Brevet FR2853154A1 — publié le 20041001

I La présente invention concerne un système d'alimentation en énergie électrique d'organes consommateurs embarqués à bord d'un véhicule automobile. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un système 5 d'alimentation comportant des moyens formant générateur d'énergie électrique dont la sortie est raccordée par un réseau électrique à des premiers moyens de stockage d'énergie électrique, à au moins un premier organe consommateur et à au moins un second organe consommateur. L'arrivée de nouveaux organes électromécaniques, tels que par 10 exemple de direction assistée, de frein électrique, etc..., dans les véhicules automobiles pose trois problèmes techniques difficiles à résoudre. Le premier problème concerne le fait que de tels organes nécessitent une forte puissance électrique, par exemple de l'ordre de 1200 à 2000 W pendant un temps d'activation court, entre 1 et 5 secondes, qui se traduit par un coût 15 élevé lié au dimensionnement du système en raison des courants très élevés rencontrés, de l'ordre de 100 à 200 Ampères. Le second problème est lié au fait que cette puissance doit être fournie sans pour autant surdimensionner les moyens de génération et les moyens de stockage d'énergie électrique embarqués à bord du véhicule, tels que par exem20 pie l'alternateur, la batterie, etc.. Enfin, le troisième problème est lié au fait que le courant consommé par ce type d'organes provoque une chute de tension électrique sur l'ensemble du réseau électrique embarqué, ce qui se traduit pour l'utilisateur du véhicule par une baisse de prestation sur certains organes, résultant en une perception de 25 non-qualité de l'ensemble du véhicule. Plusieurs solutions existent pour tenter de résoudre ces différents problèmes et par exemple atténuer la chute de tension résultant de chaque activation de nouveaux organes électromécaniques. Il est en effet possible de rajouter une seconde batterie connectée sur 30 le réseau électrique, mais ceci se traduit par la nécessité de rajouter un dispositif de connexion et de déconnexion spécifique de cette batterie et de prévoir un logement de batterie supplémentaire dans le véhicule. Outre les différents problèmes de rajout de tels organes en termes d'encombrement, de poids et de prix, une telle structure pose également des problèmes de maintenance. Une autre solution consiste à rajouter un condensateur de forte capacité, connecté directement sur le réseau électrique. Cette solution présente également un certain nombre d'inconvénients, notamment au niveau de la nécessité d'utiliser une valeur de capacité très élevée, de l'ordre de 200 F. Par ailleurs, un tel condensateur consomme également de façon per10 manente un courant sur le réseau électrique et le courant de charge et de décharge de ce condensateur, provoque un échauffement par effet Joule important. Une telle solution est également coûteuse et peu fiable. Une troisième solution consiste à rajouter un dispositif électronique de stabilisation du réseau électrique. Ce dispositif formé par exemple par un convertisseur courant continu/courant continu, est une solution très coûteuse. Enfin, une quatrième solution consiste à utiliser un double générateur électrique spécifique non régulé dédié aux consommateurs de forte puissance et régulé pour le reste du réseau électrique. Le problème réside pour cette solution dans le temps de réaction de ce générateur supplémentaire, qui est supérieur à 100 ms et qui occasionne alors également une baisse de prestation perceptible par l'utilisateur du véhicule ainsi qu'un prélèvement de couple sur le moteur du véhicule, qui se traduit par une baisse des performances de celui-ci. Le but de l'invention est donc de résoudre ces problèmes. A cet effet, l'invention a pour objet un système d'alimentation en énergie électrique d'organes consommateurs embarqués à bord d'un véhicule automobile, comportant des moyens formant générateur d'énergie électrique dont la sortie est raccordée par un réseau électrique à des premiers moyens de stoc30 kage d'énergie électrique, à au moins un premier organe consommateur et à au moins un second organe consommateur, caractérisé en ce que le second organe consommateur est raccordé au réseau électrique à travers des moyens formant source d'énergie électrique auxiliaire, comportant des seconds moyens de stockage d'énergie électrique et des moyens de commutation dont le fonctionnement est piloté par des moyens de commande pour permettre une charge de ces seconds moyens de stockage à partir du reste du système et un raccordement de ceux-ci en série avec le second organe consommateur pour assurer son alimentation lors de son activation. Suivant d'autres caractéristiques: - plusieurs moyens formant source d'énergie auxiliaire sont raccordés en cascade entre le réseau électrique et le second organe consommateur; - les ou chacun des moyens formant source d'énergie auxiliaire comportent un pont en H dont les deux branches supérieures sont raccordées au ré10 seau électrique et comportent chacune un organe commutateur à semiconducteur commandable, dont l'une des branches inférieures est raccordée à la masse et comporte également un organe commutateur à semi- conducteur commandable, dont l'autre branche inférieure est raccordée au second organe consommateur ou à d'autres moyens formant source d'énergie électrique auxi15 hlaire si plusieurs sont montés en cascade et dont la branche intermédiaire comporte au moins les seconds moyens de stockage d'énergie électrique; - les seconds moyens de stockage d'énergie électrique se présentent sous la forme d'un condensateur; - une inductance de lissage est raccordée en série avec les seconds 20 moyens de stockage d'énergie électrique dans la branche intermédiaire du pont. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant au dessin annexé, qui représente un schéma synoptique illustrant la structure générale d'un système d'alimentation selon l'invention. On reconnaît en effet sur cette figure, un système d'alimentation en énergie électrique d'organes consommateurs embarqués à bord d'un véhicule automobile, qui comporte des moyens formant générateur d'énergie électrique désignés par la référence générale 1 et comportant par exemple un alternateur entraîné par un moteur thermique du véhicule. La sortie de cet alternateur est raccordée par un réseau électrique du véhicule, désigné par la référence générale 2, à des premiers moyens de stockage d'énergie électrique désignés par la référence générale 3 et formés par exemple par une batterie de stockage. Ce réseau permet également de raccorder la sortie du générateur d'énergie électrique 1 à au moins un premier organe consommateur désigné par la référence générale 4 et à au moins un second organe consommateur désigné par la référence générale 5 sur cette figure. Le premier organe consommateur peut par exemple être un organe consommateur permanent du véhicule, tandis que le second organe peut être un organe consommateur temporaire ou transitoire. Selon l'invention, le second organe consommateur désigné par la référence générale 5 est raccordé au réseau électrique 2 à travers des moyens for10 mant source d'énergie électrique auxiliaire désignés par la référence générale 6 sur cette figure, comportant des seconds moyens de stockage d'énergie électrique désignés par la référence générale 7, et des moyens de commutation désignés par la référence générale 8, dont le fonctionnement est piloté par des moyens de commande désignés par la référence générale 9, pour permettre une 15 charge de ces moyens de stockage 7, à partir du reste du système et un raccordement de ceux-ci en série avec le second organe consommateur, pour assurer son alimentation lors de son activation. En fait, plusieurs moyens formant source d'énergie auxiliaire peuvent être raccordés en cascade entre le réseau électrique et le second organe 20 consommateur, comme cela sera décrit plus en détail par la suite. Les moyens de commande peuvent par exemple comporter un calculateur formant superviseur de contrôle et de gestion du fonctionnement de ces moyens formant source d'énergie électrique auxiliaire. Ce ou chacun de ces moyens formant source d'énergie auxiliaire peut 25 comporter un pont en H dont les deux branches supérieures, désignées par les références générales 10 et 11, sont raccordées au réseau électrique 2 et comportent chacune un organe commutateur à semi-conducteur commandable, respectivement 12 et 13, formé par exemple par un thyristor ou autre, dont l'une des branches inférieures, par exemple 14, est raccordée à la masse, et comporte 30 également un organe commutateur à semi-conducteur commandable désigné par la référence générale 15, dont l'autre branche inférieure désignée par la référence générale 16, est raccordée au second organe consommateur 5, ou à d'autres moyens formant source d'énergie électrique auxiliaire si plusieurs sont montés en cascade et dont la branche intermédiaire désignée par la référence générale 17 comporte au moins les seconds moyens de stockage d'énergie électrique désignés par la référence générale 7. En fait, ces seconds moyens de stockage d'énergie électrique 7 peuvent se présenter sous la forme d'un condensateur et une inductance de lissage 5 désignée par la référence générale 18 peut être raccordée en série avec ces seconds moyens de stockage d'énergie électrique dans la branche intermédiaire 17 du pont. On conçoit alors que lorsque le second organe consommateur n'est pas activé, le condensateur 7 peut être en phase de charge si l'on commande 10 dans leur état passant, les organes commutateurs à semi-conducteur 13 et 15. Cette commande est assurée par le superviseur 9. Ceux-ci peuvent par exemple être associés à des dispositifs de contrôle de courant de façon classique. Le condensateur peut alors se charger jusqu'à la tension fournie par 15 les moyens formant générateur d'énergie électrique 1 et les premiers moyens de stockage d'énergie électrique 3. Le superviseur 9 permet de contrôler la tension de charge de ce condensateur 7. Lors de l'activation du second organe consommateur 5, le superviseur 20 9 commande les organes commutateurs à semi-conducteur 13 et 15 dans un état bloqué, et l'organe commutateur à semi-conducteur 12 dans son état passant pendant un temps géré par ce superviseur. Ceci a alors pour effet de mettre en série le condensateur 7 entre le réseau et le second organe consommateur 5, la tension aux bornes de celuici 25 étant alors égale à la tension du réseau augmentée de la tension aux bornes du condensateur 7. Si plusieurs sources d'énergie auxiliaires sont montées en cascade, la tension aux bornes de ce second organe consommateur est de valeur égale à la tension aux bornes du réseau augmentée de celle aux bornes de chacun des 30 condensateurs correspondants. Ainsi, le second organe consommateur est alimenté sous une tension maximale égale à la tension du réseau multipliée par le nombre de moyens formant source d'énergie électrique auxiliaire mis en cascade. Il est ainsi possible d'obtenir pour une tension réseau de 12 volts, et une seule source d'énergie électrique auxiliaire, une tension de 24 volts d'alimentation du second organe consommateur. Avec deux sources d'énergie électrique auxiliaires montées en cas5 cade, il est possible d'obtenir une tension d'alimentation du second organe consommateur de 36 volts, etc... On conçoit alors que le courant consommé par le second organe consommateur à iso-puissance électrique consommée est diminué d'un facteur 2 avec un moyen formant source d'énergie électrique auxiliaire, d'un facteur 3 avec 10 deux moyens forment source d'énergie électrique auxiliaire, etc... Le dimensionnement de l'ensemble du système est alors d'un point de vue technologique fortement simplifié, ce qui engendre un gain économique. On notera également que l'inductance de lissage 18 permet de limiter la variation de courant de charge et de décharge du condensateur 7, mais que 15 d'autres moyens peuvent être envisagés. Dans le cas d'une utilisation d'un second organe consommateur 5 bidirectionnel en courant, c'est-à-dire réversible, comme par exemple une machine électrique à courant continu, pouvant à la fois fonctionner en moteur électrique ou en générateur d'énergie, par exemple lors d'une phase de récupération 20 d'énergie, celui-ci peut participer à la recharge du condensateur 7 en activant simplement l'organe commutateur à semi-conducteur 15. On conçoit alors que la puissance délivrée au second organe consommateur est fournie en partie par les moyens formant générateur d'énergie électrique 1 et les moyens de stockage d'énergie électrique 3 et par le condensa25 teur 7 ou les condensateurs dans le cas o plusieurs sources d'énergie électrique auxiliaires sont montées en cascade, ce qui permet de diminuer la contribution des moyens de stockage, et de ne pas les surdimensionner. Le courant circulant lors de la mise en fonctionnement du second organe consommateur est également diminué au moins d'un facteur 2, ce qui per30 met de réduire en proportion la chute de tension sur le réseau, également d'un facteur 2 et donc l'impact en matière de perception de non-qualité par les utilisateurs du véhicule. De nombreuses applications d'un tel système peuvent être envisagées pour assurer par exemple l'alimentation de machines tournantes électriques, de machines électromécaniques, comme par exemple des pompes à eau, à air, à carburant, de lève-vitre et d'essuie-vitre, etc.., de systèmes électromécaniques tels que par exemple de direction assistée électrique ou électrohydraulique, de suspension, de freinage statique et dynamique, de contrôle moteur, de contrôle 5 de trajectoire du véhicule, de suralimentation d'air moteur et de commande de soupapes électriques, etc, mais également de systèmes thermiques, comme par exemple de dégivrage, de désembuage, de ventilation. Un tel système peut également être utilisé pour assurer l'alimentation de systèmes d'éclairage, tels que des lampes à décharge, à filaments, etc..., de 10 systèmes de protection passifs des occupants du véhicule, tels que par exemple des modules à sac gonflable, etc..., et encore de systèmes nécessitant de l'énergie électrique pendant et après une collision du véhicule tels que par exemple pour assurer une décondamnation des ouvrants du véhicule, un appel d'urgence, etc... REVENDICATIONS 1. Système d'alimentation en énergie électrique d'organes consommateurs embarqués à bord d'un véhicule automobile, comportant des moyens formant générateur d'énergie électrique (1) dont la sortie est raccordée par un ré5 seau électrique (2) à des premiers moyens de stockage d'énergie électrique (3), à au moins un premier organe consommateur (4) et à au moins un second organe consommateur (5), caractérisé en ce que le second organe consommateur (5) est raccordé au réseau électrique (2) à travers des moyens formant source d'énergie électrique auxiliaire (6), comportant des seconds moyens de stockage 10 d'énergie électrique (7) et des moyens de commutation (8) dont le fonctionnement est piloté par des moyens de commande (9) pour permettre une charge de ces seconds moyens de stockage (7) à partir du reste du système et un raccordement de ceux-ci en série avec le second organe consommateur (5) pour assurer son alimentation lors de son activation. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs moyens formant source d'énergie auxiliaire (6) sont raccordés en cascade entre le réseau électrique (2) et le second organe consommateur (5). 3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les ou chacun des moyens formant source d'énergie auxiliaire (6) comportent un pont 20 en H dont les deux branches supérieures (10,11) sont raccordées au réseau électrique (2) et comportent chacune un organe commutateur à semiconducteur (12,13) commandable, dont l'une (14) des branches inférieures est raccordée à la masse et comporte également un organe commutateur à semi-conducteur commandable (15), dont l'autre branche inférieure (16) est raccordée au second or25 gane consommateur (5) ou à d'autres moyens formant source d'énergie électrique auxiliaire si plusieurs sont montés en cascade et dont la branche intermédiaire (17) comporte au moins les seconds moyens de stockage d'énergie électrique (7). 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que les se30 conds moyens de stockage d'énergie électrique (7) se présentent sous la forme d'un condensateur. 5. Système selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'une inductance de lissage (18) est raccordée en série avec les seconds moyens de stockage d'énergie électrique (7) dans la branche intermédiaire (18) du pont.