Brevet FR2924628A1 — publié le 20090612

La présente invention concerne un dispositif d'alimentation d'un ensemble d'actionneurs à membranes en polymère électro-actif, notamment d'un ensemble d'actionneurs destinés à modifier les caractéristiques aérodynamiques d'un véhicule automobile. Il est connu de pouvoir améliorer la traînée aérodynamique d'un véhicule par l'expulsion de jet synthétique d'air au niveau de la carrosserie de ce véhicule. Cette application nécessite un ensemble d'actionneurs, tous électriques, qui comprennent chacun une cavité close ouverte à l'extérieur via un orifice et dont au moins une des parois est constituée d'une ou de plusieurs membranes vibrantes. Ces membranes peuvent être réalisées à partir de différents matériaux actifs. Certaines technologies de membrane nécessitent des tensions d'amplitude 200 à 300 fois plus élevée que celle de la tension disponible sur le réseau électrique de bord du véhicule. Ces membranes sont par exemple en polymère électro-actif. Certains modes de réalisation de ces actionneurs comprennent deux membranes actives qui permettent un fonctionnement de type push-pull ayant pour effet d'accroître les performances des actionneurs, les déplacements des membranes et donc des volumes d'air étant augmentés. L'introduction d'une telle innovation dans un véhicule pose un problème technique de structure du dispositif permettant de piloter électriquement ces actionneurs. On connaît par exemple, de différents documents (FR 2 896 757, EP 1 544 089, US 6,471,477, US 6,457,654), l'utilisation de jets synthétiques pour améliorer l'aérodynamique d'un véhicule. L'amélioration de l'aérodynamique est obtenue par la présence de jet synthétique à la surface de la carrosserie du véhicule, le jet synthétique étant par exemple créé à l'orifice d'une cavité dans laquelle un actionneur électrique fait vibrer une ou plusieurs membranes. MS\REN052FR.dpt On connaît également des brevets US 5,090,766 et US 4,810,022 des systèmes électroniques pour actionner des déflecteurs d'air pour améliorer l'aérodynamique d'un véhicule ou, de la demande US 20050121946, l'utilisation de matériaux actifs pour déformer la carrosserie d'un véhicule ou permettre de créer des dispositifs de type déflecteur d'air. Le problème technique évoqué plus haut est encore rendu plus complexe par le fait que l'utilisation d'un tel système aérodynamique nécessite de nombreux actionneurs électriques alimentés en parallèle. Ceci a tendance à rendre l'architecture de pilotage des actionneurs complexe, coûteuse, volumineuse et lourde. Ces inconvénients sont discriminants et peuvent être rédhibitoires pour une architecture devant en outre être produite en grande série et devant être embarquée. En outre, le pilotage des actionneurs nécessite une tension alternative dont l'amplitude peut varier de 1000 Volts à 6000 Volts crête à crête selon la technologie de la membrane vibrante de l'actionneur utilisée. La forme d'onde de cette tension doit pouvoir varier (par exemple sinusoïdale, trapézoïdale, carrée... ) et la fréquence de pilotage doit également pouvoir varier de 100 Hz à 1000 Hz. Ainsi, la gamme de tension devant être utilisée pour cette application n'est pas dans les (ou est à la limite des) gammes de tenue de tension de nombreux composants électroniques, notamment les transistors. De plus, la fréquence devant être utilisée est relativement basse et la puissance électrique totale conséquente (quelques dizaines de Watt). Ces différents constats montrent que les composants électroniques passifs, inductifs ou capacitifs (condensateurs, inductances, transformateurs ... ), qui devront être utilisés seront nécessairement de MS\REN052FR.dpt forte valeur (en Farad et en Henry) et de volume important (par conséquent de masse élevée). L'encombrement de cette architecture de pilotage devant en outre être conséquent du fait dé présence de tensions très élevées nécessitant des distances d'isolement électrique importantes dans les composants électroniques et entre les composants électroniques. En outre, ce volume d'architecture, cette masse d'architecture et ces coûts d'architectures devraient être multipliés par le nombre de membranes d'actionneurs à alimenter. Le but de l'invention est de fournir un dispositif d'alimentation obviant aux inconvénients identifiés précédemment et permettant d'améliorer les dispositifs d'alimentation connus de l'art antérieur. En particulier, l'invention propose un dispositif d'alimentation simple, d'encombrement et de masse réduits de façon à ce qu'il puisse être produit en grande série à faible coût et à ce qu'il puisse être embarqué dans un véhicule. Selon l'invention, le dispositif d'alimentation d'un ensemble d'actionneurs à membranes actives est caractérisé en ce qu'il comprend : un générateur pour convertir un signal de tension d'entrée de type Très Basse Tension en un signal de tension de sortie de type Basse Tension ou Haute Tension ou Très Haute Tension, et un dispositif de distribution pour fournir à chaque membrane tout ou partie du signal de tension de sortie. Le signal de tension d'entrée peut être de type continu. Les moyens de commutation peuvent comprendre des interrupteurs commandés. Les moyens de commutation peuvent être du type à semi-conducteurs. MS\REN052FR.dpt30 Le dispositif de distribution peut appliquer alternativement, de manière exclusive, le signal de tension de sortie à plusieurs groupes de membranes. Le générateur peut comprendre un convertisseur continu û alternatif. Le générateur peut comprendre un transformateur élévateur de tension. 10 Le générateur peut comprendre un redresseur de tension. Le dispositif d'alimentation peut comprendre une unité de commande pilotant les caractéristiques du générateur. 15 Selon l'invention, l'installation comprend un dispositif d'alimentation défini précédemment et un ensemble d'actionneurs à membranes en polymère électro-actif alimenté par ce dispositif d'alimentation. Les actionneurs peuvent être des actionneurs modifiant les 20 caractéristiques aérodynamiques d'un véhicule automobile. Selon l'invention, le véhicule automobile comprend une installation définie précédemment ou un dispositif d'alimentation défini précédemment. Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, un mode de réalisation d'un dispositif d'alimentation selon l'invention. La figure 1 est un schéma d'une installation comprenant un ensemble 30 d'actionneurs et un mode de réalisation de dispositif d'alimentation alimentant ces actionneurs. MS\REN052FR.dpt 25 La figure 2 est un schéma du mode de réalisation de dispositif d'alimentation alimentant ces actionneurs. La figure 3 est un schéma détaillé de ce mode de réalisation de dispositif d'alimentation. La figure 4 est un graphique représentant les signaux de tensions obtenus à différents endroits dans le dispositif d'alimentation selon l'invention. Le principe de l'invention est de fournir un dispositif d'alimentation dont l'architecture est centralisée, c'est-à-dire qu'on centralise la production du signal électrique qui est appliqué aux différentes membranes des différents actionneurs. Cette solution permet de n'avoir recours qu'à un seul dispositif pour alimenter les différentes membranes tout en permettant d'alimenter ces membranes avec des formes d'onde variées. L'installation 1 représentée aux figures 1, 2 et 3 comprend principalement un mode de réalisation de dispositif d'alimentation 4 alimentant un ensemble 2 d'actionneurs (ici par exemple quatre actionneurs 3a, 3b, 3c, 3d). Ces actionneurs sont du type à membrane en polymère électro-actif et sont par exemple utilisés sur la carrosserie d'un véhicule pour améliorer ses caractéristiques aérodynamiques. Les actionneurs comprennent ainsi une cavité fermée 11 a, 11 b, 11 c, 11 d munie d'un orifice 10a, 10b, 10c, 10d et dont une paroi présente des premières membranes déformables 12a, 12b, 12c, 12d et des deuxièmes membranes déformables 12'a, 12'b, 12'c, 12'd. Les déformations des membranes, sous l'effet de tensions électriques, permettent de produire des jets d'air synthétiques sortant des orifices. Les actionneurs peuvent aussi chacun comprendre plus de deux membranes. Le dispositif d'alimentation 4 comprend des moyens (décrits plus loin) pour assurer MS\REN052FR.dpt une fonction d'alimentation des premières membranes (représentée par l'ellipse 100) et une fonction d'alimentation des deuxièmes membranes (représentée par l'ellipse 200). Le dispositif d'alimentation 4 comprend un moyen 6 de mise en forme d'un signal de tension de sortie alimentant les membranes d'actionneurs à partir d'un signal de tension d'entrée fourni par exemple par une batterie 5 ou un générateur électrique comme un alternateur. Lorsque les membranes sont en polymère électro-actif, elles doivent être alimentées par une tension alternative importante. Ainsi, le signal de tension d'entrée peut être du type continu et Très Basse Tension et le signal de tension de sortie peut être du type alternatif et Basse Tension ou Haute Tension (voire Très Haute Tension). Par conséquent, le moyen de mise en forme comprend un générateur 7 dit � haute tension � pour produire un signal de type Basse Tension ou Haute Tension (voire Très Haute Tension) et de type continu à partir du signal de tension délivré par la batterie 5. En sortie de ce générateur, on recueille un signal de tension variable (par exemple tel que représenté sur le premier chronogramme de la figure 4). Ce signal attaque ensuite un dispositif 8 de distribution du signal de tension permettant d'appliquer tout ou partie du signal attaquant le dispositif sur les premières et/ou deuxièmes membranes. Ainsi, on récupère par exemple sur les premières membranes un signal de tension tel que représenté sur le deuxième chronogramme de la figure 4 et sur les deuxièmes membranes un signal de tension tel que représenté sur le troisième chronogramme de la figure 4. Dans ce cas, on a un découpage temporel du signal de tension issu du générateur 7, ce signal étant appliqué successivement, de manière exclusive, aux premières membranes puis aux deuxièmes membranes. Ainsi, le signal est appliqué une partie du temps aux premières membranes et une autre partie du temps aux deuxièmes MS\REN052FR.dpt membranes. Le générateur 7 est de préférence de type continu monopolaire à dynamique élevée. Il comprend un premier étage d'électronique de puissance présentant un convertisseur continu ù alternatif 20, puis un deuxième étage comprenant un transformateur élévateur 21 et enfin un troisième étage comprenant un redresseur 22 pour obtenir en sortie de ce troisième étage un signal de tension élevée et continue. Le redresseur présente une structure à condensateurs et diodes. Le convertisseur 20 présente de préférence une topologie d'onduleur. Il fonctionne de préférence à fréquence élevée, par exemple plusieurs dizaines voire plusieurs centaines de kHz. Il fournit un signal alternatif dont la fréquence est comprise entre 10kHz et plusieurs centaines de kHz voire 1MHz. De préférence, la tension du signal obtenu en sortie de générateur peut être mesurée grâce à un moyen de mesure et l'information de mesure peut être utilisée dans une boucle de régulation asservissant la tension du signal de sortie du générateur. On remarque que le générateur a globalement une structure de convertisseur élévateur continu ù continu. Néanmoins, sa dynamique élevée permet par modification en temps réel de ses caractéristiques d'obtenir en sortie un signal de tension variable. Une unité de commande électronique 30 permet d'agir sur le générateur de manière dynamique. Cette action est représentée par un trait pointillé figurant une consigne de forme de signal de tension à obtenir en sortie du générateur. En effet, cette unité de commande détermine la forme du signal de tension à obtenir en sortie de générateur et agit grâce à un ou plusieurs paramètres de consigne sur les caractéristiques du générateur pour obtenir cette forme. Cette unité de commande tiendra avantageusement compte d'une éventuelle mesure de tension du signal MS\REN052FR.dpt de sortie du générateur comme expliqué plus haut. L'unité de commande électronique est de préférence reliée à un réseau de communication (par exemple CAN ou LIN) fournissant des informations telles que par exemple des informations cinétiques et/ou dynamiques du véhicule. Le dispositif de distribution 8 comprend des moyens de commutation 23a, 23b. Ces moyens de commutation sont principalement des interrupteurs commandés, par exemple des transistors. Ils permettent de connecter, via des réseaux de conducteurs 24a, 24b, la sortie du générateur aux premières membranes ou aux deuxièmes membranes. Bien entendu si l'ensemble d'actionneurs comprend plus de deux groupes de membranes, alors d'autres moyens de commutation peuvent être prévus pour connecter le signal issu du générateur aux autres membranes. Ces moyens de commutation sont par exemple pilotés par l'unité de commande évoquée plus haut. Un avantage de ce mode de réalisation de dispositif d'alimentation réside dans le fait qu'il présente une électronique de puissance fonctionnant à fréquence élevée par rapport à la fréquence de fonctionnement des actionneurs. Ainsi, l'encombrement du circuit d'électronique de puissance est réduit (surtout celui du transformateur élévateur 21). De plus, comme expliqué, la grande dynamique du générateur permet de générer des formes d'onde variées permettant un pilotage optimisé des membranes. De préférence, les moyens de commutation changent d'état lorsque la tension du signal issu du générateur est nulle ou sensiblement nulle et lorsque le courant est nul ou sensiblement nul. Ceci permet de fiabiliser le fonctionnement du dispositif de distribution, notamment en augmentant la durée de vie des transistors. Ceci permet encore de limiter les pertes de puissance et les échauffements. MS\REN052FR.dpt Le dispositif d'alimentation selon l'invention présente l'avantage de centraliser �l'intelligence� de l'installation c'est-à-dire la génération du signal de tension approprié pour alimenter les membranes en polymère électro-actif. En outre, la centralisation de la production de la tension de sortie de forte amplitude permet de simplifier les moyens de protection nécessaires pour éviter que celle-ci ne perturbe les autres systèmes électriques et électroniques à proximité. MS\REN052FR.dpt Revendications : 1. Dispositif (4) d'alimentation d'un ensemble (2) d'actionneurs (3a, 3b, 3c, 3d) à membranes (12a, 12b, 12c, 12d, 12'a, 12'b, 12'c, 12'd) actives, caractérisé en ce qu'il comprend : un générateur (7) pour convertir un signal de tension d'entrée de type Très Basse Tension en un signal de tension de sortie de type Basse Tension ou Haute Tension ou Très Haute Tension, et un dispositif de distribution (8) pour fournir à chaque membrane tout ou partie du signal de tension de sortie. 2. Dispositif d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal de tension d'entrée est de type continu. 3. Dispositif d'alimentation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de commutation comprennent des interrupteurs commandés (23a, 23b). 20 4. Dispositif d'alimentation selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de commutation sont du type à semi-conducteurs. 5. Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de distribution 25 applique alternativement, de manière exclusive, le signal de tension de sortie à plusieurs groupes de membranes (12a, 12b, 12c, 12d, 12'a, 12'b, 12'c, 12'd). 6. Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 30 précédentes, caractérisé en ce que le générateur (7) comprend un convertisseur continu ù alternatif (20). MS\REN052FR.dpt15 7. Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur (7) comprend un transformateur élévateur de tension (21). 8. Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur (7) comprend un redresseur de tension (22). 10 9. Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une unité de commande (30) pilotant les caractéristiques du générateur (7). 10. Installation (1) comprenant un dispositif d'alimentation (4) selon 15 l'une des revendications précédentes et un ensemble (2) d'actionneurs (3a, 3b, 3c, 3d) à membranes (12a, 12b, 12c, 12d, 12'a, 12'b, 12'c, 12'd) en polymère électro-actif alimenté par ce dispositif d'alimentation. 20 11. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que les actionneurs sont des actionneurs modifiant les caractéristiques aérodynamiques d'un véhicule automobile. 12. Véhicule automobile comprenant une installation (1) selon la 25 revendication 10 ou 11 ou un dispositif d'alimentation (4) selon l'une des revendications 1 à 9. MS\REN052FR.dpt