Brevet FR2808629A1 — publié le 20011109

La présente invention concerne, de façon générale, les circuits d'alimentation électrique plus particulièrement destinés à équiper les véhicules automobiles. Plus précisément, l'invention concerne un circuit d'alimentation électrique de ce type, comprenant une source principale de tension continue, alimentée par une machine tournante, et au moins des première et seconde sources auxiliaires de tension continue alimentées à partir de la source principale. L'architecture de circuit électrique la plus classique et la plus répandue à ce jour est composée d'un alternateur entraîné par le moteur du véhicule et alimentant un réseau de distribution à tension unique, par exemple 14 volts, une batterie de 12 volts étant montée en tampon sur ce réseau. Les organes consommateurs d'énergie électrique s'alimentent sur ce réseau par l'intermédiaire de boîtes de distribution équipées de fusibles qui permettent de protéger le faisceau électrique en isolant tout organe consommateur d'électricité qui passe en défaut, en particulier tout organe affecté par un court-circuit. Dans une telle architecture, les organes consommateurs d'énergie électrique ne peuvent dialoguer entre eux que par l'intermédiaire d'un réseau d'information multiplexé, indépendant du réseau de distribution d'énergie électrique. La situation nouvelle que crée la croissance très rapide du nombre d'organes électriques sur les véhicules automobiles a récemment conduit certains constructeurs automobiles à envisager d'augmenter la tension délivrée par le circuit de distribution d'énergie électrique, en la passant par exemple à 42 volts au lieu de 14 volts. Dans la mesure cependant où certains organes électriques sont par construction mal adaptés à une telle augmentation de leur tension d'alimentation, et où une adaptation spécifique de ces organes conduirait à des coûts prohibitifs, l'évolution envisagée requiert a priori l'emploi d'au moins deux réseaux de distribution, délivrant l'énergie électrique à deux tensions respectives différentes. L'architecture d'un circuit d'alimentation électrique conforme à cette évolution est par exemple illustré à la figure 1. Un tel circuit comprend typiquement une machine tournante telle qu'un alternateur Ao délivrant par exemple une tension de 42 volts, cet alternateur Ao étant connecté à un redresseur formant une source principale Sp de tension continue, délivrant par exemple une tension continue Vo de 42 volts. Une première source auxiliaire Sy, délivrant une tension continue Vy de 42 volts, est directement formée par la source principale So, tamponnée par une batterie BATy de 36 volts par exemple, cette première source auxiliaire alimentant un premier réseau de distribution RDy. Une seconde source auxiliaire Sz, délivrant une tension continue Vz de 14 volts, est constituée par un convertisseur continu - continu DC/DC alimenté par la source principale So et dont la sortie est tamponnée par une batterie BATz de 12 volts par exemple, cette seconde source auxiliaire alimentant un second réseau de distribution RDz. Bien que les solutions connues répondent à certains des besoins à satisfaire, que ces solutions mettent en #uvre une tension unique comme c'est la cas de la solution classique, ou au moins deux tensions comme c'est la cas de l'architecture de la figure 1, elles ne sont pas sans poser divers problèmes. Tout d'abord, la distribution d'énergie électrique au moyen d'un circuit régulé en tension impose à chacun des organes consommateurs soit d'intégrer son propre convertisseur continu - continu, soit d'être dimensionné pour accepter le niveau de tension d'alimentation disponible. Par exemple, dans la mesure où les calculateurs fonctionnent avec des composants électroniques n'acceptant que des tensions d'alimentation basses, en général 3 volts ou 5 volts, les calculateurs doivent tous intégrer des convertisseurs continu - continu. Les lampes à filament, qui sont en revanche des organes trop nombreux et de trop faible valeur pour intégrer un tel convertisseur doivent être dimensionnées pour être alimentées en 12 volts. Or, ce dimensionnement impose le choix de filaments relativement fins, dont la durée de vie est en conséquence mal optimisée. Par ailleurs, dans la mesure où ces solutions connues sont conçues de façon telle qu'une forte variation de consommation d'énergie électrique se traduit par une variation de la tension disponible sur le réseau de distribution, les organes consommateurs d'énergie électrique doivent eux-mêmes être conçus pour pouvoir résister à ces variations, et donc satisfaire à un cahier des charges sévère qui en augmente le coût de fabrication. D'autre part encore, dans la mesure où les architectures connues sont conçues de façon telle qu'un court-circuit dans l'un quelconque des organes consommateurs d'énergie électrique pourrait, en l'absence de protection adéquate, provoquer un sur-courant dans le faisceau électrique et la destruction de ce dernier, il est indispensable de protéger le réseau de distribution par des fusibles. Enfin, dans la mesure où elles imposent l'utilisation d'étages d'entrée capacitifs qui jouent naturellement le rôle de filtres pour des signaux haute fréquence, ces architectures ne peuvent être utilisées en tant que supports physiques de systèmes de transmission d'informations par courant porteur. La présente invention se situe dans ce contexte et a pour but de proposer un circuit d'alimentation électrique pour véhicule automobile capable, par son principe même, de résoudre l'un au moins des problèmes précédemment évoqués. A cette fin, le circuit de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend un étage primaire et au moins des premier et second modules secondaires constituant respectivement les première et seconde sources auxiliaires, en ce que l'étage primaire comprend un générateur primaire de courant alternatif alimenté par la source principale, une boucle de courant dans laquelle circule le courant alternatif produit par le générateur primaire, et au moins des premier et second enroulements montés en série dans la boucle de courant et constituant des enroulements primaires respectifs de premier et second transformateurs correspondants, et en ce que chaque module secondaire comprend un enroulement secondaire du transformateur correspondant et un convertisseur courant-tension branché sur cet enroulement secondaire, ce convertisseur courant-tension étant propre à produire une tension de sortie continue à partir du courant alternatif circulant dans l'enroulement secondaire. Chaque module secondaire peut ainsi être dimensionné de façon telle que sa tension de sortie soit adaptée au type d'organes qu'alimente ce module. Le dimensionnement des organes consommateurs d'énergie électrique ne se fait donc plus sous la contrainte d'une tension d'alimentation imposée, mais doit seulement répondre au souci d'optimisation de son coût par rapport à sa fonction. D'autre part, dans la mesure où le réseau est conçu pour un courant alternatif, il ne filtre pas les signaux haute fréquence, et peut donc être utilisé comme support physique d'un système de transmission d'informations par courant porteur. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le générateur primaire de courant alternatif comprend un régulateur de courant propre à contrôler en amplitude le courant circulant dans la boucle de courant, et chaque module secondaire comprend un régulateur de tension. Grâce à l'indépendance ainsi introduite entre la charge globale du circuit et la charge individuelle des différents modules secondaires, les variations de charge d'un tel module restent sans effet sur les autres modules, dont la tension de sortie est ainsi protégée de toute variation. De plus, dans la mesure où le courant dans la boucle de courant, c'est-à-dire dans le faisceau qui parcourt le véhicule, est régulé dans l'étage primaire, le risque qu'un court-circuit dans un organe consommateur d'énergie électrique puisse provoquer un sur-courant qui ferait brûler le faisceau est radicalement écarté. Le générateur primaire de courant alternatif comprend par exemple un circuit résonnant monté en série dans la boucle de courant et entretenu en oscillations par pompage de charges électriques prélevées à une fréquence déterminée sur un circuit de stockage de charges relié à la source principale de tension continue et pouvant lui-même comprendre un ou plusieurs condensateurs. A cette fin, le générateur primaire de courant alternatif peut comprendre un pont de transistors et un circuit pilote, le pont de transistors étant relié au circuit de stockage de charges et au circuit résonnant pour transférer au circuit résonnant les charges électriques prélevées du circuit de stockage de charges, et chaque paire de transistors du pont de transistors adoptant un état de conduction cycliquement variable, commandé par un signal de sortie à la fréquence déterminée du circuit pilote. Le circuit pilote peut lui-même comprendre un convertisseur tension- fréquence, commandé par une tension de commande dépendant de la tension continue de la source principale, pour délivrer le signal de sortie à la fréquence déterminée, le régulateur de courant comprenant quant à lui une boucle de rétroaction propre à modifier la tension de commande du convertisseur tension-fréquence en fonction du courant circulant dans la boucle de courant. Dans ces conditions, le régulateur de tension avantageusement prévu dans chaque module secondaire est conçu pour pouvoir réguler en amplitude la tension de sortie continue du convertisseur courant-tension. Ce convertisseur courant-tension peut par exemple comprendre un pont redresseur branché sur l'enroulement secondaire du transformateur, et un circuit capacitif relié à l'enroulement secondaire par une liaison électrique à travers le pont redresseur, ce pont redresseur chargeant ce circuit capacitif. Dans ce cas, le régulateur de tension peut comprendre un détecteur de seuil comparant la tension de charge du circuit capacitif à une valeur de tension prédéterminée, et un moyen de commutation commandé par le détecteur de seuil pour court-circuiter sélectivement l'enroulement secondaire, et interrompre corrélativement le transfert d'énergie entre l'enroulement secondaire et le circuit capacitif, lorsque la tension de charge de ce circuit capacitif atteint la valeur de tension prédéterminée. Le circuit d'alimentation électrique suivant l'invention développe plus particulièrement ses avantages dans le cas où les premier et second transformateurs ont des rapports de transformation respectifs qui diffèrent l'un de l'autre, les différents modules secondaires pouvant ainsi alimenter des groupes plus ou moins importants d'organes consommateurs d'énergie électrique à différentes tensions. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à tire indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels - La figure 1 est un schéma représentant une architecture connue de circuit d'alimentation, cette figure ayant déjà été décrite dans le préambule ci- dessus; - La figure 2 est une vue schématique générale de la structure d'un circuit conforme à la présente invention; - La figure 3 est un schéma représentant plus particulièrement l'étage primaire d'un circuit conforme à la présente invention; et - La figure 4 est un schéma représentant plus particulièrement un module secondaire d'un circuit conforme à la présente invention. Comme le montre la figure 1, le circuit d'alimentation électrique de l'invention, qui est plus particulièrement conçu pour équiper un véhicule automobile, comprend essentiellement une source principale So de tension continue Vo, alimentée par une machine tournante telle qu'un alternateur Ao, et une pluralité de sources auxiliaires de tension, notées Sl, S2, Sn_1, et Sn, alimentées à partir de la source principale So, et délivrant des tensions continues respectives notées Vl, V2, Vn_1, et Vn pour alimenter des réseaux de distribution respectifs RD1, RD2, RDn_1, et RDn. Comme dans l'architecture illustrée à la figure 1, une des sources auxiliaires, notée Sy et délivrant une tension continue Vy, peut être directement formée par la source principale So, tamponnée par une batterie BATy, pour alimenter un premier réseau de distribution RDy. Le circuit de l'invention se distingue essentiellement en ce qu'il comprend un étage primaire 1 (figure 3) et une pluralité de modules secondaires tels que S1 et S2 (figure 2) dont chacun constitue une des sources auxiliaires. Plus précisément, l'étage primaire 1 comprend un générateur primaire de courant 10 (figures 2 et 3), qui est alimenté par la source principale So et qui délivre un courant alternatif I1, une boucle de courant BC (figures 2 et 3) dans laquelle circule le courant alternatif I1 produit par le générateur primaire 10, et une pluralité d'enroulements, tels que E11 et E12 , montés en série dans la boucle de courant BC, chaque enroulement constituant l'enroulement primaire d'un transformateur correspondant, tel que T1 et T2. Selon un second aspect spécifique de l'invention, chaque module secondaire tel que S1 et S2 comprend un enroulement, tel que E21 et E22, formant l'enroulement secondaire du transformateur correspondant T1, T2, et un convertisseur courant-tension CCV branché sur cet enroulement secondaire E21, E22, Enfin, selon un troisième aspect spécifique de l'invention, le convertisseur courant-tension CCV est propre à produire une tension de sortie continue, telle que V1 et V2, à partir du courant alternatif tel que I21 et I22 qui circule dans l'enroulement secondaire tel que E21 et E22. Comme le montre la figure 3, qui représente le mode de réalisation préféré du circuit de l'invention, le générateur primaire 10 de courant alternatif comprend un régulateur de courant 11 qui permet de contrôler en amplitude le courant I1 circulant dans la boucle de courant BC, et qui sera davantage détaillé ultérieurement. Ce générateur primaire 10 de courant alternatif comprend par ailleurs un circuit résonnant 12, un pont de transistors 13 et un circuit pilote 14, le circuit résonnant 12 étant par exemple constitué d'une capacité C12 et d'une inductance L12, montées en série dans la boucle de courant BC. Le pont de transistors 13 comprend deux paires de transistors opposés, à savoir la paire 131, 133, et la paire 132, 134. Le pont de transistors 13 est relié, par les noeuds communs aux transistors 131, 132 d'une part, et 133, 134 d'autre part, aux bornes d'un circuit de stockage de charges, par exemple constitué par un ou plusieurs condensateurs Q. Cette capacité Q est en permanence chargée à la tension Vo par la source principale de tension continue So, à laquelle elle est reliée. Le pont de transistors 13 est également relié, par les noeuds communs aux transistors 131, 134 d'une part, et 132, 133 d'autre part, à la boucle de courant BC et notamment au circuit résonnant série 12. Le circuit pilote 14 délivre un signal de sortie S14, présentant deux phases en alternance, @1 et @2, cadencées à une fréquence Fc et respectivement appliquées aux paires de transistors 131, 133, et 132, 134 pour contrôler l'état de conduction de ces paires de transistors. Pour autant que la fréquence Fc ne soit pas trop différente de la fréquence de résonance propre du circuit résonnant 12, ce dernier est ainsi entretenu en oscillations par les charges électriques que lui injecte le pont de transistors 13, à la fréquence Fc et avec une polarité alternée, en les pompant à polarité constante du circuit de stockage de charges Q. Le courant I1 qui s'installe dans la boucle BC est ainsi un courant alternatif sinusoïdal, ou pratiquement sinusoïdal, dont la fréquence peut par exemple être choisie autour de 70 kHz. Comme le comprendra aisément l'homme de l'art, le circuit résonnant 12 pourrait être simplifié par suppression de la capacité C12 et se réduire ainsi à une inductance, telle que L12, dont les oscillations seraient entretenues par commande appropriée des transistors du pont 13. Bien que plus avantageuse au plan économique, cette variante n'offre cependant que des performances techniques inférieures à celles de la solution illustrée dans la mesure où elle engendre des pertes sensibles. Comme le montre la figure 3, le circuit pilote 14 comprend un convertisseur tension- fréquence CVF commandé par une tension de commande Vc. La tension Vc, qui dépend de la tension continue Vo de la source principale So, est par ailleurs contrôlée par le régulateur de courant 11 dont le rôle est d'adapter la fréquence Fc en fonction du courant I1 circulant dans la boucle de courant BC. Plus précisément, le régulateur de courant 11 comprend une boucle de rétroaction symboliquement représentée par un convertisseur courant alternatif tension continue 111 et par un amplificateur 112 dont l'entrée de contre-réaction reçoit, de la part du convertisseur 111, une tension croissant avec l'amplitude du courant alternatif I1 circulant dans la boucle de courant BC. Grâce à cet agencement, la fréquence de pompage de charges électriques Fc est régulée pour donner à l'amplitude du courant alternatif I1 la valeur souhaitée, qui peut d'ailleurs dépendre de la demande en énergie électrique de l'ensemble du circuit. Le convertisseur courant-tension CCV de chaque module secondaire, tel que S1 ou S2 (figures 3 et 4), comprend un pont redresseur PR branché sur l'enroulement secondaire, tel que E21 ou E22 du transformateur correspondant, T1 ou T2, et un circuit capacitif K. Le circuit capacitif K est relié à l'enroulement secondaire du transformateur correspondant à travers le pont redresseur PR, qui assure la charge de ce circuit capacitif K à polarité constante. Chaque module secondaire (figure 4) comprend par ailleurs un régulateur de tension RGV dont le rôle est de réguler en amplitude la tension de sortie continue, telle que V1 ou V2, délivrée par le convertisseur courant- tension CCV. Par exemple, le régulateur de tension RGV est fonctionnellement constitué par un interrupteur J qui est commandé par un détecteur de seuil DS. Le détecteur de seuil DS a pour fonction de comparer la tension de charge du circuit capacitif K à une valeur de tension de consigne qui lui est fournie, telle que V51, et de commander l'interrupteur J de manière à relier, pour un flux d'énergie, le circuit capacitif K à l'enroulement secondaire du transformateur correspondant, à travers le pont PR, lorsque la tension de charge de ce circuit capacitif K est inférieure à la valeur de consigne VS1, et de manière à isoler, vis-à-vis du flux d'énergie, le circuit capacitif K de l'enroulement secondaire en court-circuitant ce dernier, lorsque la tension de charge de ce circuit capacitif K atteint la valeur de consigne Vsl, le pont PR étant bloquant et évitant donc la décharge du circuit capacitif K à travers l'interrupteur J fermé. Comme le comprendra aisément l'homme de l'art, l'agencement de fonctions précédemment décrit peut être mis en oeuvre par des circuits de structures diverses. En particulier, dans le cas où le pont de redressement PR est non pas formé ou pas intégralement formé de diodes, contrairement à ce qui est habituellement le cas, mais au moins partiellement constitué de deux transistors montés en série entre les bornes de l'enroulement secondaire du transformateur correspondant, de part et d'autre d'une borne du circuit capacitif K et opérant un redressement synchrone à la fréquence du courant primaire, l'interrupteur J peut être constitué de ces deux transistors, dont le basculement simultané à l'état passant remplit la fonction de fermeture de cet interrupteur J. Dans l'esprit de l'invention, les différents modules secondaires servent à alimenter diverses familles d'organes de consommation d'énergie électriques, regroupés au moins en fonction de leur technologie, de leurs besoins en énergie, et éventuellement de leur implantation dans le véhicule. A titre d'exemple, un module de 100 volts peut être prévu à l'avant du véhicule pour alimenter les lampes à décharge; un autre module de 7 volts peut être prévu à l'avant du véhicule pour alimenter les lampes à filament et les calculateurs sous capot; un troisième module de 14 volts peut être prévu dans l'habitacle du véhicule pour alimenter les organes de puissance moyenne tels que la chaîne Hi-Fi, etc. Compte tenu de cette diversité, il est en pratique utile de faire en sorte que les rapports de transformation respectifs des différents transformateurs associés aux différents modules secondaires, c'est-à-dire les rapports des nombres de spires des enroulements primaires et secondaires de ces transformateurs diffèrent les uns des autres, pour certains au moins d'entre eux. Ainsi, si les nombres de spires des enroulements primaire et secondaire du transformateur T1 associé au module S1 sont respectivement N11 et N21, et si les nombres de spires des enroulements primaire et secondaire du transformateur T2 associé au module S2 sont respectivement N12 et N22, il est par exemple fait en sorte que les rapports N11/N21 et N12/N22 diffèrent l'un de l'autre. Le circuit de l'invention, qui autorise à utiliser les câbles d'alimentation comme support physique de transmission d'informations par courant porteur, optimise de façon sensible le câblage du véhicule. En outre, par la possibilité qu'il offre de communiquer à l'étage primaire, par courant porteur, une information relative à la demande globale en énergie électrique, le circuit de l'invention ouvre la perspective de permettre une optimisation de son rendement instantané, le courant primaire pouvant alors en effet être régulé à la valeur adéquate pour délivrer exactement la puissance requise à la tension maximum, sans excès et donc sans pertes inutiles. REVENDICATIONS 1. Circuit d'alimentation électrique pour véhicule automobile, comprenant une source principale (So) de tension continue (VO), alimentée par une machine tournante (AD), et au moins des première et seconde sources auxiliaires (S1, S2) de tension continue (V1, V2) alimentées à partir de la source principale (So), caractérisé en ce qu'il comprend un étage primaire (1) et au moins des premier et second modules secondaires (S1, S2) constituant respectivement les première et seconde sources auxiliaires, en ce que l'étage primaire (1) comprend un générateur primaire (10) de courant alternatif (I1) alimenté par la source principale, une boucle de courant (BC) dans laquelle circule le courant alternatif (I1) produit par le générateur primaire (10), et au moins des premier et second enroulements (E11, E12) montés en série dans la boucle de courant (BC) et constituant des enroulements primaires respectifs de premier et second transformateurs correspondants (T1, T2), et en ce que chaque module secondaire (S1, S2) comprend un enroulement secondaire (E21, E22) du transformateur correspondant (T1, T2) et un convertisseur courant-tension (CCV) branché sur cet enroulement secondaire (E21, E22), ce convertisseur courant-tension (CCV) étant propre à produire une tension de sortie continue (V1, V2) à partir du courant alternatif (I21, I22) circulant dans l'enroulement secondaire (E21, E22)' 2. Circuit d'alimentation électrique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur primaire (10) de courant alternatif comprend un régulateur de courant (11) propre à contrôler en amplitude le courant (I1) circulant dans la boucle de courant (BC). 3. Circuit d'alimentation électrique suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le générateur primaire (10) de courant alternatif comprend un circuit résonnant (12) monté en série dans la boucle de courant (BC) et entretenu en oscillations par pompage de charges électriques prélevées à une fréquence déterminée (Fc) sur un circuit de stockage de charges (Q) relié à la source principale (Sa) de tension continue. 4. Circuit d'alimentation électrique suivant l'une quelconque des revendications précédentes combinée à la revendication 3, caractérisé en ce que le générateur primaire (10) de courant alternatif comprend un pont de transistors (13) et un circuit pilote (14), le pont de transistors (13) étant relié au circuit de stockage de charges (Q) et au circuit résonnant (12) pour transférer au circuit résonnant (12) les charges électriques prélevées du circuit de stockage de charges (Q), et chaque paire de transistors (131, 133; 132, 134) du pont de transistors (13) adoptant un état de conduction cycliquement variable, commandé par un signal de sortie (S14) du circuit pilote (14), ayant la fréquence déterminée (Fc). 5. Circuit d'alimentation électrique suivant les revendications 2 et 4, caractérisé en ce que le circuit pilote (14) comprend un convertisseur tension-fréquence (CVF), commandé par une tension de commande (Vc) dépendant de la tension continue (Vo) de la source principale (So) , pour délivrer le signal de sortie (S14) à la fréquence déterminée (Fc), et en ce que le régulateur de courant (11) comprend une boucle de rétroaction (l11, 112) propre à modifier la tension de commande (Vc) du convertisseur tension-fréquence (CVF) en fonction du courant (Il) circulant dans la boucle de courant (BC). 6. Circuit d'alimentation électrique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque module secondaire (S1. S2) comprend un régulateur de tension (RGV) propre à réguler en amplitude la tension de sortie continue (V1, V2) du convertisseur courant-tension (CCV). 7. Circuit d'alimentation électrique suivant l'une quelconque des revendications précédentes combinée à la revendication 6, caractérisé en ce que le convertisseur courant-tension (CCV) comprend un pont redresseur (PR) branché sur l'enroulement secondaire (E21, E22) du transformateur (T11 T2) , et un circuit capacitif (K) relié à l'enroulement secondaire (E21, E22) par une liaison électrique à travers le pont redresseur (PR), ce pont redresseur (PR) chargeant ce circuit capacitif (K). 8. Circuit d'alimentation électrique suivant l'une quelconque des revendications précédentes combinée à la revendication 7, caractérisé en ce que le régulateur de tension (RGV) comprend un détecteur de seuil (DS) comparant la tension de charge du circuit capacitif (K) à une valeur de tension prédéterminée (V51, V52), et un moyen de commutation (J) commandé par le détecteur de seuil (DS) pour court-circuiter sélectivement l'enroulement secondaire (E21, E22) lorsque la tension de charge du circuit capacitif (K) atteint la valeur de tension prédéterminée (V511 V52) 9. Circuit d'alimentation électrique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premier et second transformateurs (T11 T2) ont des rapports de transformation respectifs (N11/N21 ; N12/N22), qui diffèrent l'un de l'autre. 10. Circuit d'alimentation électrique suivant l'une quelconque des revendications précédentes combinée à la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit de stockage de charges (Q) comprend au moins un condensateur.