Brevet FR2835106A1 — publié le 20030725

SYSTEME D'ALIMENATION EN ENERGIE T.CTRIQUE D'UN VEHICULE AUToMOBILE L' invention est relative à un système d'alimentation en énergie électrique d'un véhicule automobile. L'alimentation en énergie électrique d'un véhicule automobile s'effectue à l' aide d'une batterie d'accumulateurs qui est chargée par un alternateur, en général entraîné par un moteur de traction du véhicule. La plupart des véhicules automobiles disposent aujourd'hui d'une batterie délivrant une tension de 12 V et l'alternateur correspondant délivre une tension de 14 V. Etant donné qu'à bord des véhicules automobiles le nombre d'équipements consommateurs d'énergie électrique augmente, la puissance qui peut être délivrce par la batterie doit donc augmenter. En effet, il devient courant que chaque véhicule comporte un caloulateur et des commandes électriques, notamment pour le réglage des sièges, l' assistance au freinage, les suspensions, etc. La puissance d'une batterie de tension détermince (12 V) est proportionnelle à l'intensité du courant qu'elle fournit. Mais une augmentation d'intensité entraîne une augmentation de la section des câbles d'alimentation, soit un surcoût non négligeable. C'est pourquoi, pour augmenter la puissance des sources d'énergie électrique à bord des véhicules automobiles il est envisagé d'utiliser des batteries d'accumulateurs de plus grande tension, soit 36 V. Ces batteries doivent être chargées par une tension de 42 V. La tension de 36 V est suffisamment élevée pour permettre une augmentation substantielle de puissance sans augmentation d'intensité et, en outre, elle est suffisamment basse pour ne pas compromettre la sécurité des usagers. Mais dans le domaine de l'industrie automobile, o les équipements sont produits en grande série, il est difficilement envisageable, pour des raisons de coûts, de passer sans transition d'une norme à une autre. C'est pourquoi, au moins pendant une période transitoire relativement longue, il est probable qu'on continuera à utiliser des équipements alimentés en basse tension (12 V) tels que l'éclairage, le(s) calculateur(s) et des petits moteurs, et qu'on fera appel à la haute tension pour les équipements nécessitant plus de puissance, tels que le démarrage, le freinage, les suspensions, etc. En outre au cours de la période transitoire, pour les mêmes raisons de coûts, il serait préférable de pouvoir continuer à utili ser des alternateurs bas se tension, notamment 14 V, pour pouvoir charger à la fois les batteries 12 V et 36 V. Il faut donc prévoir un montage tel que l'alternateur classique, délivrant une tension de 14 V, fournisse une tension de 42 V pour charger la batterie de 36 V. Il a déjà été proposé un système d'alimentation pour véhicule automobile permettant, à partir d'un alternateur délivrant une tension de 14 V, de charger une batterie de tension 12 V et une batterie de tension 36 V. Un tel montage est représenté sur la figure 1. Dans ce montage connu on prévoit: une batterie 10 qui fournit une tension de 12 V, une batterie 12 fournissant une tension de 36 V, et, pour la charge de ces deux batteries, un alternateur triphasé 14 délivrant une tension de 14 V. L'alternateur est du type à griffes ou de "Lundell". Dans ce montage connu, pour appliquer une tension de 42 V aux bornes de la batterie 12, on prévoit un circuit d' augmentation de tension, ou "boost", qui prend avantage de la forte inductance interne de chaque phase de l'alternateur 14. A cet effet on raccorde chaque borne de phase 141, 142 et 143 de l'alternateur 14 au point commun à l' anode d'une première diode 16i et à la cathode d'une seconde diode 18i, la cathode la diode 16i étant reliée au pole "plus" de la batterie 12 et l' anode de la diode 18i étant reliée au pôle "moins" (donc à la masse) de cette même batterie 12 délivrant une tension de 36 V. Un interrupteur commandé 20i est installé en parallèle sur chacune des diodes 18i. Par ailleurs chaque borne de phase 14i est reliée au pole plus de la batterie 10 de 12 V par intermédiaire d'un autre interrupteur commandé 22i. Ainsi pour chaque phase de l'alternateur, on obtient le montage représenté sur la figure 2: l'alternateur 14 alimente, d'une part, la batterie 10 (12 V) par l'intermédiaire de l' inductance 24i de la phase i et de l'interrupteur commandé 22i et, d'autre part, la batterie 12 (36 V) par l'intermédiaire d'une diode 16i. Un interrupteur 20i est disposé entre, d'une part, le point commun à l' inductance 24i et à l' anode de la diode 16i et, d'autre part, la masse à laquelle sont connectés les poles négatifs des batteries 10 et 12 ainsi qu'un pole de l'alternateur 14. Le fonctionnement est illustré par les diagrammes des figures 3a, 3b et 3c. Sur le diagramme de la figure 3a on a représenté en ordonnées l'intensité IL du courant dans l' inductance 24i et, en abscisses, le temps t, tandis que sur les diagrammes des figures 3b et 3c on a représenté, également, en fonction du temps, l'intensité I36 du courant de charge de la batterie 12 (figure 3b) et l'intensité I12 du courant de charge de la batterie 10 de 12 V (figure 3c). Au cours d'une première période de durée a1T (figure 3a), l'interrupteur 20i est fermé. Dans ces conditions, l'alternateur 14 charge l' inductance 24i et l'intensité IL atteint une valeur intermédiaire Iint en partant d'une valeur minimale Imin. Au cours d'une seconde phase, l'interrupteur 20i est ouvert et l'interrupteur 22i est alors fermé. Dans ces conditions, la tension aux bornes de la batterie 10 est la somme de la tension de cette batterie et de la tension fournie par l' inductance 24i qui continue sa charge dans la batterie 10. Au bout du temps a2T, l'interrupteur 22i est ouvert. Dans ces conditions, la diode 16i devient passante car la tension de son anade est supérieure à la tension de sa cathode et, ainsi, l'alternateur 14 alimente la batterie 12 de 36V par l'intermédiaire de l' inductance 24i chargée. La batterie 12 est alimentée jusqu' au temps T pour lequel l'intensité IL atteint la valeur Imin (figure 3a). L' invention part de la constatation que le montage représenté sur la figure 1 présente un double inconvénient. En premier lieu, ce montage est onéreux car il faut prévoir deux interrupteurs commandés par phase et la commande est complexe. En second lieu, au cours de chaque cycle de commande, il existe une période, de O à a1T qui est inutilisée pour la charge de l'une ou de l'autre des batteries. L' invention remédie à ces inconvénients. Elle concerne un système d'alimentation en énergie électrique d'un véhicule qui comporte un alternateur polyphasé délivrant une tension détermince et qui est destiné à charger une batterie de tension inférieure à cette tension déterminée et une batterie de tension supérieure. Ce système comprend, pour chaque phase de l'alternateur, un interrupteur indirectionnel commandé par l'intermédiaire duquel s'effectue l'alimentation de la batterie à tension inférieure et il est caractérisé en ce que l'alimentation de la batterie de tension supérieure à celle de l'alternateur est dépourvue d'interrupteur commandé et en ce que des moyens sont prévus pour commander chaque interrupteur de préférence à une fréquence sensiblement supérieure à la fréquence de l'alternateur, et de façon telle qu'au cours de chaque période de commande l'interrupteur soit fermé pendant une première fraction de période au cours de laquelle la batterie de tension inférieure se charge en même temps que se charge la phase correspondante de l'alternateur, et soit ouvert au cours d'une seconde période pendant laquelle la batterie de tension supérieure se charge. Avec ce montage il suffit d'un seul interrupteur commandé par phase et au cours d'une période de commande de l'interrupteur la première fraction sert entièrement à la charge de batterie de tension inférieure et la seconde fraction sert entièrement à la charge de la batterie de tension supérieure. L' invention concerne ainsi, de façon générale, un système d'alimentation en énergie électrique d'un véhicule automobile comprenant un alternateur, une première batterie (10) de tension inférieure à la force électromotrice de l'alternateur, une seconde batterie de tension supérieure à la force électromotrice de l'alternateur, et des moyens de commande tels que la première batterie soit chargée lors de la charge de l' inductance interne de l'alternateur et que la seconde batterie soit chargée lors de la décharge de cette inductance interne. Ce système comprend, en combinaison: - pour chaque phase de l'alternateur un interrupteur commandé en série avec la première batterie de plus faible tension, et un moyen à diode pour charger la seconde batterie de tension supérieure, et - des moyens de commande de chaque interrupteur commandé tels que, lorsque chaque interrupteur commandé est fermé, la première batterie se charge en même temps que l' inductance de la phase correspondante de l'alternateur et lorsque l'interrupteur commandé est ouvert après la charge de l' inductance, celle-ci se décharge dans la seconde batterie. De préférence, le circuit de charge de la seconde batterie est dépourvu d'interrupteur commandé. Selon une réalisation, les moyens de commande sont tels que chaque interrupteur fonctionne à une fréquence sensiblement supérieure à la fréquence de fonctionnement de l'alternateur. Cette fréquence de commande de l'interrupteur commandé est par exemple de l'ordre de dix fois la fréquence de fonctionnement de l'alternateur. Selon une réalisation, les moyens de commande sont tels que la fraction de chaque période de commande de l'interrupteur commandé au cours de laquelle celui-ci est fermé est fonction de la vitesse de rotation de l'alternateur. Le système peut comporter un condensateur de filtrage entre la cathode du moyen à diode et la masse. Le système comporte, dans une réalisation, un condensateur de filtrage entre une borne de l'interrupteur commandé et la masse. Dans un mode d'exécution, la tension de la première batterie est de l'ordre de 12 V, la tension de la seconde batterie est de l'ordre de 36 V et la tension de l'alternateur est de l'ordre de 14 V. En variante, la tension de la première batterie est de l'ordre de 12 V, la tension de la seconde batterie est de l'ordre de 36 V et la tension de l'alternateur est de l'ordre de 28 V. L'alternateur est par exemple du type à griffes ou Lundell. D'autres caractéristiques et avantages de l' invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, cette description étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels: les figures 1, 2, 3a, 3b et 3c, déjà décrites, représentent un montage connu et des diagrammes illustrant le fonctionnement de ce montage, la figure 4 est un schéma d'un montage conforme à l' invention, la figure 5 est un schéma correspondant à une phase du montage de la figure 4, les figures 6a et 6b sont des diagrammes illustrant le fonctionnement du montage représenté sur les figures 4 et 5, et la figure 7 représente une variante du schéma de la figure 4 pour une phase. On se réfère tout d'abord à la figure 4 qui représente un montage dans lequel on prévoit, comme dans celui de la figure 1, un alternateur 14 de type Lundell, ou à griffes, destiné à charger une batterie 10 de 12 V et une batterie 12 de 36 V. Chaque borne de phase 141, 142 et 143 de l'alternateur 14 est. comme dans le montage représenté dans la figure 1, relié au pale positif de la batterie 10 de tension 12 V par l'intermédiaire d'un interrupteur indirectionnel commandé, respectivement 301, 302 et 3O3. Par ailleurs chaque borne 141 de phase est relice au pôle plus de la batterie 12 de tension 36 V par l'intermédiaire d'une diode, respectivement 321, 322 et 323. Le sens de la liaison est tel que la cathade de chacune des diodes 32i est connectée au pale positif de la batterie 12. Par ailleurs, chaque borne de phase 14i de l'alternateur est reliée à la masse par l'intermédiaire d'une autre diode 34i, de façon que l'anade de cette diode 34i soit reliée à la masse tandis que sa cathade soit connectée à la borne 14i. Contrairement au montage représenté sur la figure 1 on ne prévoit pas d'interrupteur en parallèle sur chaque diode 34i. Un boitier de commande 50 fournit les signaux de commande des interrupteurs 301, 302 et 3O3 et la tension nocessaire à l'enroulement 52 d' excitation du rotor de l'alternateur 14. En variante, l'alternateur 14 délivre une tension de 28 V. Des alternateurs délivrant une tension de 28 V sont déjà fabriqués en série, notamment pour les véhicules lourds (camions) ou des véhicules militaires. Le fonctionnement va maintenant étre décrit à l' aide de la figure 5 et des diagrammes des figures 6a et 6b. Sur la figure 5 on a représenté une phase de l'alternateur 14 en série avec une inductance 40i dont une borne 14i (qui constitue la borne sortie de l'alternateur 14) est reliée, d'un côté, à l' anode de la diode 32i et, de l'autre, à la borne positive de la batterie 10 de 12 V par l'intermédiaire de l'interrupteur commandé 30i. L'interrupteur 30i est commandé à une fréquence qui est environ dix fois la fréquence de fonctionnement de l'alternateur. Chaque période de durée T de cette fréquence de commande est divisée en deux parties. Au cours de la première partie, de durée aT (figure 6a), l'interrupteur 30i est fermé et l'intensité IL délivrée par l' inductance 40i monte d'une première valeur Imin à une seconde valeur ImaX. Au cours de cette fraction aT de la période T la diode 32i est bloquce car sa tension d' anode (12 V) est inférieure à sa tension de cathode (36 V). Dans ces conditions, seule la batterie 10 de 12 V peut être chargée. En même temps l' inductance 40i se charge. Après l' instant aT l'interrupteur 30i est ouvert et la tension de l' inductance chargée s'ajoute à la tension fournie par l'alternateur proprement dit. Cette somme de tensions vaut 42 V; elle permet la charge de la batterie 12 de 36 V. Ainsi l' inductance 40i se décharge dans la batterie 12 au cours de la seconde fraction, de aT à T. de la période T. La première période de O à aT est donc utilisée pour la charge de la batterie de 12 V et la seconde période est utilisée pour la charge de la batterie 12 de 36 V par effet "boost". Pour que le montage fonctionne il est nécessaire que la tension moyenne aux bornes de l' inductance 40i soit nulle. Autrement dit, l'énergie accumulée lors de la charge de cette inductance de l' instant O à l' instant aT doit être égale à l'énergie restituée au cours de la décharge de l' inductance, de l' instant aT à l' instant T. De cette condition on déduit la relation suivante entre la tension E1 délivrée par l'alternateur 14, la tension E2 délivrée par la batterie 10, la tension E3 délivrée par la batterie 12 et le coefficient a: (E1-E2) a=(E3-El)(l-a) D' o: E3-E1 E3 E2 Dans le montage représenté sur la figure 7 on prévoit, pour filtrer les tenslons fournies aux batteries 10 et 12, d'une part, un condensateur 42i entre la borne de l'interrupteur 30i qui est relice au pôle positif de la batterie 10 et la masse et, d'autre part, un condensateur 44i relié entre la cathade de la diode 32i et la masse. Une fréquence de découpage (de période T) de valeur élevée permet de minimiser les capacités des condensateurs 42i et 44i. Cependant, cette fréquence de découpage ne devra pas être trop élevée pour que les pertes par commutation ne soient pas prohibitives. Par ailleurs, il est préférable que les longueurs des divers fils de connexion soient faibles pour minimiser les pertes par commutation, c'està-dire les surtensions résultant des inductances parasites des fils. En particulier la distance entre le condensateur 44i et la diode 32i et la distance entre l'interrupteur 30i et le condensateur 42i sont de préférence faibles. Il est à noter que les batteries 10 et 12 constituent elles-mêmes des condensateurs contribuant au filtrage. Mais cet effet de filtrage est atténué lorsque la diode 32i et l'interrupteur 30i sont éloignés des batteries. Ainsi, plus ces éléments 30i et 32i sont éloignés des batteries et plus il est nécessaire de prévoir des condensateurs de capacité importante. Il est préférable de blinder les fils de sortie de l'alternateur 14 car ils subissent des variations rapides de tension et ils peuvent donc provoquer des parasites électromagnétiques. Etant donné que le rapport cyclique a dépend de la tension fournie par l'alternateur 14, c'est-àdire de sa force électromotrice E1, et que cette force électromotrice E1 dépend elle-même de la vitesse de rotation de l'alternateur (donc du moteur du véhicule), il est nécessaire de faire dépendre le coefficient a de cette vitesse. La relation entre a et la vitesse de rotation peut être déterminée au préalable de facon expérimentale et, dans ce cas, on prévoit une table de correspondance en mémoire des moyens de commande du système. Par ailleurs, la tension d' excitation du rotor de l'alternateur (fournie à l'enroulement 52) dépend aussi de la vitesse de rotation. REVENDICATIONS 1. Système d'alimentation en énergie électrique d'un véhicule automobile comprenant un alternateur (14), une première batterie (10) de tension inférieure à la force électromotrice de l'alternateur, une seconde batterie de tension supérieure à la force électromotrice de l'alternateur, et des moyens de commande tels que la première batterie soit chargée lors de la charge de l' inductance interne de l'alternateur et que la seconde batterie soit chargée lors de la décharge de cette inductance interne, caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison: - pour chaque phase de l'alternateur un interrupteur commandé (301, 302, 303) en série avec la première batterie (10) de plus faible tension, et un moyen à diode (321, 322 et 323) pour charger la seconde batterie (12) de tension supérieure, et - des moyens de commande (50) de chaque interrupteur commandé (301, 302, 303) tels que, lorsque chaque interrupteur commandé (301, 302, 303) est fermé, la première batterie (10) se charge en même temps que l' inductance (40i) de la phase correspondante de l'alternateur (14) et lorsque l'interrupteur commandé est ouvert après la charge de l' inductance (40i), celle-ci se décharge dans la seconde batterie (12). 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de charge de la seconde batterie (12) est dépourvu d'interrupteur commandé. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de commande sont tels que chaque interrupteur fonctionne à une fréquence sensiblement supérieure à la fréquence de fonctionnement de l'alternateur. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que la fréquence de commande de l'interrupteur commandé est de l'ordre de dix fois la fréquence de fonctionnement de l'alternateur. 5. Système selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de commande sont tels que la fraction (aT) de chaque période de commande de l'interrupteur commandé au cours de laquelle celui-ci est fermé est fonction de la vitesse de rotation de l'alternateur. 6. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un condensateur de filtrage (44i) entre la cathade du moyen à diode (32i) et la masse. 7. Système selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte un condensateur de filtrage (42i) entre une borne de l'interrupteur commandé (30) et la masse. 8. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tension de la première batterie (10) est de l'ordre de 12 V, la tension de la seconde batterie (12) est de l'ordre de 36 V et la tension de l'alternateur (14) est de l'ordre de 14 V. 9. Système selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la tension de la première batterie (10) est de l'ordre de 12 V, la tension de la seconde batterie (12) est de l'ordre de 36 V et la tension de l'alternateur est de l'ordre de 28 V. 10. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alternateur est de type à griffes ou