Brevet FR2924629A1 — publié le 20090612

La présente invention concerne un dispositif d'alimentation d'un ensemble d'actionneurs à membranes en matériau piézoélectrique, notamment d'un ensemble d'actionneurs destinés à modifier les caractéristiques aérodynamiques d'un véhicule automobile. II 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 5 à 10 fois plus élevée que celle de la tension disponible sur le réseau électrique de bord du véhicule. Ces membranes sont par exemple en matériau piézoélectrique. 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. 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 MS\REN045FR.dpt carrosserie d'un véhicule ou permettre de créer des dispositifs de type déflecteur d'air. Les membranes de type piézoélectrique nécessitent des moyens d'alimentation dédiés. Il est connu dans différentes applications d'utilisation d'éléments piézoélectriques (imprimantes, injecteurs de carburant, alarme acoustique), trois topologies d'électroniques pour alimenter ou piloter un élément piézoélectrique. Ainsi, une première topologie est dite � Push-pull � et utilisée dans les documents WO 03/099468, US 3,975,650 et US 3,432,691, une deuxième topologie est dite � en rr � (comprenant deux transistors et un transformateur à deux primaires reliés en série) et utilisée dans les documents US 5,136,199, US 4,271,371, US 4,849,872, US 4,868,445, EP 0 343 005, US 5,394,047 et une troisième topologie est dite � Flyback � et utilisée dans les documents US 4,703,213 et EP 0 343 005. Aucune de ces topologies ne permet cependant de piloter simultanément un grand nombre d'actionneurs alors que l'application dans laquelle on utilise des membranes piézoélectriques pour améliorer les caractéristiques aérodynamiques d'un véhicule nécessite un grand nombre d'actionneurs, donc un grand nombre de membranes alimentées 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 12 Volts à 400 Volts crête à crête selon la technologie de la membrane vibrante de l'actionneur utilisée. La forme MS\REN045FR.dpt 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 fréquence devant être utilisée est relativement basse et la puissance électrique totale conséquente. Ces différents constats montrent que les composants électroniques passifs, inductifs ou capacitifs (condensateurs, inductances, transformateurs ... ), qui devront être utilisés seront nécessairement de forte valeur (en Farad et en Henry) et de volume important (par conséquent de masse élevée). 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 et efficace 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 en matériau piézoélectrique est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de pilotage associés chacun à un des actionneurs, chaque moyen de pilotage étant destiné à alimenter électriquement et individuellement un des actionneurs. Chaque moyen de pilotage peut comprendre un convertisseur de tension pour convertir un signal de tension continu en un signal de tension alternatif. Le convertisseur de tension peut être un convertisseur élévateur. MS\REN045FR.dpt30 Le dispositif d'alimentation peut comprendre un convertisseur de tension élévateur fournissant à chaque moyen de pilotage un même signal de tension. Chaque moyen de pilotage peut comprendre une unité de commande définissant les caractéristiques électriques du signal de tension devant être fourni, par le moyen de pilotage, à l'actionneur associé à ce moyen de pilotage. 10 Le dispositif d'alimentation peut comprendre une unité de commande définissant les caractéristiques électriques du signal de tension devant être fourni par chaque moyen de pilotage à chaque actionneur. 15 Selon l'invention, l'installation comprend un dispositif d'alimentation défini précédemment et un ensemble d'actionneurs à membranes en matériau piézoélectrique 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'exemples, quatre modes 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 premier mode de réalisation d'un dispositif d'alimentation alimentant ces actionneurs. MS\REN045FR.dpt 25 La figure 2 est un schéma d'une installation comprenant un ensemble d'actionneurs et un deuxième mode de réalisation d'un dispositif d'alimentation alimentant ces actionneurs. La figure 3 est un schéma d'une installation comprenant un ensemble d'actionneurs et un troisième mode de réalisation d'un dispositif d'alimentation alimentant ces actionneurs. La figure 4 est un schéma d'une installation comprenant un ensemble 10 d'actionneurs et un quatrième mode de réalisation d'un dispositif d'alimentation alimentant ces actionneurs. Le principe de l'invention est de fournir un dispositif d'alimentation dont l'architecture est distribuée, c'est-à-dire qu'on associe à chaque 15 actionneur un moyen de pilotage destiné à fournir à cet actionneur un signal de tension approprié. Un premier mode de réalisation d'installation la, représenté à la figure 1, comprend principalement un premier mode de réalisation de dispositif 20 d'alimentation 4a alimentant un ensemble 2 d'actionneurs (ici par exemple quatre actionneurs 3a, 3b, 3c et 3d). Ces actionneurs sont du type à membrane en matériau piézoélectrique et sont par exemple utilisés sur la carrosserie d'un véhicule pour améliorer ses caractéristiques aérodynamiques. Les actionneurs comprennent ainsi 25 une cavité fermée 11 a, 11 b, 11 c munie d'un orifice 10a, 10b, 10c et dont une paroi présente une membrane déformable 12a, 12b, 12c. Les déformations de la membrane, sous l'effet de tensions électriques, permettent de produire des jets d'air synthétiques sortant des orifices. 30 Le dispositif d'alimentation 4a comprend un ensemble de plusieurs moyens de pilotage 21a, 22a, 23a et 24a respectivement associés aux MS\REN045FR.dpt actionneurs 3a, 3b, 3c et 3d. Chaque moyen de pilotage fournit à l'actionneur auquel il est associé et plus exactement à la membrane de cet actionneur un signal de tension. L'énergie fournie aux membranes est puisée dans une batterie d'accumulateur 5 associée ou non à un générateur électrique tel qu'un alternateur par exemple. Pour ce faire, chaque moyen de pilotage est relié à la batterie par un réseau électrique de bord 30a comprenant des conducteurs électriques. Ainsi, on a, en entrée de chaque moyen de pilotage, un signal de tension continu (par exemple 12V continu) et, en sortie de chaque moyen de pilotage, un signal de tension supérieur et alternatif, ce dernier signal étant appliqué directement sur les membranes de chaque actionneur. Par exemple, le signal de tension de sortie peut présenter une valeur crête à crête comprise entre 12V et 400V, selon la technologie des membranes actives utilisée. Ainsi, chaque moyen de pilotage comprend un convertisseur pour convertir le signal de tension d'entrée en signal de tension de sortie et une unité de commande pour définir les caractéristiques électriques du signal de tension de sortie et pour piloter le convertisseur de manière à obtenir un signal de tension de sortie conforme à ces caractéristiques. Parmi ces caractéristiques, on trouve notamment la fréquence, l'amplitude et la forme du signal. Dans ce premier mode de réalisation, le convertisseur de tension est de 25 type élévateur de tension et permet de convertir un signal de tension continu en un signal de tension alternatif. Ce mode de réalisation est de préférence utilisé lorsque l'amplitude du signal de sortie est égale ou proche de l'amplitude du signal d'entrée et 30 lorsque la forme d'onde requise peut être aisément réalisée (par auto-oscillation) et lorsque la fréquence requise du signal de sortie est fixe. MS\REN045FR.dpt Un deuxième mode de réalisation d'installation 1 b, représenté à la figure 2, comprend principalement un deuxième mode de réalisation de dispositif d'alimentation 4b alimentant un ensemble 2 d'actionneurs 3a, 3b, 3c et 3d (identique à l'ensemble 2 de la figure 1). Le dispositif d'alimentation 4b diffère du dispositif 4a de la figure 1 en ce qu'il comprend des moyens de pilotage 21b, 22b, 23b et 24b ne présentant pas chacun une unité de commande ; en effet, chaque moyen de pilotage est relié à une unité de commande commune 7 définissant les caractéristiques électriques des signaux de tension de sortie et pilotant les convertisseurs des moyens de pilotage de manière à obtenir des signaux de tension de sortie conformes à ces caractéristiques. Parmi ces caractéristiques, on trouve notamment la fréquence, l'amplitude et la forme du signal. Cette unité de commande commune 7 est de préférence reliée à un réseau de communication du véhicule (par exemple CAN ou LIN) qui lui fournit des informations telles que par exemple des informations cinétiques et/ou dynamiques du véhicule. Dans ce deuxième mode de réalisation, tous les moyens de pilotage reçoivent ainsi les mêmes consignes, de sorte qu'ils produisent les mêmes signaux de tension de sortie. Ce mode de réalisation présente l'avantage de centraliser la production des signaux de consigne définissant les caractéristiques des signaux de sortie appliqués aux membranes et éventuellement même de centraliser cette production dans une unité existante. Ce mode de réalisation permet aussi de distribuer l'énergie grâce à un réseau de bord Très Basse Tension. Un troisième mode de réalisation d'installation l c, représenté à la figure 3, comprend principalement un troisième mode de réalisation de MS\REN045FR.dpt dispositif d'alimentation 4c alimentant un ensemble 2 d'actionneurs 3a, 3b, 3c et 3d (identique à l'ensemble 2 de la figure 1). Le dispositif d'alimentation 4c diffère du dispositif 4a de la figure 1 en ce qu'il comprend des moyens de pilotage 21c, 22c, 23c et 24c ne présentant pas de convertisseur de type élévateur ; en effet, dans ce mode de réalisation on utilise un convertisseur élévateur de tension centralisé 8. Ce convertisseur élévateur de tension centralisé 8 transforme le signal de tension du réseau de bord, fourni par la batterie 5, en un signal de tension continu et d'amplitude élevée. Ce dernier signal est distribué aux entrées de chacun des moyens de pilotage grâce à un réseau électrique de tension continue élevée 30c comprenant des conducteurs. Ainsi, les moyens de pilotage comprennent chacun un convertisseur permettant de transformer le signal de tension présent sur le réseau 30c 15 en un signal de tension de sortie applicable aux actionneurs. Le convertisseur élévateur de tension centralisé 8 présente par exemple une topologie flyback, forward, boost, step-up, à résonance ou non, en pont complet ou en pont partiel. 20 Ce mode de réalisation est avantageux lorsque l'on peut mettre en forme le signal de tension de sortie par auto-oscillation, c'est-à-dire si la forme du signal de sortie est relativement simple. Ce mode de réalisation permet également de réduire les risques de perturbations 25 électromagnétiques puisque toute la puissance électrique alternative est produite au niveau des actionneurs. Un quatrième mode de réalisation d'installation Id, représenté à la figure 4, comprend principalement un quatrième mode de réalisation de 30 dispositif d'alimentation 4d alimentant un ensemble 2 d'actionneurs 3a, 3b, 3c et 3d (identique à l'ensemble 2 de la figure 1). Le dispositif MSIREN045FR.dpt d'alimentation 4d diffère du dispositif 4c de la figure 3 en ce qu'il comprend des moyens de pilotage 21d, 22d, 23d et 24d ne présentant pas chacun une unité de commande ; en effet, chaque moyen de pilotage est relié à une unité de commande commune 7 définissant les caractéristiques électriques des signaux de tension de sortie et pilotant les convertisseurs des moyens de pilotage de manière à obtenir des signaux de tension de sortie conformes à ces caractéristiques. Parmi ces caractéristiques, on trouve notamment la fréquence, l'amplitude et la forme du signal. Cette unité de commande commune 7 est de préférence reliée à un réseau de communication du véhicule (par exemple CAN ou LIN) qui lui fournit des informations telles que par exemple des informations cinétiques et/ou dynamiques du véhicule. Dans ce quatrième mode de réalisation, tous les moyens de pilotage reçoivent ainsi les mêmes consignes, de sorte qu'ils produisent les mêmes signaux de tension de sortie. Ce mode de réalisation présente l'avantage de centraliser la production des signaux de consigne définissant les caractéristiques des signaux de sortie appliqués aux membranes et éventuellement même de centraliser cette production dans une unité existante. Il présente également l'avantage de réduire les risques de perturbations électromagnétiques puisque toute la puissance électrique alternative est produite au niveau des actionneurs. Dans ce mode de réalisation, les moyens de pilotage des actionneurs peuvent se résumer à des amplificateurs de tension amplifiant le signal de tension fourni par l'unité de commande commune 7 en utilisant la tension du réseau électrique de tension continue élevée. Ces amplificateurs présentent par exemple une topologie � Push-pull � dont les composants sont tous à semi-conducteurs et donc sans composant MS\REN045FR.dpt inductif ou capacitif. Ainsi, de tels moyens de pilotage, peu coûteux, peuvent être produits en grand nombre. Les amplificateurs peuvent aussi être semblables à ceux de classes A, B ou AB utilisés dans les applications hifi. Dans une variante de réalisation, il est possible de proposer une fonction de sélection, individuelle ou par bloc, des actionneurs à alimenter. Cela peut se faire par un réseau de consigne de pilotage qui soit � nominatif �, c'est-à-dire dans lequel on adresse les moyens de pilotage qui recevront les signaux de consigne. Cela peut également être fait grâce à un signal de sélection émis sur le réseau de consigne ou émis sur un autre réseau séparé du réseau de consigne. Le dispositif d'alimentation décrit ci-dessus dans une application d'installation permettant d'améliorer les caractéristiques aérodynamiques d'un véhicule peut être utilisé dans toute autre application présentant un ensemble de plusieurs membranes en matériau piézoélectrique à alimenter. MS\REN045FR.dpt Revendications : 1. Dispositif (4a ; 4b ; 4c ; 4d) d'alimentation d'un ensemble (2) d'actionneurs (3a, 3b, 3c, 3d) à membranes (12a, 12b, 12c, 12d) en matériau piézoélectrique, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de pilotage (21a, 22a, 23a, 24a ; 21b, 22b, 23b, 24b ; 21c, 22c, 23c, 24c ; 21d, 22d, 23d, 24d) associés chacun à un des actionneurs, chaque moyen de pilotage étant destiné à alimenter électriquement et individuellement un des actionneurs. 2. Dispositif d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque moyen de pilotage comprend un convertisseur de tension pour convertir un signal de tension continu en un signal de tension alternatif. 3. Dispositif d'alimentation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le convertisseur de tension est un convertisseur élévateur. 20 4. Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation comprend un convertisseur de tension élévateur (8) fournissant à chaque moyen de pilotage un même signal de tension. 25 5. Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque moyen de pilotage comprend une unité de commande définissant les caractéristiques électriques du signal de tension devant être fourni, par le moyen de pilotage, à l'actionneur associé à ce moyen de pilotage. 30 6. Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation comprend une MS\REN045FR.dpt15unité de commande (7) définissant les caractéristiques électriques du signal de tension devant être fourni par chaque moyen de pilotage à chaque actionneur. 7. Installation (1) comprenant un dispositif d'alimentation (4a ; 4b ; 4c ; 4d) selon l'une des revendications précédentes et un ensemble (2) d'actionneurs (3a, 3b, 3c, 3d) à membranes (12a, 12b, 12c, 12d) en matériau piézoélectrique alimenté par ce dispositif d'alimentation. 8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que les actionneurs sont des actionneurs modifiant les caractéristiques aérodynamiques d'un véhicule automobile. 9. Véhicule automobile comprenant une installation (1) selon la revendication 7 ou 8 ou un dispositif d'alimentation (4a ; 4b ; 4c ; 4d) selon l'une des revendications 1 à 6. MS\REN045FR.dpt