Brevet FR2931774A1 — publié le 20091204

Procédé de contrôle d'un couple alternateur-variateur d'un ensemble moteur de véhicule automobile [000l] La présente invention se rapporte à un procédé de contrôle d'un couple alternateur-variateur d'un ensemble moteur de véhicule automobile. L'invention concerne également un ensemble moteur permettant de mettre en oeuvre un tel procédé. [0002] Elle trouve une application préférée bien que non exhaustive, dans le domaine de l'industrie automobile. Dans ce domaine, on distingue les moteurs thermiques à combustion interne d'automobiles dites classiques et les moteurs électriques utilisés en combinaison des moteurs à combustion interne dans des véhicules dits hybrides. Pour fixer les idées, on se placera dans ce qui suit dans le domaine préféré de l'invention. [0003] Dans ce cadre d'application, il est bien connu d'associer une dynamo ou un alternateur au moteur thermique. [0004] L'invention concerne plus particulièrement la production d'énergie électrique et mécanique des alternateurs. L'étude des alternateurs est une préoccupation dans le domaine de l'industrie automobile car ils présentent un fort potentiel en termes de production d'énergie électrique et mécanique. [0005] Pour rappel, un alternateur comprend une partie fixe ou stator (induit) qui comporte des bobinages constituant des enroulements générateurs de courant alternatif sinusoïdal. Le plus souvent, les alternateurs sont de type triphasé. Chaque bobinage est relié par une première extrémité à une autre bobine et, par une seconde extrémité à un pont de diodes redresseuses, ce qui permet de générer un courant continu. Un alternateur comprend aussi une partie mobile ou rotor (inducteur). Cet inducteur est alimenté par un courant d'excitation. Lorsque l'inducteur est mis en rotation, il génère un courant électrique par couplage électromagnétique. [0006] Pour des raisons technico-économiques, les alternateurs généralement utilisé sont de type à griffes. [0007] L'alternateur génère l'énergie électrique nécessaire au bon fonctionnement de divers appareils consommateurs d'un réseau électrique de bord du véhicule (phares, essuie-glaces, électronique embarquée...) en régime de croisière, i.e. une fois que le moteur est démarré. [000s] Il permet également de recharger au moins une batterie, constituant une source d'énergie auxiliaire dévouée à deux fonctions principales : elle permet de fournir une énergie électrique instantanée importante lors du démarrage du moteur thermique, du fait, notamment de sa faible impédance interne ; elle est alors connectée à un démarreur et elle alimente, au moins momentanément, certains circuits électriques lorsque le véhicule est à l'arrêt (tableau de bord, plafonnier...). [000s] La batterie peut également fournir le courant d'excitation de l'inducteur. Les batteries généralement utilisées fournissant une tension de 12 Volts, les alternateurs sont dimensionnés pour fournir, en régime de croisière, une tension nominale continue de l'ordre de 14 Volts, après redressement. [ooio] Le démarreur est couplé mécaniquement, de façon provisoire pendant le démarrage, au moteur thermique de façon à l'entraîner en rotation jusqu'à obtenir le démarrage. L'alimentation en énergie est assurée par la batterie. [0011] Dans certains véhicules récents, mettant à profit une possibilité de réversibilité de fonctionnement d'un alternateur, on a utilisé celui-ci, à la fois comme démarreur, c'est-à-dire comme moteur électrique, lors de la phase de démarrage, et comme générateur d'énergie électrique, en régime de croisière, c'est-à-dire lorsque le moteur à combustion interne est démarré, pour charger la batterie. [0012] Cependant, les exigences qui se font sentir ne sont pas de même nature dans ces deux modes de fonctionnement. [0013] Lors de la phase de démarrage ou mode moteur, il est nécessaire que l'alternateur entraîne rapidement le moteur thermique, avec un couple important. Le couplage entre le moteur et l'alternateur peut être réalisé par une liaison mécanique simple constituée de poulies et d'au moins une courroie. Actuellement, ce mode de couplage est aussi utilisé, en inverse, pour entraîner l'alternateur en mode générateur d'énergie électrique. [0014] Au moment du démarrage, l'impédance présentée à l'alternateur û démarreur est très faible. II est quasiment en court-circuit sur le rotor. Par contre, en mode de génération d'énergie électrique, l'impédance présentée par le circuit de charge de la batterie, notamment une batterie à haute tension, est forte. [0015] L'expérience a cependant montré que les alternateurs ne sont pas exploités dans des conditions électriques optimales. Dans les faits, on constate une mauvaise adaptation d'impédance entre l'alternateur et le réseau de bord du véhicule. Les alternateurs actuels fonctionnent quasiment en court-circuit lorsqu'ils sont à pleine charge, ceci étant dû à une très forte inductance statorique. [0016] L'enseignement du document technique FR 2 859 834 fournit une solution pour obtenir un alternateur efficace ; elle consiste à réduire l'amplitude de la plage de vitesses de rotation dans laquelle fonctionnent les alternateurs ; pour ce faire, une interface mécanique à variateur de vitesse est mise en oeuvre ; dans un exemple, ce variateur est basé sur l'utilisation d'un train épicycloïdal à satellites simples. Cette solution consiste de plus à modifier des caractéristiques du ou des bobinage(s) du stator de l'alternateur de façon à modifier son impédance ; cette modification étant obtenue dans un mode de réalisation par rebobinage. Mais cette modification n'est pas satisfaisante car elle nécessite la fabrication d'alternateurs spécifiques. [0017] Un des buts essentiels de l'invention est de permettre un autre mode d'exploitation de la puissance potentielle de l'alternateur. [0018] Selon l'invention, ce but est atteint par une procédé de contrôle d'un couple alternateur - variateur d'un ensemble moteur de véhicule automobile, l'alternateur, réversible, comportant un redresseur. Cet alternateur réversible fonctionne selon un mode de génération d'énergie électrique, et un mode moteur où il entraîne le moteur thermique du véhicule. L'alternateur est prévu pour fonctionner selon une plage de vitesses de rotation étendue et présente une impédance adaptée en fonction d'une charge électrique d'un réseau de bord. Le variateur est un variateur mécanique de vitesse positionné au sein de l'organe d'accouplement et présente au moins deux rapports de démultiplication. Selon ce procédé, on établit une fonction de rendement de l'alternateur selon sa a puissance électrique et sa vitesse de rotation et, dans le mode de génération d'énergie électrique, on pilote à l'aide de cette fonction le rapport du variateur de vitesse pour que la vitesse de rotation de l'alternateur soit minimale. [0019] Ainsi, selon l'invention, on ne modifie par le bobinage d'origine de l'alternateur mais on utiliser une méthode de pilotage qui gère le rapport de démultiplication de vitesse du variateur mécanique ainsi que le courant d'excitation du rotor de l'alternateur, de façon à travailler dans des meilleures zones de rendement pour gérer au mieux la consommation en carburant liée à la production d'électricité à bord du véhicule. [0020] Dans un véhicule automobile hybride, en mode générateur d'énergie électrique, l'alternateur recharge des batteries en haute tension ou des supercondensateurs ainsi qu'au moins un moteur électrique de traction. L'énergie électrique en basse tension est alors fournie par l'intermédiaire d'un convertisseur continu/continu (DC/DC). Etant donné qu'il existe une infinité de points de fonctionnement possibles, il convient de trouver une logique pour rechercher un optimum. [0021] L'invention repose sur le fait que le rendement de l'alternateur est d'autant meilleur que sa vitesse de rotation est faible. C'est pourquoi l'invention propose une méthode de réglage qui consiste à faire tourner la machine le plus lentement possible tout en assurant son rôle de production d'énergie électrique à tension constante. [0022] En résumé, l'invention permet de diminuer la consommation de carburant liée à la production d'énergie électrique, de diminuer la pollution rejetée par le moteur, d'améliorer le rendement global de l'ensemble moteur, d'utiliser des composants connus donc économiques et robustes, d'allonger la durée de vie de l'alternateur, et diminuer le bruit qu'il génère, et de moins solliciter les organes de transmission liés à l'alternateur car pour une même production d'électricité, on a moins de couple appliqué. [0023] Cette méthode de réglage pourrait être appliquée sur tous les véhicules équipés d'un couple alternateur-variateur mécanique. Ces systèmes alternateur-variateur peuvent être installés sur tout type de véhicules mais plus particulièrement sur ceux dont les besoins en puissance électrique sont grands, comme les véhicules hybrides par exemple. [0024] Les machines électriques spécifiques de type galette destinées à la motorisation des véhicules hybrides sont en cours de développement, sont produites à de faibles quantités et sont, de ce fait, aujourd'hui extrêmement coûteuses : environ cinq fois plus chères que les plus gros alternateurs du marché automobile. Or un couple alternateur classique - variateur de vitesse coûte moins cher qu'une machine électrique de type galette spécifique prévue pour les véhicules hybrides. De plus l'intégration d'un tel couple est beaucoup plus aisée car elle n'exige pas de l'intercaler entre le moteur thermique et la boîte de vitesse. Enfin, les alternateurs actuels sont refroidis par air ce qui facilite énormément leur mise en oeuvre sous le capot moteur car il n'est plus nécessaire d'avoir un circuit de refroidissement liquide comme pour un alternateur spécifique. [0025] L'invention présente un grand intérêt car elle permet d'améliorer le rendement de la production d'énergie électrique à bord des véhicules. Comme l'impact sur la consommation est loin d'être négligeable (aujourd'hui environ 0.11 / 100 km pour 100 W électrique consommés), et que la pollution est liée à la consommation, l'invention est donc doublement intéressante. [0026] L'invention est fiable et pérenne car les organes et technologies nécessaires à sa mise en oeuvre sont et seront longtemps utilisés. [0027] L'invention permet d'atteindre des puissances électriques qui semblaient inatteignables avec les alternateurs de l'art antérieur. Par exemple, on peut à présent dépasser 25 kW avec une machine de gabarit 220A et obtenir des rendements optimisés. [0028] L'invention concerne également un ensemble moteur d'un véhicule automobile comprenant un couple alternateur-variateur, l'alternateur, réversible, étant prévu pour être alimenté à ses bornes par une tension nominale et comportant un redresseur, et fonctionnant selon un mode de génération d'énergie électrique, et un mode moteur où il entraîne le moteur thermique. L'alternateur est prévu pour une plage de vitesses de rotation étendue et présente une impédance adaptée en fonction d'une charge électrique d'un réseau de bord. Le variateur est un variateur mécanique de vitesse positionné au sein de l'organe d'accouplement et présente au moins deux rapports de démultiplication. Selon l'invention, cet ensemble comporte des moyens pour, en fonctionnement selon le mode de génération d'énergie électrique, piloter le rapport du variateur de vitesse pour que la vitesse de rotation de l'alternateur soit minimale. [0029] L'invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent : • figure 1 : une représentation schématique d'un exemple d'ensemble moteur selon l'invention, • figure 2: une représentation graphique d'un exemple de cartographie d'isorendement d'un alternateur, figure 3 : une représentation synoptique, un exemple d'algorithme de réglage du couple alternateur-variateur. [0030] La figure 1 représente, de façon schématique, un exemple d'ensemble moteur selon l'invention. L'ensemble moteur considéré est celui d'un véhicule automobile hybride. Dans une variante, cet ensemble moteur est celui d'un véhicule automobile classique. L'ensemble moteur comprend un alternateur réversible 1, un organe 2 d'accouplement de l'alternateur 1 à un groupe motopropulseur 3. II comporte également un circuit HT d'alimentation en haute tension, et un circuit BT d'alimentation en basse tension. Le groupe motopropulseur 3 est constitué d'un moteur thermique à combustion interne, d'une boîte de vitesses et d'un embrayage, ou d'un convertisseur de couple, non représentés. [0031] Dans un exemple, l'alternateur 1 est de type à griffes. [0032] Dans un exemple, l'organe 2 d'accouplement comporte notamment un variateur mécanique 4 de vitesse, deux poulies 5 et 6, et une courroie 7. Dans une variante, l'entraînement de l'alternateur 1 se fait par volant moteur, i.e. sans courroie. [0033] Dans un exemple préféré, le variateur 4 est de type toroïdal, i.e. il présente une infinité de rapports de démultiplication en mode automatique, ce qui permet une adaptation fine, instantanée et continue entre une charge électrique du véhicule et une vitesse de rotation du moteur thermique pour obtenir un confort acoustique et une consommation moindre. Un tel variateur 4 est décrit et schématisé notamment sur internet, à l'adresse suivante : http://auto.howstuffworks.com/cvt3.htm 6 [0034] L'alternateur 1 est prévu pour être alimenté à ses bornes par une tension nominale déterminée lors de sa fabrication. [0035] Dans le mode de génération électrique, l'alternateur est entraîné via l'organe 2 d'accouplement, par le moteur thermique 3 et où il alimente, via le circuit BT en basse tension, qui est la tension nominale, un réseau 9 de bord et/ou, via le circuit HT, un ensemble 8 constitué d'une batterie, ou d'un supercondensateur, et d'un moteur de traction supplémentaire (moteur électrique d'un véhicule de type hybride). [0036] Dans le mode moteur, l'alternateur est alimenté par la batterie et entraîne le moteur thermique pour le faire démarrer, l'alternateur 1 étant prévu pour une plage de vitesses Q de rotation étendue et présentant une impédance adaptée en fonction de la charge électrique du véhicule. [0037] Dans une variante, l'ensemble moteur comporte un interrupteur, non représenté, de puissance à relais électriques symétriques pour basculer de l'alimentation en basse tension à l'alimentation en haute tension, et inversement. [0038] L'alternateur 1 comporte un redresseur, non représenté, qui convertit le courant alternatif produit par l'alternateur 1 en courant continu pour alimenter les circuits HT et BT. Le redresseur comporte notamment un pont de diodes redresseuses pour permettre la conversion. [0039] Dans le circuit BT, un convertisseur continu-continu ou DC/DC diminue la valeur de la tension de sortie du redresseur de l'alternateur 1 pour atteindre 12 volts, par exemple, et ainsi alimenter le réseau de bord 9. Dans cet exemple, on dit que le convertisseur DC/DC est dévolteur. [0040] Le procédé selon l'invention comporte des étapes dans lesquelles on adapte le rapport du variateur 4 de vitesse en fonction des besoins d'alimentation haute tension et basse tension, en particulier, on adapte le rapport du variateur 4 de vitesse en faisant varier le rapport de démultiplication entre 1 et 5 de façon continue, on établit une fonction de rendement de l'alternateur 1, représentée à la figure 3, fournissant la valeur de ce rendement en fonction de la puissance électrique de l'alternateur 1 et de sa vitesse Q de rotation, on pilote, à l'aide de cette fonction de rendement, en fonctionnement de génération d'énergie électrique, le rapport du variateur 2 de vitesse pour que la vitesse Q de rotation de l'alternateur 1 soit minimale, on bloque, en fonctionnement moteur, le variateur 4 de vitesse en fixant le rapport de démultiplication à une faible valeur lorsque la batterie, ou le supercondensateur et le moteur de traction n'ont pas besoin d'être alimentés ; on choisit la position du variateur 2 qui présente le moins de résistance possible au moteur thermique, par exemple 1. [0041] Dans un exemple, le pilotage du variateur 4 se fait via un moteur pas-à-pas 10. [0042] Dans un exemple, l'ensemble moteur comporte un calculateur 11 de contrôle pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. [0043] Dans une variante, un dispositif d'électronique de puissance spécifique est intégré sur l'alternateur 1. [0044] La figure 2 représente, de façon graphique, un exemple de cartographie d'iso-rendement d'un alternateur. [0045] Dans l'invention, la cartographie de rendement de l'alternateur 1 a été mesurée expérimentalement. Elle comporte des courbes portées sur un référentiel indiquant la puissance (en ordonnée) en fonction de la vitesse Q de rotation de l'alternateur 1 (en abscisse). La puissance est exprimée en watts (W) et la vitesse Q de rotation en tours par minute (tr/mn). [0046] Les courbes 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 62, 64, 66 et 68 de la figure 2 correspondent à des rendements respectivement de 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 62%, 64%, 66% et 68%. Cette représentation graphique montre que, pour une même puissance, si la vitesse Q de rotation de l'alternateur 1 baisse, son rendement s'améliore dans la majorité des cas. Les courbes présentées possèdent une partie de travail, ou partie basse avant l'hystérésis, qui permet, à partir d'une vitesse Q d'alternateur 1, par exemple 5000 tr/min, pour une puissance demandée par le réseau 9 de bord, par exemple de 700 W, de réduire pas-à-pas, de l'étape 12 à l'étape 15, la vitesse Q jusqu'à atteindre 2500 tr/min, pour la même puissance. [0047] Si le réseau 9 de bord demande plus de puissance, par exemple 1500 W, celle-ci ne peut être délivrée que par la courbe iso-rendement 55. En conséquence, la vitesse Q est augmentée, à l'aide du variateur 4, pour la porter, par l'étape 16, à 6000 tr/min. [0048] La figure 3 représente, de façon synoptique, un exemple d'algorithme de réglage du couple alternateur 1 - variateur 4. [0049] L'algorithme décrit est précédé d'une phase d'initialisation qui permet de régler le variateur 4 lors du démarrage du véhicule. La fonction de rendement de l'alternateur 1 fournit la valeur de ce rendement en fonction de la puissance électrique de l'alternateur 1 et de sa vitesse Q de rotation. En fonctionnement de génération d'énergie électrique, on pilote, à l'aide de cette fonction, le rapport du variateur 2 de vitesse pour que la vitesse Q de rotation de l'alternateur 1 soit minimale. [0050] Le principe de fonctionnement de la fonction de rendement de l'alternateur 1 selon l'invention est le suivant. [0051] Dans une première étape 17, le calculateur 11 établit une consigne de tension de sortie de l'alternateur 1 en fonction des besoins d'alimentation des circuits BT et HT. Ensuite, le calculateur 11 fait varier le courant d'excitation de l'alternateur 1 pour obtenir une tension de sortie de l'alternateur 1 égale à la consigne. [0052] Dans une deuxième étape, si, au cours d'un test 18, la consigne de tension de sortie de l'alternateur 1 est atteinte, le calculateur 11 mesure, au cours d'un test 19, la stabilité du régime du moteur thermique pendant un court intervalle de temps At. Si le régime n'est pas stable, le calculateur 11 revient à la première étape 17 de régulation. Si le régime est stable, le calculateur 11 diminue, au cours d'une étape 21, via le moteur pas-à-pas 10, le rapport de démultiplication du variateur 4 de vitesse d'un pas, i.e. la vitesse Q de rotation de l'alternateur 1 est augmentée ; puis le calculateur 11 revient à la première étape 17. [0053] Si, à l'étape 18, la consigne de tension de sortie de l'alternateur 1 n'est pas atteinte, le calculateur 11 détermine, au cours d'une étape 22, le rapport de démultiplication du variateur 4 de vitesse, et vérifie qu'une butée, correspondant à un rapport de démultiplication maximal, est atteinte. Si c'est le cas, le calculateur 11 revient à la première étape 17. Si la butée n'est pas atteinte, le calculateur 11 augmente, par l'étape 23 et via le moteur pas-à-pas 10, le rapport de démultiplication du variateur 4 de vitesse d'un pas, i.e. la vitesse Q de rotation de l'alternateur 1 diminue ; puis le calculateur 11 revient à la première étape 17. [0054] Dans un exemple préféré, l'alternateur 1 est positionné en série mécanique avec le moteur thermique, de l'autre côté de celui-ci par rapport à une boîte de vitesse qui est reliée à la transmission. Dans un exemple, l'alternateur 1 est refroidi par air.10 REVENDICATIONS1 - Procédé de contrôle d'un couple alternateur (1) - variateur (4) d'un ensemble moteur de véhicule automobile, l'alternateur, réversible, comportant un redresseur, et fonctionnant selon un mode de génération d'énergie électrique, et un mode moteur où il entraîne le moteur thermique du véhicule, l'alternateur étant prévu pour une plage de vitesses (0) de rotation étendue et présentant une impédance adaptée en fonction d'une charge électrique d'un réseau (9) de bord, et le variateur étant un variateur mécanique de vitesse positionné au sein de l'organe d'accouplement et présentant au moins deux rapports de démultiplication, caractérisé en ce que l'on établit une fonction de rendement de l'alternateur selon sa a puissance électrique et sa vitesse de rotation et, dans le mode de génération d'énergie électrique, on pilote à l'aide de cette fonction le rapport du variateur de vitesse pour que la vitesse de rotation de l'alternateur soit minimale. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on adapte le rapport de démultiplication du variateur de vitesse en le faisant varier entre 1 et 5, de façon continue. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que l'on pilote le rapport du variateur via un moteur pas-à-pas (10). 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que dans le deuxième mode, on pilote le rapport du variateur de vitesse pour le fixer à un. 5 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on refroidit l'alternateur par de l'air. 6 - Ensemble moteur d'un véhicule automobile comprenant un couple alternateur (1) - 30 variateur (4), l'alternateur, réversible, étant prévu pour être alimenté à ses bornes par une tension nominale et comportant un redresseur, et fonctionnant selon un premier mode dit de génération d'énergie électrique, et selon un second mode dit moteur où il entraîne le moteur thermique, l'alternateur étant prévu pour une plage de vitesses (0) de rotation étendue et présentant une impédance adaptée en fonction d'une charge 35 électrique d'un réseau (9) de bord, et le variateur étant un variateur mécanique de vitesse positionné au sein de l'organe d'accouplement et présentant au moins deux rapports de démultiplication, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (11) pour, en fonctionnement de génération d'énergie électrique, piloter le rapport du variateur de vitesse pour que la vitesse de rotation de l'alternateur soit minimale.257 ù Ensemble selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'alternateur est positionné en série mécanique avec le moteur thermique et une boîte de vitesse de l'ensemble moteur. 8 - Ensemble selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisé en ce que le variateur mécanique de vitesse est de type toroïdal. 9 - Ensemble selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'un dispositif d'électronique de puissance est intégré sur l'alternateur de manière à mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 10 - Ensemble selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte un moteur pas-à-pas (10) apte à piloter le rapport du variateur de vitesse.