus présente deux avantages essentiels. Tout d'abord, en prenant l'énergie électrique pour les éléments chauffants 30 directement sur les phases de l'alternateur, on contourne le pont redresseur et l'on évite toute surcharge de celui-ci, susceptible d'affecter sa durée de vie. On évite également les pertes par conduction dans le pont redresseur, typiquement de l'ordre de 15%. En outre, du fait que la puissance dissipée dans les résistances est ajustée à la puissance effectivement disponible au niveau de l'alternateur, on évite toute surcharge de l'alternateur et tout risque de baisse intempestive de la tension Ualt malgré une excitation maximale, ce qui pourrait se produire en cas de mise en circuit non contrôlée des résistances 31 à 33. On observe également que le circuit 10 permet d'assurer une autorégulation de la tension Ualt à la valeur souhaitée tout en maintenant l'alternateur dans un régime de fonctionnement proche de la pleine charge, mais sans la dépasser. La combinaison alternateur/circuit de chauffage selon l'invention peut être agencée pratiquement de différentes manières. Tout d'abord, lorsque l'alternateur est du type refroidi par liquide, et comporte donc dans son corps un ou plusieurs conduits traversés par le liquide de refroidissement du moteur thermique, les résistances 31 à 33 sont avantageusement incorporées au corps de l'alternateur. Les circuits 10 et 20 sont également de façon avantageuse, montés sur l'alternateur, de préférence au voisinage du circuit de régulation REG. On réalise dans ce cas, de façon particulièrement intéressante, une combinaison alternateur/dispositif de chauffage monobloc, regroupant l'ensemble des éléments de la figure 1, et qui ne nécessite aucun câblage supplémentaire. A cet égard, l'alternateur peut également comporter des moyens de temporisation pour mettre en service le dispositif de chauffage à alimentation contrôlée pendant une durée déterminée à compter de l'entrée en rotation de l'alternateur. On notera en outre que les pertes par effet Joule dans les câbles d'alimentation dont pratiquement nulles. Dans le cas d'un alternateur refroidi par air, on place de préférence les résistances de chauffage dans le circuit du liquide de refroidissement aussi près que possible de l'alternateur, afin de diminuer la longueur des câbles d'alimentation et les pertes par effet Joule dans ceux-ci. Toutefois, il reste avantageux dans ce cas d'agencer les circuits 10 et 20 sur le corps de l'alternateur, en prévoyant de façon accessible les trois bornes de sortie Dii à D33 pour réaliser le câblage entre l'alternateur et les résistances. Dans ce cas, l'ensemble monobloc contient les éléments délimités par les traits tiretés sur la figure 1. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux formes de réalisation décrites et représentées, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante ou modification conforme à son esprit. En particulier, les moyens de chauffage du liquide de refroidissement peuvent être remplacés par tout autre dispositif utilisable notamment au démarrage du véhicule et consommant une puissance importante, à la condition qu'il puisse être alimenté directement ou indirectement par une tension alternative. REVENDICATIONS 1. Combinaison d'un alternateur (ALT) et d'un dispositif de chauffage (30) du liquide de refroidissement d'un moteur thermique, dans un véhicule notamment automobile, l'alternateur délivrant une tension alternative appliquée à un pont redresseur (PR), caractérisée en ce que le dispositif de chauffage comprend au moins une résistance électrique (31-33) interposée dans le circuit du liquide de refroidissement et alimentée par l'alternateur, et en ce que la ou les résistances sont alimentées par ladite tension alternative. 2. Combinaison selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'alternateur (ALT) est polyphasé et en ce qu'il est prévu autant de résistances électriques (31-33) que de phases de l'alternateur. 3. Combinaison selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle l'alternateur (ALT) est refroidi par ledit liquide de refroidissement, caractérisée en ce que la ou les résistances (31-33) sont disposées dans la partie du circuit de liquide de refroidissement intégrée à l'alternateur. 4. Combinaison selon lune des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'il est prévu entre la sortie de tension alternative de l'alternateur et la ou les résistances des moyens de commutation commandés (20, K1 K3). 5. Combinaison selon les revendications 2 et 4 prises en combinaison, caractérisée en ce que les moyens de commutation commandés comprennent autant d'organes de commutation individuels (K1-K3) que de phases de l'alternateur. 6. Combinaison selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisée en ce qu'elle comprend un circuit de commande (10) recevant en entrée un signal électrique (DF) représentatif du taux d'excitation de l'alternateur et délivrant en sortie un signal de commande (G) desdits moyens de commutation commandés. 7. Combinaison selon la revendication 6, caractérisée en ce que ledit circuit de commande délivre en sortie un signal impulsionnel (G) de commande de fermeture des moyens de commutation commandés dont la largeur des impulsions est d'autant plus grande que le taux d'excitation est faible. 8. Combinaison selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit signal de sortie (G) du circuit de commande est un signal à rapport cyclique variable obtenu par inversion logique dudit signal (DF) représentatif du taux d'excitation de l'alternateur, également à rapport cyclique variable. 9. Alternateur (ALT) pour véhicule notamment automobile, comprenant un ensemble stator/rotor délivrant en sortie une tension alternative, un pont redresseur (PT) relié à ladite sortie de l'ensemble stator/rotor et délivrant en sortie une tension continue, et un dispositif (REG) de régulation de la tension de sortie de l'alternateur, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins une borne de sortie de tension alternative (Dll-D33) pour un consommateur de puissance en courant alternatif (30) du véhicule, des moyens de commutation commandés (20, K1-K3) prévus entre la sortie de l'ensemble stator/rotor et la ou lesdites bornes de sortie, et des moyens de commande (10) pour assurer la commutation cyclique desdits moyens de commutation commandés en fonction de la charge effective de l'alternateur au niveau de sa sortie de tension continue. 10. Alternateur selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est polyphasé et en ce que les moyens de commutation commandés comprennent autant d'organes de commutation individuels (K1-K3) que de phases de 1 'alternateur. 11. Alternateur selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que les moyens de commande (10) reçoivent en entrée un signal électrique (DF) représentatif du taux d'excitation de l'alternateur et délivrent en sortie un signal de commande (G) desdits moyens de commutation commandés. 12. Alternateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de commande (10) délivrent en sortie un signal impulsionnel (G) de commande de fermeture des moyens de commutation commandés dont la largeur des impulsions est d'autant plus grande que le taux d'excitation est faible. 13. Alternateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit signal de sortie des moyens de commande est un signal à rapport cyclique variable obtenu par inversion logique dudit signal (DF) représentatif du taux d'excitation de l'alternateur, également à rapport cyclique variable.