Brevet FR2903055A1 — publié le 20080104

-1- Procédé de gestion d'un réseau d'alimentation électrique à tension variable, notamment de véhicule automobile DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne un procédé de gestion d'un réseau d'alimentation à tension variable, notamment un réseau de bord de véhicule automobile. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION Io Dans le but de trouver une réponse à l'augmentation du nombre et de la consommation électrique des équipements embarqués à bord des véhicules automobiles, a été développé depuis quelques années le concept de réseau d'alimentation électrique bi-tension. La demande de brevet FR2836604 décrit un tel système d'alimentation 15 électrique bi-tension. Une partie du réseau est alimentée par un élément de stockage d'énergie à basse tension, constante, généralement constitué par une batterie de 12V. Une autre partie du réseau est alimentée par un élément de stockage de l'énergie électrique à haute tension, généralement constitué par un 20 ultracondensateur, chargé à tension variable, via un régulateur, par un alternateur entraîné par le moteur thermique du véhicule. Le réseau basse tension est principalement utilisé pour alimenter les charges électriques de faible puissance telles que l'éclairage du tableau de bord ou de l'habitacle, la radio, les actionneurs des fermetures des portières, les feux 25 de signalisation, etc... Le réseau haute tension sert à alimenter les équipements de bord requérant une forte puissance électrique, tels le démarreur du moteur thermique, les projecteurs, ou l'installation de climatisation. Les transferts d'énergie électrique entre les deux parties du réseau sont 30 réalisés au moyen d'un convertisseur continu-continu réversible, et sont gérés en fonction des ressources demandées et disponibles sur l'un et l'autre des réseaux, comme il est notamment indiqué dans la demande de brevet précitée. La tension du réseau basse tension étant sensiblement constante, les équipements connectés en parallèle ne possèdent chacun qu'un seul point de 2903055 -2-fonctionnement liant tension aux bornes et courant, pour une puissance électrique donnée. Dans le cas d'un réseau électrique de bord classique, à tension fixe, alimenté par un élément de stockage de l'énergie électrique associé à un 5 alternateur régulé sur cette tension fixe, la seule possibilité d'optimisation du rendement du système semble être de gérer l'utilisation soit de l'alternateur, soit de la batterie, soit une combinaison des deux en fonction de la demande énergétique, comme le propose la demande de brevet US20020171392. En revanche, la tension du réseau haute tension étant variable, les io équipements connectés en parallèle sur ce réseau, qu'ils soient consommateurs ou producteurs d'énergie électrique, présentent plusieurs points de fonctionnement possibles pour une même puissance électrique absorbée ou générée. Ce degré de liberté supplémentaire, offert par une architecture de réseau ls d'alimentation électrique à tension variable, ne semble pas avoir été, jusqu'à ce jour, pris en considération par l'homme de métier pour gérer de façon optimale l'énergie disponible à bord d'un véhicule automobile. DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION 20 La présente invention vise donc un procédé de gestion d'un réseau d'alimentation électrique à tension variable, notamment de véhicule automobile, ce réseau comprenant, connectés en parallèle: - au moins un régulateur associé à une machine électrique tournante fonctionnant en génératrice à une vitesse de rotation instantanée inférieure ou 25 supérieure à une vitesse de rotation nominale prédéterminée, ce régulateur produisant une tension de sortie comprise entre une première tension de régulation et une seconde tension de régulation supérieure à la première tension de régulation ; - au moins un élément de stockage d'énergie électrique présentant une tension 30 de charge comprise entre une première tension de service et une seconde tension de service supérieure à la première tension de service ; - au moins une charge consommatrice d'énergie électrique ; exploitant cette latitude supplémentaire et consistant alternativement, selon le mode de fonctionnement désiré de ce réseau, à : 2903055 -3- fixer, en fonction de la vitesse de rotation instantanée de la machine électrique, la tension de sortie à une tension de sortie optimale comprise entre la première tension de service et la seconde tension de service de manière à maximiser la puissance électrique débitée par la machine 5 électrique dans l'élément de stockage ; fixer, quand la vitesse de rotation instantanée est inférieure à la vitesse de rotation nominale, la tension de sortie à une première valeur sensiblement égale à la première tension de service de manière à maximiser le rendement du transfert d'énergie de la machine électrique vers la charge; lo fixer, quand la vitesse de rotation instantanée est supérieure à la vitesse de rotation nominale, la tension de sortie à une seconde valeur sensiblement égale à la seconde tension de service de manière à maximiser le rendement du transfert d'énergie de la machine électrique vers la charge. 15 Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé comprend également l'étape de : charger périodiquement l'élément de stockage au moyen de la machine électrique avec une puissance électrique instantanée égale à une 20 première puissance nominale uniquement pendant une fraction d'un intervalle de temps prédéterminé, la première puissance nominale étant choisie de manière que la moyenne temporelle de cette puissance instantanée soit égale à une seconde puissance nominale requise par la charge, et de manière à maximiser le rendement du transfert d'énergie de 25 la machine électrique vers la charge. Selon encore une autre caractéristique du procédé selon l'invention, la tension de sortie optimale est comprise dans une plage entre environ 20 V et environ 26 V, pour une vitesse de rotation instantanée comprise entre 1 800 30 tr/mn et 3000 tr/mn, Ces quelques spécifications essentielles auront rendu évidents pour l'homme de métier les avantages apportés par le procédé selon l'invention par rapport à l'état de la technique antérieur. 2903055 -4- Les spécifications détaillées de l'invention sont données dans la description qui suit en liaison avec les dessins ci-annexés. Il est à noter que ces dessins n'ont d'autre but que d'illustrer le texte de la description et ne constituent en aucune sorte une limitation de la portée de l'invention. 5 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La Figure 1 est le schéma électrique d'un réseau d'alimentation électrique bi-tension connu de l'état de la technique, dont le réseau haute tension est adapté à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, et comportant Io notamment un régulateur associé à une machine électrique tournante fonctionnant en génératrice. La Figure 2 montre des exemples de courbes de la puissance électrique débitée par la machine électrique tournante fonctionnant en génératrice représentée sur la Figure 1 en fonction de la tension de sortie du régulateur, is pour différentes vitesses de rotation instantanées. La Figure 3 représente des exemples de courbes isopuissance dans l'espace tension de régulation/ vitesse de rotation instantanée de la machine électrique tournante fonctionnant en génératrice représentée sur la Figure 1. La Figure 4 représente des exemples de courbes isorendement dans 20 l'espace courant débité/ vitesse de rotation instantanée de la machine électrique tournante fonctionnant en génératrice représentée sur la Figure 1, pour une première tension de régulation. La Figure 5 représente des exemples de courbes isorendement dans l'espace courant débité/ vitesse de rotation instantanée de la machine électrique 25 tournante fonctionnant en génératrice représentée sur la Figure 1, pour une seconde tension de régulation supérieure à la première tension de régulation. La Figure 6 illustre un mode de fonctionnement cyclique du réseau d'alimentation électrique à tension variable représenté sur la Figure 1 selon le procédé de l'invention. 30 DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES DE L'INVENTION La Figure 1 montre schématiquement un exemple de réseau d'alimentation électrique bi-tension 1,2 installé couramment à bord des véhicules automobiles. 2903055 -5- Le réseau bi-tension 1,2 présente un réseau haute tension 1 comprenant: une machine électrique tournante polyphasée 3, fonctionnant en génératrice; un régulateur 4 fournissant une tension de sortie continue à partir des 5 courants de phases de la machine électrique 3 ; un élément de stockage de l'énergie électrique 5 constitué de préférence par une supercapacité, ou un ultracondensateur ; une charge 6 consommatrice d'énergie électrique ; Ce réseau haute tension 1 est connecté par un convertisseur continu- io continu 7 réversible à un réseau basse tension 2 comprenant un autre élément de stockage de l'énergie électrique 8, constitué généralement par une batterie de 12V, et d'autres charges électriques de faible puissance 9. Le convertisseur continu-continu 7 étant réversible, la batterie 8 fournit, dans certains modes de fonctionnement du réseau bi-tension 1,2, de l'énergie ls au réseau haute tension 1. C'est le cas notamment pour charger l'ultracondensateur 5 quand la machine électrique tournante 3 fonctionne en moteur, le module électronique de puissance 4 connectant la machine 3 au réseau, qui fait fonction de régulateur 4 en mode alternateur, fonctionnant alors en onduleur 4 pour générer les courants 20 des phases à partir de la haute tension continue du réseau 1. Un élément de stockage tel qu'un ultracondensateur 5 présente une fourchette de tensions de charge U admissibles généralement comprises entre une première tension de service de 16V et une seconde tension de service de 28V, par exemple, 25 Les Figures 2,3,4 et 5 permettent de bien comprendre comment la variabilité de la tension de charge U de l'ultracondensateur 5, c'est-à-dire de la tension du réseau haute tension 1, autorise une maximisation de la puissance électrique disponible et/ou du rendement, en mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. 30 On remarque sur la Figure 2, donnant la puissance débitée P en fonction de la tension de sortie du régulateur U pour différentes valeurs de la vitesse de rotation instantanée N, que pour une vitesse de rotation instantanée N donnée, il existe une tension de sortie optimale Uo,Uo' du régulateur 4 qui maximise la puissance électrique P débitée. 2903055 -6- Par exemple, quand la vitesse de rotation instantanée N est de 1.800 tr/mn, la tension de sortie optimale Uo du régulateur 4 est proche de 20V, et la puissance électrique débitée P atteint le maximum de 2kW. Quand la vitesse de rotation instantanée N est de 3000 tr/mn, la tension 5 de sortie optimale Uo' est de 26V pour une puissance électrique débitée de 3kW. Pour des vitesses de rotation instantanées N supérieures à cette vitesse de rotation nominale de 3000 tr/mn, la puissance électrique débitée croît avec la tension de sortie U du régulateur 4, et de ce fait, n'est limitée que par la seconde io tension de service de 28V de l'ultracondensateur 5. La même stratégie de maximalisation de la puissance électrique P débitée apparaît aussi clairement au vu de la Figure 3 montrant les courbes isopuissance (en kilowatt) dans l'espace tension de sortie U/ vitesse de rotation instantanée N. is Par exemple, la courbe 10 correspondant à une puissance électrique P débitée de 3,0 kW est tangente à la droite 11 d'abscisse N=3000 en un point d'ordonnée Uo'=26V. Une stratégie de gestion du réseau 1 privilégiant le rendement se déduit quant à elle des courbes isorendement dans l'espace courant débité 1/ vitesse 20 de rotation instantanée N montrées sur les Figures 4 et 5 (rendements exprimés en %). La Figure 4 montre un ensemble de courbes isorendement quand la tension de sortie du régulateur U est de 16V. La Figure 5 montre un ensemble de courbes isorendement quand la 25 tension de sortie du régulateur U est de 26V. Exemple 1 On suppose que le besoin électrique du véhicule est de 640W, et que le moteur thermique du véhicule entraîne la machine électrique 3 à la vitesse de 30 rotation instantanée N de 2500 tr/mn. Si la tension de sortie U du régulateur 4 est fixée à 26V, l'intensité I débitée est alors de 25A. La Figure 5 montre que le rendement est d'environ 62%, au point A d'abscisse 2500 tr/mn et d'ordonnée 25A. 2903055 -7- Si la tension de sortie U du régulateur 4 est fixée à 16V, l'intensité I débitée est alors de 40A. La Figure 4 montre que le rendement est d'environ 70%, au point B d'abscisse 2500 tr/mn et d'ordonnée 40A. 5 Exemple 2 A 14.000 tr/mn, si le besoin électrique du véhicule est de 2kW, et que la tension de sortie U du régulateur 4 est fixée à 16V, le débit I est de 125A. La Figure 4 montre que le rendement est d'environ 48%, au point C d'abscisse 14.000 tr/mn et d'ordonnée 125A. io Si la tension de sortie U du régulateur 4 est fixée à 26V, le débit I de 76A est associé à un rendement de 55% (Point D d'abscisse 14.000 tr/mn et d'ordonnée 76A de la Figure 5). Quand la vitesse de rotation instantanée N de la génératrice 3 est inférieure à une vitesse de rotation nominale d'environ 3000 ou 4000 tr/mn, les is exemples ci-dessus montrent qu'il convient de fixer la tension de sortie U du régulateur 4 à la tension la plus basse de la plage de régulation compatible avec les caractéristiques de l'élément de stockage 5, c'est-à-dire à la première tension de service de l'élément de stockage 5, afin de maximiser le rendement du transfert d'énergie de la machine électrique 3 vers la charge 6 du réseau haute 20 tension 1. Au contraire, quand la vitesse de rotation instantanée N de la génératrice 3 est supérieure à cette vitesse de rotation nominale, la stratégie d'optimisation du rendement consiste à fixer la tension de sortie U du régulateur 4 à la tension la plus élevée compatible avec les caractéristiques de l'élément de stockage 5, 25 c'est-à-dire la seconde tension de service. Les Figures 4 et 5 montrent que le rendement augmente globalement avec le débit I. Pour un besoin en puissance électrique donné, il est donc préférable de débiter plus de puissance en fonctionnant cycliquement. 30 Exemple 3 On suppose que le besoin électrique du véhicule est de 500W. La vitesse de rotation instantanée N est de 10.000 tr/mn. On fixe la tension de sortie U du régulateur 4 à environ 16V. Les courbes isorendement correspondantes sont données sur la Figure 4. 2903055 -8-L'intensité débitée étant de 30A, le rendement est d'environ 43% au point E d'abscisse 10.000 tr/mn et d'ordonnée 30A. Si le débit était de 80A, pour une puissance débitée de 1250W, à la même vitesse de rotation instantanée N, le rendement serait proche de 60% 5 (point F). Selon le procédé de l'invention, le rendement du réseau d'alimentation électrique 1, est amélioré en débitant une puissance instantanée égale à une première puissance nominale P1 de 1250W uniquement pendant une fraction Ti d'un intervalle de temps T1+T2, le débit étant nul pendant le reste T2 de io l'intervalle de temps, de manière que la moyenne temporelle de cette puissance instantanée P soit égale à une seconde puissance nominale P2 de 500W correspondant au besoin du véhicule. La Figure 6 montre la variation de la puissance instantanée P débitée au cours du temps T. 15 De préférence, la période T1 + T2 des débits est environ de 5s. Si la fraction T1 de cet intervalle de temps est de 2s, la valeur moyenne de la puissance instantanée est bien de 1250W x 2 / 3 = 500 W. Comme le montre aussi la Figure 6, dans le cas où l'élément de stockage 20 d'énergie 5 est un ultracondensateur, la tension aux bornes de cette capacité augmente légèrement au dessus du point de régulation initial U1 au cours du débit. Si la durée T1 du débit I est faible, la variation U2-U1 est faible pour une capacité C importante. 25 Dans l'exemple 3 ci-dessus, la capacité est chargée pendant T1=2s par un courant égal au courant débité I =80A moins le courant de 30A absorbé par la charge 6, soit I c=50A. Pour une capacité C=170F, la variation de tension est U2-U1=lc*T1 /C, soit environ 0,6 V. 30 Dans l'exemple 3, la machine électrique 3 reste donc bien autour du point de régulation choisi, et le rendement est proche de 55%, c'est-à-dire supérieur de plus de 10% au rendement qui serait obtenu si le procédé selon l'invention n'était pas mis en oeuvre. 2903055 -9- Comme il va de soi l'invention ne se limite pas aux seuls modes d'exécution préférentiels décrits ci-dessus. Les valeurs particulières des vitesses de rotation, des tensions, des intensités, des puissances et des rendements ne sont données qu'à titre d'exemples. 5 Le procédé selon l'invention embrasse au contraire toutes les variantes possibles de mise en oeuvre qui restent dans le cadre défini par les revendications ci-après. REVENDICATIONS 1) Procédé de gestion d'un réseau (1) d'alimentation électrique à tension variable (U), notamment de véhicule automobile, ledit réseau (1) comprenant, 5 connectés en parallèle: - au moins un régulateur (4) associé à une machine électrique tournante (3) fonctionnant en génératrice à une vitesse de rotation instantanée (N) inférieure ou supérieure à une vitesse de rotation nominale prédéterminée, ledit régulateur (4) produisant une tension de sortie (U) comprise entre une première io tension de régulation et une seconde tension de régulation supérieure à ladite première tension de régulation ; - au moins un élément de stockage d'énergie électrique (5) présentant une tension de charge comprise entre une première tension de service et une seconde tension de service supérieure à ladite première tension de service ; 15 - au moins une charge (6) consommatrice d'énergie électrique ; consistant alternativement, selon le mode de fonctionnement désiré dudit réseau (1), à : fixer, en fonction de ladite vitesse de rotation instantanée (N) de ladite machine (3), ladite tension de sortie (U) à une tension de sortie 20 optimale (Uo,Uo') comprise entre ladite première tension de service et ladite seconde tension de service de manière à maximiser la puissance électrique (P) débitée par ladite machine dans ledit élément de stockage (5), fixer, quand ladite vitesse de rotation instantanée (N) est inférieure à 25 ladite vitesse de rotation nominale, ladite tension de sortie (U) à une première valeur sensiblement égale à ladite première tension de service de manière à maximiser le rendement du transfert d'énergie de ladite machine (3) vers ladite charge (6); fixer, quand ladite vitesse de rotation instantanée (N) est supérieure à 30 ladite vitesse de rotation nominale, ladite tension de sortie (U) à une seconde valeur sensiblement égale à ladite seconde tension de service de manière à maximiser le rendement du transfert d'énergie de ladite machine (3) vers ladite charge (6). 2903055 -11- 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend également l'étape de : - charger périodiquement ledit élément de stockage (5) au moyen de ladite machine (3) avec une puissance électrique instantanée (P) égale à une première puissance nominale (P1) uniquement pendant une fraction (Ti) d'un intervalle de temps (T1+T2) prédéterminé, ladite première puissance nominale (P1) étant choisie de manière que la moyenne temporelle de ladite puissance instantanée (P) soit égale à une seconde puissance nominale (P2) requise par ladite charge (6), et de manière à io maximiser le rendement du transfert d'énergie de ladite machine (3) vers ladite charge (6). 3) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la tension de sortie optimale (Uo) est comprise dans une plage entre environ 20V et environ 15 26 V pour une vitesse de rotation instantanée (N) comprise entre 1 800 tr/mn et 3000 tr/mn,