Brevet FR2892077A1 — publié le 20070420

B11719FR CIRCUIT D'ALIMENTATION EN ENERGIE ELECTRIQUE D'UN VEHICULE AUTOMOBILE. L'invention est relative à un circuit d'alimentation en énergie électrique d'un véhicule automobile. Elle concerne plus particulièrement un tel circuit qui comporte un 5 alternateur, notamment un alternateur à griffes. On sait que les alternateurs connus présentent une impédance mal adaptée à l'impédance du réseau de bord. En particulier, ces alternateurs connus ont une inductance statorique de valeur très élevée, ce qui a pour conséquence que 10 les alternateurs fonctionnent pratiquement en court circuit même lorsqu'ils sont à pleine charge. Ainsi, les alternateurs utilisés habituellement ne fournissent pas un maximum de puissance lorsqu'ils sont en utilisation nominale. Leur rendement et leur puissance massique 15 ne sont pas optimisés, et ceci entraîne une consommation excessive de carburant. Pour remédier à ces inconvénients, la demande de brevet français 2859834 propose une interface mécanique à variateur de vitesse entre le moteur et l'alternateur, un 20 premier rapport de démultiplication de vitesse de rotation étant prévu lorsque le moteur est animé d'une vitesse de rotation comprise dans une première plage, dite basse, et un second rapport de démultiplication de vitesse de rotation étant prévu lorsque le moteur est animé d'une vitesse de rotation comprise dans une deuxième plage, dite haute, les rapports de démultiplication de vitesse de rotation étant déterminés de manière à limiter l'amplitude de la plage de vitesses de rotation de l'alternateur. Etant donné que l'alternateur fonctionne dans une plage de vitesses plus restreinte, ses performances peuvent être optimisées. La solution décrite dans ce document antérieur a donné entière satisfaction. Toutefois, l'interface mécanique est onéreuse et de réalisation complexe. L'invention permet d'optimiser la puissance fournie par un alternateur pour véhicule automobile avec des moyens 15 simples et peu onéreux. A cet effet, le dispositif d'alimentation électrique pour véhicule automobile selon l'invention comprend un moyen de réglage de l'excitation de l'alternateur qui est fonction de la vitesse d'entraînement de cet alternateur et qui fournit une 20 tension d'excitation permettant que l'alternateur délivre la tension pour laquelle la puissance de l'alternateur est sensiblement maximale à cette vitesse. En outre, le dispositif d'alimentation comporte un convertisseur qui transforme cette tension fournie par l'alternateur en la tension constante du 25 réseau de bord. En effet, l'invention part de la constatation que, à une vitesse de rotation déterminée de l'alternateur, la puissance électrique fournie par cet alternateur est fonction de sa tension de sortie, et pour la vitesse déterminée, la 30 puissance varie avec la tension et présente un maximum pour une valeur donnée de la tension. Ainsi, contrairement à l'état de la technique, on ne commande pas l'excitation pour obtenir directement la tension désirée, par exemple 14 Volts, mais on commande l'excitation 35 pour obtenir la tension fournissant la puissance maximum et on10 convertit cette tension variable fournie par l'alternateur en la tension constante du réseau de bord. On obtient ainsi une augmentation de la puissance massique et volumique des alternateurs et une augmentation du rendement. En conséquence, pour une puissance donnée, on peut réduire la taille de l'alternateur. En raison de l'amélioration du rendement des alternateurs, on obtient une diminution de la consommation en carburant et, donc, de la pollution. Dans une réalisation, la tension fournie par l'alternateur est redressée, par exemple par un pont de diodes, et la tension continue variable (en fonction de la vitesse de rotation) obtenue aux bornes du redresseur est convertie par un convertisseur continu/continu qui fournit à sa sortie la tension constante du réseau. Dans une réalisation, le signal fourni au circuit d'excitation de l'alternateur est obtenu à partir d'un circuit à mémoire dans lequel sont emmagasinés des tables ou abaques fournissant, pour chaque valeur de vitesse de rotation de l'alternateur, la valeur du signal d'excitation qui produit, à cette vitesse, la tension fournissant sensiblement la puissance maximum. Ainsi l'invention concerne, de façon générale un dispositif d'alimentation en énergie électrique d'un réseau de bord d'un véhicule automobile comprenant un alternateur entraîné par le moteur du véhicule et dont la tension de sortie est déterminée par un signal d'excitation, la tension de l'alternateur étant redressée par un redresseur tel qu'un pont de diodes. Ce dispositif comporte un circuit pour fournir un signal d'excitation qui est fonction de la vitesse de rotation de l'alternateur et qui commande l'excitation de façon telle que l'alternateur fournit, au moins pour une grande partie de la gamme de vitesses de l'alternateur, une tension correspondant sensiblement au maximum de puissance pour la vitesse de rotation de l'alternateur. En outre, le dispositif comprend un convertisseur pour transformer la tension électrique fournie par l'alternateur en une tension correspondant à la tension du réseau de bord. Dans une réalisation, le convertisseur est de type continu/continu et un moyen redresseur est interposé entre 5 l'alternateur et l'entrée du convertisseur. Dans une réalisation le convertisseur continu/continu est compris dans le groupe comportant des convertisseurs fly-back, forward, à hacheur à stockage inductif, à hacheur à stockage capacitif... 10 Dans une réalisation, le convertisseur continu/continu comprend un moyen élevateur de tension pour fournir une tension au moins égale à la tension du réseau de bord et un moyen abaisseur pour ramener la tension fournie par le moyen élévateur à la tension du réseau de bord. 15 En variante, le moyen pour fournir le signal d'excitation qui est fonction de la vitesse de rotation de l'alternateur, est tel qu'il commande l'excitation de façon que l'alternateur fournisse une tension au moins égale à la tension du réseau de bord et le convertisseur comporte un abaisseur de 20 tension. Dans une réalisation, le moyen pour fournir le signal d'excitation comporte une mémoire dans laquelle sont stockées, pour des vitesses de rotation, les valeurs de signaux d'excitation correspondant à des tensions pour lesquelles, à la 25 vitesse correspondante, la puissance est sensiblement maximale. Dans une réalisation, l'alternateur est du type à griffes. La tension du réseau de bord est par exemple de 14 Volts. 30 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels : la figure 1 représente un ensemble de diagrammes 35 montrant, pour un ensemble de valeurs de vitesses de rotation d'un alternateur, la variation de la puissance fournie par cet alternateur en fonction de la tension de sortie, la figure 2 est un schéma d'un dispositif d'alimentation conforme à l'invention, la figure 3 est un schéma d'un exemple d'une partie du dispositif représenté sur la figure 2, et, les figures 4 et 5 sont des schémas analogues à celui de la figure 3 pour des variantes. Sur la figure 1, on a représenté des courbes 10, 12, 10 14, 16 et 18 correspondant à des vitesses de rotation de l'alternateur de, respectivement, 2000, 4000, 6000, 8000 et 12000 tours par minute. En abscisses, on a porté la tension fournie par l'alternateur (en volts), et en ordonnées, la puissance. 15 On voit que chacune des courbes 10, 12, 14, 16, 18 présente un maximum. Ainsi, pour une vitesse de 2000 tours (courbe 10) par minute, correspondant au ralenti du moteur,la puissance maximum est obtenue pour une tension de l'ordre de 10 volts ; pour une vitesse de rotation de 4000 tours (courbe 12) 20 par minute, la puissance maximum est obtenue quand la tension est de l'ordre de 20 volts ; ces puissances maximum sont obtenues pour, respectivement, 30 volts, 40 volts et 60 volts pour des vitesses de rotation de, respectivement, 6000, 8000 et 12000 tours par minutes (courbes 14, 16 et 18). Ainsi, pour maximiser la puissance fournie par l'alternateur, l'invention prévoit, pour chaque vitesse de rotation de l'alternateur, de fournir un signal d'excitation rotorique qui permet de délivrer la tension correspondant au maximum de puissance de l'alternateur et un circuit 30 convertisseur transforme cette tension en une valeur de tension correspondant à la tension constante désirée pour le réseau de bord 40, en particulier 14 volts. Dans l'exemple représenté sur la figure 2, le dispositif d'alimentation électrique du réseau de bord 40 d'un 35 véhicule automobile comprend une machine triphasée 20 de type 25 synchrone à rotor bobiné, reliée par un accouplement mécanique 22 au moteur du véhicule. Cette machine triphasée 20 est du type à griffes ; elle comporte un circuit d'excitation rotorique 24, et ses enroulements statoriques fournissent des tensions triphasées sur les sorties 261r 262, 263. Selon l'invention, le circuit d'excitation 24 reçoit des signaux d'un dispositif 28 comportant une entrée 30 représentant la vitesse de rotation de l'alternateur. En fonction de cette vitesse, c'est-à-dire du signal reçu sur l'entrée 30, le dispositif 28 fournit un signal permettant d'obtenir l'excitation, générée par le circuit 24, qui permet de fournir la tension aux bornes 261r 262, 263 telle qu'on obtient une puissance maximale de l'alternateur. Cette tension est indépendante de la tension du réseau de bord. Dans l'exemple, la tension fournie sur les sorties 261r 262, 263 est redressée par un pont de diodes 32 qui fournit ainsi sur sa sortie une tension continue V dont la valeur dépend de la vitesse de rotation. Cette tension V est convertie en la tension constante Vc du réseau de bord 40 par un convertisseur continu/ continu 34. Le dispositif 28 peut être considéré comme un dispositif de commande de l'impédance constituée par le pont de diodes 32 et le convertisseur 34, cette impédance étant interposée entre l'alternateur et le réseau de bord 40. Ainsi, grâce à la commande du dispositif 28, on obtient une optimisation de l'impédance de sortie de l'alternateur pour optimiser le rendement du circuit d'alimentation en énergie électrique. La figure 3 illustre un mode de réalisation d'un convertisseur 34. Ce convertisseur est du type hacheur à stockage capacitif. Il comporte un circuit élévateur 36 et un circuit abaisseur 38. Le circuit élévateur 36 comporte un condensateur 42 qui est chargé à une tension ayant une valeur supérieure à la tension maximale en sortie du pont 32, par exemple 60 ou 80 volts. L'étage abaisseur permet de ramener cette tension à la valeur choisie, 14 volts dans l'exemple. L'avantage de ce montage est qu'il n'est pas nécessaire de distinguer entre le cas où la tension en sortie du pont 32 est supérieure ou égale à 14 volts et le cas où la tension de sortie du pont est inférieure à 14 volts. Dans une variante, le circuit 28 est tel qu'il commande l'excitation de façon que la sortie du pont de diodes 32 délivre toujours une tension au moins égale à 14 volts Ainsi dans cette variante, pour les basses vitesses de rotation de l'alternateur, c'est-à-dire pour le fonctionnement au ralenti du moteur, cet alternateur ne fournit pas la tension correspondant au maximum de puissance. En d'autres termes, si on considère la courbe 10 de la figure 1, on voit que si l'excitation est réglée pour que la tension en sortie du pont de diode 32 soit égale à 14 volts, c'est-à-dire la tension du réseau de bord, alors la puissance fournie ne correspondra pas au maximum de la courbe 10. Mais pour les vitesses de rotation de l'alternateur correspondant à un fonctionnement en dehors du ralenti, on peut alors satisfaire à la condition selon laquelle la tension correspond au maximum de puissance. Dans cette réalisation, il suffit de prévoir seulement un circuit abaisseur de tension tel qu'un circuit hacheur abaisseur de type synchrone ou un circuit hacheur abaisseur de type synchrone entrelacé. La figure 4 représente un circuit hacheur abaisseur de type synchrone. Ce circuit comporte un premier filtre d'entrée 52 comportant des couples 54i, 56i d'inductance et condensateurs en série sur la tension d'entrée, l'ensemble des couples 54i-56i étant en parallèle. Un autre filtre 58 à inductances et condensateurs, est également prévu à la sortie. Les deux filtres 52 et 58 ont pour but d'atténuer les ondulations de tension. Entre les filtres 52 et 58, on prévoit un premier interrupteur 60 en série avec les inductances et un second interrupteur 62 en parallèle sur les condensateurs. Une inductance 63 est en série avec l'interrupteur 60. Le hachage est obtenu à chaque cycle en fermant l'interrupteur 60 puis l'interrupteur 62. La tension de sortie est fonction du rapport cyclique, c'est-à-dire du rapport entre le temps de fermeture de l'interrupteur 60 et le temps de fermeture de l'interrupteur 62. La figure 5 représente un hacheur abaisseur synchrone entrelacé comportant, comme dans la réalisation montrée sur la figure 4, des cellules de filtrage en entrée et en sortie. Cette réalisation se distingue de celle montrée sur la figure 4 par le fait que le hachage est obtenu par, d'une part, une série de quatre inductances 701-704r en série chacune avec un interrupteur respectivement 721-724r et d'autre part par un même nombre d'interrupteurs, respectivement 741 à 744, dont chacun est relié à la borne entre le premier interrupteur et l'inductance correspondante. Par exemple, l'interrupteur 741 est relié entre, d'une part, la masse et, d'autre part, une borne se trouvant entre l'inductance 701 et l'interrupteur 721. Au cours de chaque cycle de fonctionnement, on ferme tout d'abord l'interrupteur 721r puis l'interrupteur 741. Ensuite, ces interrupteurs 721 et 741 sont ouverts et chacun des autres interrupteurs est fermé de façon analogue en succession. Cette réalisation contribue également à réduire le taux d'ondulation en sortie de ce hacheur. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alimentation en énergie électrique d'un réseau de bord d'un véhicule automobile comprenant un alternateur entraîné par le moteur du véhicule et dont la tension de sortie est déterminée par un circuit d'excitation, la tension de l'alternateur étant redressée par un redresseur tel qu'un pont de diodes, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit (28) pour fournir un signal d'excitation qui est fonction de la vitesse de rotation de l'alternateur et qui commande l'excitation de façon telle que l'alternateur fournit, au moins pour une grande partie de la gamme de vitesses de l'alternateur, une tension correspondant sensiblement au maximum de puissance pour la vitesse de rotation de l'alternateur, et en ce qu'il comprend un convertisseur (34) pour transformer la tension électrique fournie par l'alternateur en une tension correspondant à la tension du réseau de bord (40). 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le convertisseur (34) est du type continu/continu, un moyen redresseur (32) étant interposé entre l'alternateur et l'entrée de ce convertisseur. 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que le convertisseur continu/continu est compris dans le groupe comportant les convertisseurs fly-black, forward, à hacheur à stockage inductif, à hacheur à stockage capacitif. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3 caractérisé en ce que le convertisseur continu/continu comprend un moyen élévateur de tension pour fournir une tension au moins égale à la tension du réseau de bord et un moyen abaisseur (38) pour ramener la tension fournie par le moyen élévateur à la tension du réseau de bord. 5. Dispositif selon la revendication 2 ou 3 caractérisé en ce que le moyen pour fournir le signal d'excitation qui est fonction de la vitesse de rotation de l'alternateur est tel qu'il commande l'excitation de façon que l'alternateur fournisseune tension au moins égale à la tension du réseau de bord, et en ce que le convertisseur comporte un abaisseur de tension. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le moyen pour fournir le signal d'excitation comporte une mémoire dans laquelle sont stockées, pour des vitesses de rotation, des valeurs de signaux d'excitation correspondant à des tensions pour lesquelles, à la vitesse correspondante, la puissance est sensiblement maximale. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alternateur est du type à griffes. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la tension du réseau de bord est de l'ordre de 14 volts.15