Brevet FR2888058A1 — publié le 20070105

La présente invention concerne une installation électrique de bord pour véhicule automobile. Plus particulièrement l'invention se rapporte à une telle installation qui est destinée à l'alimentation d'organes électriques de forte puissance en transitoire, embarqués à bord des véhicules. On sait qu'il existe déjà dans l'état de la technique, des installations électriques de ce type qui comportent des moyens de génération d'énergie électrique entraînés par des moyens de motorisation du véhicule, des moyens de stockage d'énergie électrique, des moyens formant convertisseur réversible de tension et des moyens formant super-capacité, c'est-à-dire des sources de stockage à dynamique rapide. Ces installations sont destinées à permettre l'intégration d'organes électriques de forte puissance sans dégrader la qualité du réseau électrique de bord du véhicule et, en particulier, sans chute de tension transitoire et sans ondulation de tension importante et sans dégrader les performances de consommation en carburant. En effet, si de tels dispositifs ne sont pas utilisés, les perturbations qu'engendrent les consommateurs de forte puissance transitoire, entraînent des dysfonctionnements notables pour tous les équipements sensibles tels que par exemple les calculateurs, les moyens d'éclairage, etc. embarqués à bord du véhicule. Mais les dispositifs proposés jusqu'à présent n'ont pas permis d'apporter entière satisfaction. Le but de l'invention est donc de résoudre ces problèmes. A cet effet l'invention a pour objet une installation électrique de bord pour véhicule automobile, du type comportant des moyens de génération d'énergie électrique entraînés par des moyens de motorisation du véhicule, des moyens de stockage d'énergie électrique, des moyens formant convertisseur réversible de tension et des moyens formant super-capacité, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de régulation de la puissance de sortie des moyens formant convertisseur de tension en fonction de la vitesse de rotation des moyens de génération d'énergie électrique. Suivant des modes particuliers de réalisation, l'installation électrique comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - les moyens de régulation de puissance comportent des moyens de comparaison de la vitesse de rotation des moyens formant générateur à une valeur de seuil prédéterminée de vitesse pour réguler la puissance de sortie des moyens formant convertisseur à une valeur de puissance réduite si la vitesse de rotation des moyens formant générateur est inférieure à la valeur de seuil et à une valeur de puissance nominale de ces moyens formant convertisseur si la vitesse de rotation est supérieure à la valeur de seuil; - la valeur de puissance réduite est égale à environ 50% de la valeur de puissance nominale; - la valeur de seuil de vitesse nominale est égale à environ 150% de la vitesse de ralenti des moyens formant générateur; - les moyens de régulation de puissance comportent des moyens d'enclenchement d'une phase de récupération d'énergie électrique à travers les moyens formant convertisseur; - les moyens de régulation de puissance sont adaptés pour piloter les moyens formant convertisseur à une puissance de récupération supérieure à la puissance nominale; - la puissance de récupération est égale à environ 130% de la puissance nominale; et - les moyens de régulation de puissance sont adaptés pour établir la tension des moyens formant convertisseur à une première valeur lorsque ceux-ci sont destinés à alimenter des charges embarquées à bord du véhicule et à une seconde valeur lorsque ceux-ci sont en phase de récupération d'énergie. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: - la Fig. 1 représente un schéma synoptique illustrant la structure générale d'une installation électrique selon l'invention; - la Fig. 2 représente un organigramme illustrant le fonctionnement de celle-ci; - la Fig. 3 illustre différents signaux montrant le fonctionnement de celle-ci; et - la Fig. 4 représente une courbe illustrant le courant débité par un générateur en fonction de son régime, intégré dans une installation selon l'invention. On a en effet illustré sur la Figure 1, un schéma synoptique d'une installation électrique de bord pour véhicule automobile qui comporte des moyens de génération d'énergie électrique constitués par exemple par un alternateur ou autre désigné par la référence générale 1 et qui est entraîné par des moyens de motorisation du véhicule, formés par exemple par un moteur thermique. Cette installation comporte également des moyens de stockage d'énergie électrique tels que par exemple une batterie, désignés par la référence générale 2, des moyens formant convertisseur réversible de tension, désignés par la référence générale 3, pilotés par un superviseur désigné par la référence générale 4 et des moyens formant super-capacité ou tous autres moyens de stockage à dynamique rapide désignés par la référence générale 5, destinés par exemple à alimenter des consommateurs du véhicule désignés par la référence générale 6. Cette installation permet de remplir plusieurs fonctions simultanément. Elle est en effet capable d'assurer à la fois l'alimentation de plusieurs charges de forte puissance, même de façon simultanée, et de réaliser du stockage d'énergie électrique dans certaines phases de vie, c'est-à-dire par exemple en phase de décélération du véhicule, en enclenchant une phase de récupération d'énergie. II s'agit alors d'une installation capable de fournir de l'énergie lors d'appels de puissance de quelques équipements sans perturber le réseau électrique de bord du véhicule. Par ailleurs, lorsque la situation le permet, c'est-à-dire lorsqu'aucune charge n'est activée et que le véhicule est par exemple dans une phase de décélération, un stockage d'énergie récupératif peut être assuré. Ceci est assuré grâce à un pilotage notamment du convertisseur de tension par le superviseur 4 qui permet d'allier les deux fonctions et qui se traduit en fait par un potentiel de réduction significative de consommation en carburant du véhicule. Son avantage est donc double car cette installation permet d'une part, d'introduire des fonctions innovantes de forte puissance dans le véhicule sans dégrader l'ensemble des prestations déjà en place et d'autre part, de réaliser une optimisation de l'énergie électrique contribuant à la réduction de la consommation de carburant du véhicule. L'installation selon l'invention comporte alors principalement un convertisseur de tension réversible 3, par exemple de type 14/42 Volts, d'une super-capacité 5 et d'un superviseur 4 intégrant la stratégie de pilotage notamment de ce convertisseur. L'utilisation du couple convertisseur continu / continu élévateur et super-capacité permet de découpler les perturbations engendrées par les équipements en aval de ce couple vues par le réseau de bord classique du véhicule, par exemple à 14 Volts. Le sous-réseau de puissance ainsi créé utilise alors une tension autour de 40 Volts et typiquement de 42 Volts, permettant d'optimiser le dimensionnement des deux organes principaux, à savoir du convertisseur continu / continu élévateur et de la super-capacité. Cependant, la puissance délivrée par exemple par l'alternateur dépend de son régime de rotation. Il se trouve rapidement en puissance réduite pour les basses vitesses de rotation des moyens de motorisation du véhicule automobile, c'est-à-dire par exemple à 65% de la puissance maximale seulement lorsque le moteur est au ralenti. La stratégie de commande utilisée prend en compte cette particularité pour limiter l'accroissement de la puissance du convertisseur en fonction du régime de rotation de l'alternateur. Le principe consiste alors à faire varier la puissance de sortie du convertisseur en fonction de ce que peut délivrer l'alternateur et donc en fonction de sa vitesse de rotation, afin d'éviter qu'il ne soit en fonctionnement saturé à bas régime et que la tension du réseau de bord ne chute alors trop rapidement. A cet effet, l'installation selon l'invention comporte des moyens de régulation de la puissance de sortie des moyens formant convertisseur de tension 3 en fonction de la vitesse de rotation des moyens 1 de génération d'énergie électrique, intégrés dans le superviseur 4. Dans la suite de la description, on va utiliser les abréviations suivantes: - Nnom représente le seuil de vitesse de rotation de l'alternateur pour un changement de puissance du convertisseur de Pral à Pnom; - Pral est la puissance minimale du convertisseur lors des phases de ralenti du moteur du véhicule (N Nnom) ; - Precup représente la puissance du convertisseur lors de la récupération d'énergie; - Nrecup est la vitesse de rotation minimale pour un fonctionnement du convertisseur à Precup; - Vnom est la tension nominale du convertisseur hors récupération d'énergie; et - Vrecup est la tension de régulation du convertisseur pendant la récupération d'énergie. En fait, et afin d'optimiser le fonctionnement de l'installation, on utilise trois niveaux de puissance pour le convertisseur continu / continu, à savoir: - un premier niveau de puissance Pral qui correspond à un fonctionnement à une vitesse de rotation proche du ralenti inférieure à Nnom. Le niveau de puissance du convertisseur, notamment pour recharger la super-capacité, est alors faible afin de ne pas saturer l'alternateur trop rapidement à bas régime; - un second niveau de puissance qui correspond à la puissance nominale du convertisseur Pnom. Ce niveau de puissance est celui utilisé pendant la phase de roulage du véhicule et pour une vitesse de rotation de l'alternateur supérieure au seuil Nnom; - un troisième niveau qui est utilisé seulement pendant les phases de décélération du véhicule et lorsque la vitesse de rotation de l'alternateur est supérieure à une valeur de seuil Nrecup. L'intérêt est alors de faire de la récupération d'énergie rapidement avec des niveaux de puissance acceptables (Precup). Ces trois niveaux de puissance correspondent alors aux trois phases de fonctionnement de l'installation. A titre d'exemple, on peut par exemple citer un niveau de puissance Pral = 50% de la puissance nominale Pnom et Precup = 130% de cette puissance nominale. Les variations de consigne de puissance ou de tension sont limitées dans des gabarits définis, à titre d'exemple, le courant et la tension d'entrée du convertisseur ne doivent pas dépasser respectivement une dynamique de 300 ampères par seconde et 1 volt par seconde. La valeur de seuil de vitesse de rotation de l'alternateur Nnom qui définit le passage entre la valeur de puissance réduite et la valeur de puissance nominale du convertisseur peut par exemple être fixée à environ 150% de la vitesse de rotation de ralenti de l'alternateur. Le superviseur intègre un algorithme qui est par exemple illustré sur la figure 2, dont on reconnaît les grandes phases de test logique dont l'une permet par exemple au superviseur 4, qui comporte des moyens de comparaison de la vitesse de rotation des moyens formant générateur à la valeur de seuil prédéterminée de vitesse, de réguler la puissance de sortie des moyens formant convertisseur à une valeur de puissance réduite si la vitesse de rotation des moyens formant générateur est inférieure à la valeur de seuil et à une valeur de puissance nominale du convertisseur si la vitesse de rotation est supérieure à cette valeur de seuil. Ce test est par exemple désigné par la référence générale A sur cette figure 2. Un autre test désigné par B permet de tester si la vitesse de rotation est supérieure à la vitesse de rotation minimale pour un fonctionnement du convertisseur à Precup (phase de récupération d'énergie). Comme cela est indiqué précédemment, la valeur de puissance réduite peut être égale à environ 50% de la valeur de la puissance nominale du convertisseur et la valeur de seuil de vitesse peut également être égale à environ 50% au-dessus de la vitesse nominale de rotation des moyens formant générateur. Le superviseur 4 comporte également des moyens d'enclenchement d'une phase de récupération d'énergie électrique à travers les moyens formant convertisseur, notamment à une puissance de récupération supérieure à la puissance nominale et égale par exemple à environ 130% de celle-ci. De même, la tension des moyens formant convertisseur peut être établie à une première valeur lorsque ceux-ci sont destinés à alimenter des charges embarquées à bord du véhicule ou à une seconde valeur lorsque ceux-ci seront en phase de récupération d'énergie. Ces différentes grandeurs de tension et de courant débité sont par exemple illustrées sur la figure 3, sur laquelle le premier tracé illustre la tension, le deuxième tracé le courant débité, le troisième tracé la vitesse du véhicule, le quatrième tracé la puissance des moyens formant convertisseur et le cinquième tracé l'enclenchement ou non d'une phase de récupération d'énergie. Comme cela est indiqué précédemment également, en plus du changement de puissance du convertisseur, la tension de sortie de ce convertisseur peut également être changée en fonction du mode de fonctionnement souhaité, à savoir, en récupération ou non. Hors récupération d'énergie, la tension du convertisseur peut par exemple être fixée à 40 Volts, quelle que soit la puissance de ce convertisseur tandis qu'en récupération d'énergie cette tension peut être montée à 48 Volts, quelle que soit la puissance du convertisseur. L'intérêt d'augmenter la tension de régulation est de pouvoir recharger la super-capacité à un niveau de tension supérieur au niveau de fonctionnement normal afin de récupérer encore plus d'énergie dans un temps imparti. Ainsi par exemple, sur un cycle de roulage de 20 minutes, des tests ont montré qu'une phase de récupération permettait de stocker 16 470 Joules supplémentaires par rapport au fonctionnement normal (soit 4,6Wh). L'intérêt de faire de la récupération d'énergie à une tension supérieure à la tension nominale de fonctionnement permet ensuite de délester l'alternateur pendant certaines phases du cycle de charge où la tension de la super-capacité après sollicitation est toujours supérieure à 40 Volts (il n'y a pas de recharge de la super-capacité sauf durant un ralentissement du véhicule). De même, pour garantir un fonctionnement rapide et complet des moyens formant convertisseur, il peut être souhaitable de les piloter à travers un bus de communication. Celui-ci transmet alors les différentes commandes de mise en fonctionnement, de niveau de puissance et de tension mais également d'état/diagnostic, à savoir, marche-arrêt, saturé et types de défaut. Sur la figure 4, on a illustré la courbe courant débité en fonction du régime de rotation de l'alternateur montrant que le courant débité possible au ralenti est inférieur à celui possible en régime nominal. Une telle installation présente un certain nombre d'avantages dans la mesure où elle ne nécessite que très peu d'éléments et a peu d'impact sur l'architecture électrique des véhicules. Elle permet également de réduire la consommation en carburant par une récupération d'énergie électrique lors des décélérations du véhicule et peut être partagée par plusieurs fonctions innovantes avec un surcoût bien moindre comparé à un réseau bitension de type classique. A titre d'exemple, cette installation peut être rapidement mise en oeuvre avec des fonctions de type direction assistée électrique, commande par fils (X-by-wire), etc... mais également récupération d'énergie électrique à la décélération, aide au démarrage, etc. Bien entendu, d'autres modes de réalisation encore peuvent être envisagés, par exemple avec un convertisseur soit élévateur, soit abaisseur. REVENDICATIONS 1. Installation électrique de bord pour véhicule automobile, du type comportant des moyens (1) de génération d'énergie électrique entraînés par des moyens de motorisation du véhicule, des moyens (2) de stockage d'énergie électrique, des moyens (3) formant convertisseur réversible de tension et des moyens (5) formant super-capacité, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens (4) de régulation de la puissance de sortie des moyens (3) formant convertisseur de tension en fonction de la vitesse de rotation des moyens (1) de génération d'énergie électrique. 2. Installation électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens (4) de régulation de puissance comportent des moyens de comparaison de la vitesse de rotation des moyens (1) formant générateur à une valeur de seuil prédéterminée de vitesse pour réguler la puissance de sortie des moyens (3) formant convertisseur à une valeur de puissance réduite si la vitesse de rotation des moyens (1) formant générateur est inférieure à la valeur de seuil et à une valeur de puissance nominale de ces moyens formant convertisseur si la vitesse de rotation est supérieure à la valeur de seuil. 3. Installation électrique selon la revendication 2, caractérisée en ce que la valeur de puissance réduite est égale à environ 50 % de la valeur de puissance nominale. 4. Installation électrique selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que la valeur de seuil de vitesse nominale est égale à environ 150 % de la vitesse de ralenti des moyens (1) formant générateur. 5. Installation électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens (4) de régulation de puissance comportent des moyens d'enclenchement d'une phase de récupération d'énergie électrique à travers les moyens (3) formant convertisseur. 6. Installation électrique selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens (4) de régulation de puissance sont adaptés pour piloter les moyens (3) formant convertisseur à une puissance de récupération supérieure à la puissance nominale. 7. Installation électrique selon la revendication 6, caractérisée en ce que la puissance de récupération est égale à environ 130% de la puissance nominale. 8. Installation électrique selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que les moyens (4) de régulation de puissance sont adaptés pour établir la tension des moyens (3) formant convertisseur à une première valeur lorsque ceux-ci sont destinés à alimenter des charges embarquées à bord du véhicule et à une seconde valeur lorsque ceux-ci sont en phase de récupération d'énergie.