Brevet FR2782582A1 — publié le 20000225

La présente invention concerne une installation d'alimentation en tension électrique comprenant un générateur à enroulements de phase, notamment un alternateur qui peut être relié à une batterie et communique par des éléments re- dresseurs et un transformateur de tension avec des consomma- teurs électriques. Etat de la technique Pour générer l'énergie électrique nécessaire à un véhicule, on utilise actuellement, en général, des généra- teurs à griffes polaires. De tels générateurs à griffes po- laires sont des alternateurs dont le courant de sortie est redressé par un pont à diodes. Le courant redressé alimente alors les consommateurs électriques du véhicule et charge la batterie. La tension de sortie du générateur à griffes polai- res, est régulée par un régulateur de tension pour rester sensiblement constante indépendamment de la vitesse de rota- tion du générateur. L'amplitude de la tension de régulation est en général choisie pour convenir de manière optimale à la charge de la batterie. Dans les réseaux embarqués alimentant un grand nombre de consommateurs électriques, la difficulté est que la tension de 14V usuellement fournie par le générateur n'est pas suffisante pour assurer l'alimentation en énergie. Géné- ralement, le réseau embarqué est relié à des consommateurs qui nécessitent une tension supérieure à 12V ou 14V, si bien qu'il est connu d'utiliser des générateurs régulés sur une tension supérieure à 12V ou 14V. Ainsi, par exemple, le docu- ment EP 0 325 205 A2, propose de réguler le générateur d'un réseau embarqué dans un véhicule sur 48V et de déduire de cette tension élevée, la tension de réseau usuelle de 12 ou 14V à l'aide de convertisseurs de tension. Comme batterie principale de ce réseau embarqué, connu, on utilise une bat- terie à tension élevée, chargée à la tension de 48V fournie par le générateur. Les consommateurs demandant une tension d'alimentation plus faible, sont associés à des condensateurs de soutien qui stabilisent la tension convertie. La solution connue présente l'inconvénient de nécessiter comme batterie principale, non pas la batterie usuelle d'une tension nomi- nale de 12V, mais une batterie à 48V. Avantages de l'invention La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne à cet effet une installation d'alimentation en tension électrique, notamment pour réseau embarqué dans des véhicules, caractérisée en ce que la batte- rie (B) est reliée à un côté des enroulements de phase du gé- nérateur (10) et les éléments redresseurs (12) sont reliés à l'autre côté des enroulements de phase du générateur. L'installation d'alimentation en tension électri- que selon l'invention offre l'avantage d'utiliser comme bat- terie principale, une batterie de 12V usuelle et de réguler le générateur sur une tension de sortie d'environ 14V, tout en permettant de fournir au réseau embarqué, une tension plus élevée. Cela permet ainsi de réaliser un réseau embarqué tra- vaillant avec une tension plus élevée. Il est particulièrement avantageux qu'à l'arrêt du générateur, le réseau embarqué puisse recevoir une tension élevée. Pour cela, il est prévu un transformateur de tension continue qui élève la tension de la batterie. Le composant inductif utilisé pour un tel transformateur de tension conti- nue (transformateur continu/continu) est d'une manière parti- culièrement avantageuse, le générateur lui-même dont l'inductance de phase sert de bobine pour le transformateur de tension continue fonctionnant comme transformateur rele- veur de tension. Comme le réseau embarqué se branche usuellement sur la batterie, l'installation d'alimentation en tension électrique selon l'invention permet de réaliser un réseau em- barqué dans un véhicule qui se compose avantageusement d'un réseau embarqué travaillant à la tension habituelle et d'un réseau embarqué travaillant à une tension plus élevée. Pour alimenter les consommateurs électriques usuels et la batte- rie, on utilise avantageusement un autre générateur régulé sur une tension de sortie d'environ 14V. Le branchement du générateur s'adapte avantageu- sement aux exigences ou aux circonstances. De manière avantageuse, le générateur est branché en étoile pour que les inductances de phase puissent être utilisées par le transformateur de tension continue. Il est toutefois également possible de faire fonctionner le généra- teur suivant un montage en triangle comprenant alors des me- sures supplémentaires. Dans chaque cas, par un branchement ou un montage avantageux du générateur sur la batterie du réseau et les consommateurs électriques du réseau, on fournit une tension élevée par le réseau même lorsque le générateur est arrêté. Le pont redresseur du générateur peut être réalisé avantageusement de manière usuelle et dans ce cas, il faut monter un transformateur releveur de tension; le pont re- dresseur peut également comporter directement le transforma- teur releveur de tension comme composant et dans ce cas, les différents éléments redresseurs sont remplacés par des tran- sistors à effet de champ. La présente invention sera décrite ci-après dans le cas d'un générateur à griffes polaires. En principe, l'installation d'alimentation en énergie électrique selon l'invention peut utiliser n'importe quel générateur, c'est-à- dire que l'installation peut se réaliser indépendamment du nombre des inductances de phase et on peut envisager des gé- nérateurs ayant moins de trois ou plus de trois inductances de phase. D'autres avantages de l'invention sont caractéri- sés en ce que: - la batterie fait partie d'un premier réseau embarqué et les consommateurs électriques qui peuvent être reliés au trans- formateur de tension, font partie d'un second réseau embar- qué utilisant une tension significativement plus élevée que la tension nominale de la batterie, - le réseau embarqué présente une tension nominale de 12V ou une tension de charge de 14V et le réseau embarqué une ten- sion de 42V, - le réseau embarqué n'a pas de batterie propre, - le réseau embarqué comprend un générateur propre qui ali- mente la batterie et les consommateurs, - le transformateur de tension en forme de transformateur re- leveur de tension comporte un interrupteur en parallèle sur le redresseur et une diode ainsi qu'un condensateur dont le montage en série est parallèle à l'interrupteur et au re- dresseur et utilise comme bobine, les inductances de phase du générateur, - l'interrupteur entre le point étoile et la batterie est fermé aussi longtemps que la tension du générateur est in- férieure à la tension de la batterie et cet interrupteur est ouvert lorsque la tension fournie par le générateur est supérieure à la tension de la batterie, - le redresseur comprend trois éléments de commutation com- mandés, notamment des transistors à effet de champ MOS com- mandés en parallèle et assurant la fonction de l'interrupteur du transformateur releveur de tension, - le générateur est branché en triangle et le transistor n'est pas commandé lorsque l'interrupteur est fermé. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de trois exemples de réalisa- tion d'une installation d'alimentation électrique selon l'invention dans lesquels: - la figure 1 montre un premier exemple de réalisation, - la figure 2 montre un second exemple de réalisation, - la figure 3 montre un troisième exemple de réalisation. Description La figure 1 montre un premier exemple de réalisa- tion avec un générateur 10 entraîné par un moteur à combus- tion interne non représenté. Le générateur 10 fournit l'énergie électrique nécessaire à l'alimentation des consom- mateurs électriques à 42V du réseau embarqué. Le générateur est par exemple un générateur à griffes polaires à trois enroulements de phase régulé par un régulateur de tension R sur la tension de sortie souhaitée; pour cela, le courant dans l'enroulement d'excitation E est régulé comme cela est connu. De manière plus détaillée, seules sont représentées les inductances de phase Xl, X2 et X3 du générateur 10 et les résistances des enroulements de phase Rl, R2 et R3. Les ten- sions de phase portent les références UP1, UP2 et UP3. Le branchement des enroulements de phase du générateur 10 selon l'exemple de réalisation de la figure 1 est un branchement en étoile. Le point commun du branchement en étoile peut passer par l'interrupteur Si du réseau 11 embarqué à 12V. Le réseau embarqué 11 travaillant sous 12V est uniquement formé de la batterie B du réseau embarqué et d'un autre interrupteur S2 ainsi que d'un consommateur R3 utilisant 12V. Le réseau em- barqué 11 à 12V, comprend toutefois tous les consommateurs électriques utilisant une tension nominale UB1 = 12V. Le générateur 10 est suivi de manière connue, d'un pont redresseur 12 formé de six diodes D1-D6. A la place des diodes D1-D6, on peut, en théorie, également utiliser des diodes Zener. Un transformateur de tension continue 13 fonc- tionnant comme transformateur releveur, est relié au redres- seur 12 et comprend un interrupteur S, une diode D et un condensateur C. Le condensateur C, fournit la tension de ré- seau B2, haute. Cette tension est par exemple égale à 42V. La tension de réseau UP2 peut être appliquée aux consommateurs R5 par l'intermédiaire d'un interrupteur S3. Le réseau embar- qué 14 à 42V qui usuellement n'a pas besoin de batterie, se compose comme cela est représenté de manière simplifiée, uni- quement de l'interrupteur S3 et de la résistance R5, bien que en pratique ce réseau embarqué puisse comporter un grand nom- bre de consommateurs électriques, notamment des consommateurs qu'il convient d'alimenter sous une tension élevée. L'exemple de réalisation d'une alimentation élec- trique selon la figure 1, peut former un réseau embarqué en deux parties avec une partie de tension à 14V ou 12V et une autre partie de tension à 42V ou 36V. Un tel réseau embarqué permet d'alimenter les consommateurs électriques habituels sous 12V et certains consommateurs électriques sous 36V. Comme ce réseau n'utilise qu'une batterie B, à l'arrêt du gé- nérateur, il faut garantir que les consommateurs électriques du réseau embarqué 14, sont alimentés en énergie. Cette éner- gie électrique est fournie à partir de la batterie B à tra- vers le générateur 10 et à l'aide du transformateur de tension 13 en forme de transformateur releveur qui fournit la haute tension nécessaire. Pour que le transformateur de tension continue 13 (transformateur continu/continu) ne nécessite pas de compo- sants inductifs supplémentaires, on utilise les inductances de phase X1, X2 et X3 du générateur 10 comme bobine pour le transformateur releveur. C'est pourquoi, le générateur 10 est branché en étoile. A l'arrêt du générateur ou aux vitesses de rota- tion faibles, la réalisation de l'installation d'alimentation en tension électrique selon l'invention représentée à la fi- gure 1, peut fournir une tension d'alimentation au réseau à 42V aussi longtemps que le générateur ne fournit pas de puis- sance, si l'interrupteur Sl est fermé. Pour cela, le trans- formateur de tension 13 est relié à la batterie B et à la sortie du générateur, grâce à l'inductance du générateur, il peut prendre dans la batterie B, la puissance nécessaire pour alimenter le réseau embarqué correspondant au niveau de ten- sion élevée 14. L'interrupteur S du transformateur releveur 13 est nécessaire pour cela de manière connue en étant par exemple commandé par le régulateur de tension. Lorsque le gé- nérateur commence à tourner, il fournit une tension. Cette tension se combine à la tension de la batterie au point étoile SP. La puissance fournie au réseau embarqué 14 à 42V est alors en partie fournie par la batterie et en partie par le générateur. Si, lorsque la vitesse de rotation du généra- teur a augmenté, il peut assurer toute la puissance demandée par le réseau à 42V, on coupe la liaison entre la batterie B et le point étoile SP en ouvrant l'interrupteur Sl. L'interrupteur Sl peut être un interrupteur mécanique ou un interrupteur électronique. A la place de l'interrupteur S1, on peut utiliser une diode D7. Lorsque la tension aux bornes du générateur UP1, UP2, UP3 dépasse la tension nominale de la batterie, par exemple 12V, la diode se bloque. A partir de ce moment la batterie B ne fournit plus de puissance au point étoile P du générateur vers le réseau embarqué 14 à 42V. Les deux réseaux sont dans ce cas découplés par la diode D7. Lorsque la tension des phases du générateur UP1, UP2, UP3 chute parce que la vitesse de rotation du générateur chute de nouveau et fait descendre la tension en dessous de 12V, la diode D7 fournit de nouveau de l'énergie au réseau embarqué à 42V. La tension à l'entrée du transformateur 13 releveur de tension ne descend pas en dessous de la tension de la batterie, diminuée de la tension aux bornes des diodes. Cela garantit que la tension d'entrée du transformateur de tension est toujours à un niveau permettant un fonctionnement fiable de ce transformateur. Le condensateur C du transformateur de tension 13 sert usuellement à lisser la tension fournie par le transfor- mateur releveur de tension. A la place du condensateur 10, on peut également brancher en parallèle une autre batterie B1 qui n'est toutefois pas indispensable pour le fonctionnement de l'installation d'alimentation en tension. La figure 2 montre un autre exemple de réalisa- tion de l'invention présentant un meilleur rendement que l'exemple de réalisation de la figure 1, car le courant four- ni par le générateur ne passe plus par trois composants semi- conducteurs de puissance, mais seulement par deux tels compo- sants. A la différence de l'exemple de réalisation de la fi- gure 1, celui de la figure 2 n'a pas de montage séparé de redresseur et de transformateur de tension (transformateur releveur de tension), mais le redresseur et le transformateur releveur de tension, sont réunis en un seul ensemble redres- seur et releveur de tension 15. Pour cela, on remplace les trois diodes D4, D5 et D6 de l'exemple de réalisation de la figure 1 par trois éléments de commutation par exemple des transistors à effet de champ MOS, Tl, T2 et T3. Ces trois in- terrupteurs sont commandés en parallèle et assurent ainsi la même fonction que l'interrupteur S du transformateur releveur de tension 13 de la figure 1. Dans la commande commune, on arrive à un procédé de commande simple. La diode D du trans- formateur releveur de tension selon la figure 1, peut être supprimée, car les trois diodes du haut du redresseur Dl, D2 et D3 assurent cette fonction. La commande des transistors Tl, T2 et T3 peut être assurée par la partie de commande du régulateur de tension qui assure la régulation de la tension de sortie du générateur; cette commande peut également être réalisée par un autre appareil de commande du véhicule. Lorsqu'on ferme les trois interrupteurs, c'est-à- dire lorsqu'on commande les trois transistors à effet de champ MOS, Tl, T2, T3, le générateur est court-circuité. L'inductance du générateur, c'est-à-dire celle des différen- tes inductances X1, X2, X3 se charge alors d'énergie magnéti- que. Lorsqu'on ouvre de nouveau les interrupteurs, cette énergie magnétique stockée est injectée dans le réseau embar- qué 14 à 42V par les diodes de redressement D1, D2 et D3 de la partie supérieure du schéma. L'inductance du générateur fonctionne ainsi effectivement comme bobine pour le transfor- mateur releveur de tension. Les transistors à effet de champ Tl, T2, T3 peuvent également être remplacés par d'autres élé- ments de commutation permettant d'ouvrir ou de court- circuiter le générateur. La figure 3 montre un troisième exemple de réali- sation de l'invention qui se distingue uniquement du second exemple en ce que le générateur 10 n'est pas branché en étoile, mais en triangle. De plus, il y a une diode D8 entre l'interrupteur Si et le générateur 10. La commande des inter- rupteurs T1-T3 se distingue de celle de l'exemple de réalisa- tion de la figure 2. A l'aide de l'installation d'alimentation en ten- sion électrique selon la figure 3, à l'arrêt du générateur, on assure également l'alimentation du réseau à 42V à partir du réseau à 12V. Pour cela, on utilise l'inductance du géné- rateur également pour le fonctionnement du transformateur re- leveur de tension. Aussi longtemps que la batterie B alimente le transformateur releveur de tension, c'est-à-dire aussi longtemps que l'interrupteur Si est fermé et que la vitesse de rotation du générateur n'est pas suffisante pour que ce- lui-ci fournisse une tension supérieure à celle de la batte- rie, l'interrupteur T3 du pont redresseur ne doit pas être commandé. Cet interrupteur, c'est-à-dire le transistor à ef- fet de champ T3, est relié au conducteur extérieur relié à la batterie. Si, le transistor à effet de champ T3 était comman- dé, il produirait un court-circuit du côté 12V. Lorsque le générateur atteint une vitesse de rotation suffisante pour alimenter le côté à 42V, à partir du générateur, il faut ou- vrir l'interrupteur Si et couper le côté 12V du générateur. L'interrupteur T3 peut également être commandé à ce moment. La suite du fonctionnement correspond au procédé décrit à propos de l'exemple de réalisation de la figure 1. La com- mande des interrupteurs peut là encore être assurée par le régulateur de tension. Les trois exemples de réalisation de l'invention représentés aux figures 1, 2 et 3, s'utilisent par exemple dans des réseaux embarqués à deux tensions avec un réseau em- barqué 11 classique à tension nominale UB1 = 12V ayant son propre générateur 16 qui peut charger la batterie B à travers un interrupteur S4. En pratique, les consommateurs électri- ques R5 du réseau embarqué à 42V, sans batterie sont les com- mandes des électrovannes qui demandent une puissance importante. En fonctionnement habituel, le générateur 16 usuel fournissant une tension de 14V sert à charger la batte- rie et à alimenter le réseau embarqué 11, alors que le géné- rateur 10 à 42V assure l'alimentation des électrovannes. Un tel générateur suivi d'un transformateur releveur de tension, ne peut pas non plus fournir la tension nécessaire de 42V aux faibles vitesses de rotation. Mais aux vitesses de rotation élevées, le transformateur releveur n'est plus actif. La ten- sion de ralenti du générateur est alors supérieure à 42V et le générateur peut alimenter directement le réseau à 42V. Au démarrage du moteur à combustion interne, du fait du faible régime, le générateur à 42V ne fournit pas encore de tension de sortie. Comme dès avant le démarrage, il faut de l'énergie pour actionner les électrovannes, il est important que dès le départ, le réseau à 42V puisse fournir de l'énergie et que la commande des électrovannes puisse se faire directement après le démarrage. R E V E N D I C A T I ON S 1 ) Installation d'alimentation en tension électrique compre- nant un générateur à enroulements de phase, notamment un al- ternateur qui peut être relié à une batterie et communique par des éléments redresseurs et un transformateur de tension avec des consommateurs électriques, caractérisée en ce que la batterie (B) est reliée à un côté des enroulements de phase du générateur (10) et les éléments redresseurs (12) sont reliés à l'autre côté des enroulements de phase du géné- rateur (10). 2 ) Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la batterie (B) fait partie d'un premier réseau embarqué (11) et les consommateurs électriques qui peuvent être reliés au transformateur de tension, font partie d'un second réseau em- barqué (14) utilisant une tension significativement plus éle- vée que la tension nominale de la batterie (B). 3 ) Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que le réseau embarqué (11) présente une tension nominale de 12V ou une tension de charge de 14V et le réseau embarqué (14) une tension de 42V. 4 ) Installation selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que le réseau embarqué (14) n'a pas de batterie propre. ) Installation selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que le réseau embarqué (14) comprend un générateur propre (16) qui alimente la batterie (B) et les consommateurs (R4). 6 ) Installation selon la revendication 2, 1i caractérisée en ce que le transformateur de tension (13) en forme de transformateur releveur de tension comporte un interrupteur (S) en parallèle sur le redresseur (12) et une diode (D) ainsi qu'un condensa- teur (C) dont le montage en série est parallèle à l'interrupteur (S) et au redresseur (12) et utilise comme bo- bine, les inductances de phase (X1, X2, X3) du générateur (10). 7 ) Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'interrupteur (S1) entre le point étoile (SP) et la batterie (B) est fermé aussi longtemps que la tension du générateur est inférieure à la tension de la batterie et cet interrup- teur est ouvert lorsque la tension fournie par le générateur est supérieure à la tension de la batterie. 8 ) Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le redresseur (12) comprend trois éléments de commutation commandés, notamment des transistors à effet de champ MOS (T1-T3) commandés en parallèle et assurant la fonction de l'interrupteur (S) du transformateur releveur de tension. 9 ) Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que le générateur est branché en triangle et le transistor (T3) n'est pas commandé lorsque l'interrupteur (Si) est fermé.