Brevet FR2949914A1 — publié le 20110311

ALTERNATEUR A REDRESSEMENT SYNCHRONE POUR VEHICULE AUTOMOBILE, EQUIPE DE MOYENS ELECTRONIQUES DE GESTION DE DEFAUTS La présente invention concerne d'une manière générale le domaine des machines électriques tournantes notamment pour véhicule automobile. Plus particulièrement, l'invention concerne un alternateur à redressement synchrone équipé de moyens électroniques de gestion de défauts. Dans le contexte de la réduction des émissions de CO2 et du développement d'alternateurs à haut rendement, la technologie du redressement synchrone appliquée aux alternateurs pour véhicule automobile présente un intérêt certain. Le redressement synchrone fait appel à un pont de redressement à transistors de puissance, généralement de type MOSFET. Une électronique de commande est également prévue pour mettre en forme des signaux de commande appropriés pour les transistors de puissance. Par rapport à la technologie classique des alternateurs avec pont de 20 redressement à diodes, la part de l'électronique dans les machines à redressement synchrone s'accroît de manière significative. En termes de coût, la part de l'électronique dans une machine à redressement synchrone peut être comprise entre 30 et 50% du coût total de la machine. A titre de comparaison, la part en coût de l'électronique dans les 25 machines à redressement par pont de diodes est de l'ordre de 25%. Une panne de l'électronique exigeant un remplacement de la pièce défaillante peut donc entraîner des répercutions de coût conséquentes en opération de service après-vente. La fiabilité de l'électronique est essentielle pour la fiabilité globale de la 30 machine et entraîne des contraintes nouvelles pour les concepteurs. Ces contraintes sont d'autant plus sévères que la tendance actuelle chez les constructeurs automobiles est d'étendre la durée de garantie des véhicules. Il est donc souhaitable de proposer des solutions autorisant une amélioration de la fiabilité globale d'un alternateur à redressement synchrone et, plus particulièrement, de la fiabilité de l'électronique dans un tel alternateur. Selon un premier aspect, l'invention concerne un alternateur à redressement synchrone pour véhicule automobile, comprenant un stator, un rotor, des moyens de redressement synchrone pour redresser en une tension continue des tensions alternatives fournies par le stator et des moyens de 1 o régulation de tension pour réguler la tension continue. Conformément à l'invention, l'alternateur comprend également des moyens de détection de défauts pour détecter des défauts dans les moyens de redressement synchrone et fournir des informations de détection de défauts aux moyens de régulation de tension. 15 Selon une caractéristique particulière, les informations de défaut sont fournies aux moyens de régulation de tension à des entrées de défaut recevant également des signaux de phase représentatifs des tensions alternatives fournies par le stator. Selon une autre caractéristique particulière, au moins une des 20 informations de défaut est utilisée pour provoquer dans les moyens de régulation de tension une ouverture d'un circuit d'excitation alimentant en courant une bobine d'excitation du rotor de manière à produire dans les moyens de régulation de tension une indication de défaut correspondant à ladite au moins une des informations de défaut. De préférence, l'ouverture du circuit 25 d'excitation est provoquée à travers une commande appropriée d'un transistor de démagnétisation rapide inclus dans le circuit d'excitation. Selon encore une autre caractéristique particulière, les moyens de détection de défauts comportent des moyens pour détecter des défauts se produisant dans des branches d'un pont de redressement à transistors des 30 moyens de redressement synchrone, la détection étant réalisée à partir de signaux de phase prélevés en des points milieu des branches, de signaux de commande appliqués à des électrodes de commande des transistors et de tensions présentes sur les bornes de tension positive et négative de l'alternateur. Selon encore une autre caractéristique particulière, les moyens de détection de défauts comportent des moyens pour détecter des défauts de sur-échauffement se produisant dans des branches du pont de redressement à transistors des moyens de redressement synchrone. Selon une forme de réalisation particulière, les moyens de détection de défauts comportent des moyens pour détecter un mauvais raccordement éventuel d'une batterie du véhicule automobile à un réseau d'alimentation électrique auquel est également raccordé l'alternateur lorsque celui-ci est monté dans le véhicule, la détection étant réalisée à partir d'une mesure de tension apparaissant entre les bornes de tension positive et négative de l'alternateur. De plus, dans cette forme de réalisation, une détection d'un mauvais raccordement de la batterie est effective lorsqu'une tension négative comprise entre -1 Volt et -2 Volt est mesurée entre les bornes de tension positive et négative de l'alternateur. Selon une autre caractéristique particulière, l'alternateur comprend des moyens pour protéger l'alternateur lorsqu'un mauvais raccordement de la batterie est détecté par les moyens de détection de défauts. Les moyens pour protéger peuvent par exemple comporter un circuit à pompe de charge et/ou un isolateur photovoltaïque. Selon encore une autre caractéristique particulière, les moyens de détection de défauts comportent également des moyens pour mémoriser des informations sur des défauts détectés et/ou transmettre celles-ci à une unité de commande électronique du véhicule. D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante d'une forme de réalisation particulière de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la Fig.1 est un bloc-diagramme général d'une forme de réalisation de l'alternateur selon l'invention ; - la Fig.2 est un schéma simplifié d'un pont de redressement à transistors inclus dans l'alternateur de la Fig.1 ; - la Fig.3 montre des bloc-diagrammes d'un circuit de commande de pont de redressement et d'un circuit de protection et transmission de défauts inclus dans l'alternateur de la Fig.1 ; et - la Fig.4 montre une forme de réalisation particulière d'un circuit de protection inclus dans l'alternateur de la Fig.1, prévu pour protéger l'alternateur contre une inversion de raccordement de la batterie du véhicule. Comme montré à la Fig.1, l'alternateur selon l'invention comprend une machine électrique tournante 1, un circuit de redressement de tension 2 et un régulateur de tension 3. Dans cette forme de réalisation, la machine 1 est une machine triphasée de type Lundell et comprend, de manière classique, un stator S et un rotor R à griffes comportant une bobine d'excitation. Le rotor R est entraîné en rotation à travers une courroie de transmission le reliant au vilebrequin du moteur thermique 5 du véhicule. Le circuit de redressement de tension 2 est de type à redressement synchrone et comprend un pont de redressement de tension 20, un circuit de commande de pont 21 et un circuit de protection et transmission de défauts 22. Comme montré à la Fig.2, le pont de redressement de tension 20 est un pont à transistors MOS-FET. Des première, seconde et troisième branches de pont 201, 202 et 203 sont formées chacune de deux transistors MOS-FET 201 H et 201 L, 202H et 202L, et 203H et 203L, respectivement. Les transistors d'une même branche ont des premières électrodes de puissance (drain, source) reliées ensemble en un point milieu de branche et des secondes électrodes de puissance (drain, source) reliées respectivement à des bornes de tension B+ et B- de l'alternateur. La borne B+ délivre classiquement la tension +12V du réseau d'alimentation de tension du véhicule. La borne B- est reliée à la masse de ce même réseau d'alimentation de tension. Trois tensions de phase (pl, cp2 et cp3 fournies par la machine 1 sont appliquées respectivement sur les trois points milieu des branches de pont 201, 202 et 203 du pont 2 et alimentent ces branches. Des électrodes de commande (grilles) des transistors 201 H et 201 L, 202H et 202L, et 203H et 203L, reçoivent respectivement des signaux de 1 o commande de grille CG1 H et CG1 L, CG2H et CG2L, et CG3H et CG3L. Ces signaux CG1, CG2 et CG3 commandent les transistors de telle manière à les faire fonctionner en redresseurs synchrones. Le circuit de commande de pont 21 est montré en détail à la Fig.3. Ce circuit 21 comprend un circuit de mise en forme de signaux de commande de 15 grille 210 et un circuit de détection de défauts 211. Le circuit de mise en forme de signaux de commande de grille 210 réalise une mise en forme adaptée des signaux CG1, CG2 et CG3 de manière à obtenir un fonctionnement en redressement synchrone des transistors MOSFET du pont 20. Ce type de fonctionnement en redressement synchrone de 20 transistors MOS-FET est connu de l'homme du métier est ne sera pas décrit ici. Le circuit de détection de défauts 211 a essentiellement pour fonction de détecter des défauts dans le pont de redressement de tension 20. Cependant, certains défauts dans les bobinages statoriques du stator S pourraient, dans certaines formes de réalisation de l'invention, être détectés aussi par ce circuit 25 211 compte tenu des informations que contiennent les signaux fournis au circuit 211. Dans cette forme de réalisation, le circuit de détection de défauts 211 reçoit en entrée les signaux de commande de grille CG1, CG2 et CG3, les tensions de phase (pl, cp2 et cp3, les tensions des bornes B+ et B- et une 30 information de température Temp fournie, par exemple, un capteur de température (non représenté). A partir des valeurs de ces différents signaux qui sont comparées à des seuils et d'un traitement logique associé, le circuit de détection de défauts 211 est capable de détecter une inversion du raccordement des bornes de la batterie du véhicule (dit � reverse batterie � en terminologie anglaise), un sur-échauffement du pont 20 et des défaillances éventuelles des transistors MOS-FET. Le ou les défauts détectés sont ici codés dans le circuit de détection de défauts 211 avant d'être transmis vers le circuit de protection et transmission de défauts 22 par le circuit 211. Par exemple, un mot binaire de défaut DEF de 1 o deux bits est prévu pour indiquer différents types de défaut. Quatre défauts différents DEF1, DEF2, DEF3 et DEF4 peuvent ainsi être codés sur deux bits dans le mot de défaut DEF. Dans cette forme de réalisation, le défaut DEF1 est le défaut d'inversion de raccordement de batterie et les défauts DEF2, DEF3 et DEF4 sont 15 respectivement le défaut de suréchauffement du pont de redressement de tension 20, un défaut de court-circuit dans une branche du pont 20 (transistor en court-circuit) et un défaut de circuit ouvert dans le pont 20. Le défaut d'inversion de raccordement de batterie se produit dans le cas où, pour une raison ou pour une autre, les bornes B+ et B- de l'alternateur sont 20 raccordées non pas aux cosses à +12V et OV de la batterie, mais aux cosses à OV et +12V, respectivement. Cela se produit habituellement lorsqu'un opérateur intervertit les deux câbles du véhicule qui doivent être raccordés à la batterie. L'entité inventive a constaté que dans le cas d'un défaut DEF1 d'inversion de raccordement de batterie, une tension négative TIB comprise 25 entre -1 V et -2 V apparaît entre les bornes B+ et B-. La présence de cette tension TIB est détectée par le circuit de détection de défauts 211 qui en déduit consécutivement un défaut DEF1 d'inversion de raccordement de batterie. Conformément à cette forme de réalisation, lorsque le défaut d'inversion de raccordement de batterie DEF1 est détecté, l'occurrence de ce défaut est 30 mémorisée dans une mémoire interne MEMdef du circuit de détection de défauts 211. Une telle mémorisation de l'occurrence d'un défaut d'inversion de raccordement de batterie permet au fabriquant de l'alternateur, dans certaines situations de Service Après-Vente, de dégager sa responsabilité en cas de dommages causés à l'alternateur ou au véhicule par une opération d'inversion de raccordement de batterie. Dans d'autres formes de réalisation, tous les défauts apparaissant sont mémorisés dans la mémoire interne MEMdef sous la forme par exemple d'un historique des défauts. Le mot de défaut DEF (DEF1, DEF2, DEF3 et DEF4) est transmis par le circuit 211 au circuit de protection et transmission de défauts 22. Comme montré à la Fig.3, le circuit de protection et transmission de défauts 22 comprend un circuit de transmission de défauts 220 et un circuit 221 de protection en cas d'inversion de raccordement de batterie. Le circuit de transmission de défauts 220 comprend notamment un circuit de décodage 2200 et un circuit de commutation à deux transistors 2201. Le circuit de décodage 2200 reçoit le mot DEF transmis par le circuit de détection de défauts 211 et active des sorties S1, S2, S3 et/ou S4 en fonction du décodage effectué du mot DEF reçu. La sortie S1 est activée lorsque intervient un défaut d'inversion de raccordement de batterie DEF1. La sortie S1, lorsqu'elle est active, commande l'activation du circuit de protection 221. Le circuit de protection 221 comporte une source de tension 2210 et six sorties SG1 H, SG1 L, SG2H, SG2L et SG3H, SG3L qui délivrent chacune une tension VG fournie par la source de tension lorsque le circuit est activé par la sortie S1. Les six sorties SG1 H, SG1 L SG2H, SG2L et SG3H, SG3L sont connectées respectivement aux grilles des transistors 201H, 201L, 202H, 202L et 203H, 203L à travers des diodes Dl à D6. Lorsque le circuit 221 est activé, la tension VG, de l'ordre de 6 Volts dans cette forme de réalisation, est appliquée sur les grilles des transistors 201 H, 201 L, 202H, 202L et 203H, 203L de manière à forcer ceux-ci dans un état de conduction. Cette disposition autorise une diminution de la puissance dissipée par les transistors MOS-FET, de telle manière que l'utilisateur dispose de davantage de temps avant la détérioration du pont de redressement de tension 20 pour prendre conscience de son erreur d'inversion des câbles de batterie et supprimer le défaut. En effet, dans le cas de ce défaut DEF1 d'inversion de raccordement de batterie, le pont 20 est soumis à une tension négative et les diodes antiparallèles des transistors MOS-FET sont alors passantes. Le courant traversant les transistors est alors extrêmement important, de l'ordre de 300 A, et si aucune disposition n'est prise, la puissance à dissiper par chaque transistor est d'environ 300 A x 0,8 V = 2400 W, la tension de 0,8 V étant la 1 o tension directe apparaissant aux bornes de la diode antiparallèle pour un courant de 300 A. La puce de silicium du transistor ne peut supporter ces conditions que pendant seulement quelques fractions de seconde. Conformément à l'invention, du fait de l'application de la tension VG sur les grilles des transistors, ceux-ci passent dans un état de conduction, de sorte 15 que la puissance dissipée par chaque transistor est de l'ordre de (300 A)2 x 0,002 SZ = 180 W, la valeur ohmique de 0,002 SZ correspondant à la résistance équivalente du transistor dans son état de conduction. Un transistor MOS-FET de puissance peut supporter ces conditions pendant plusieurs secondes, ce qui laisse du temps à l'utilisateur pour se rendre compte de son erreur d'inversion 20 des câbles de batterie et supprimer ce défaut. Une source d'alimentation du circuit de protection 221 permettant d'obtenir la tension VG peut être réalisée à l'aide d'un circuit à pompe de charge tel que le circuit MAX 865 commercialisé sous la marque déposée MAXIM. Dans une forme de réalisation différente, il est également possible 25 d'utiliser un isolateur photovoltaïque de type PVI5050N ou PVI5080N (marques déposées), tel que montré par le repère 6 à la Fig.4. Un tel isolateur 6 permet de détecter une inversion de raccordement de batterie et d'appliquer une tension VG sur les grilles des transistors MOS-FET. Une diode émettrice DE de l'isolateur 6 est montée entre les bornes B+ et B- de telle manière que celle-ci 3o devient passante lorsque la tension négative TIB (entre -1 V et -2 V comme indiqué précédemment), due à l'inversion de raccordement de batterie, apparaît entre ces électrodes. Le passage d'un courant direct dans la diode émettrice DE provoque l'apparition d'une tension aux bornes d'éléments photovoltaïques PV de l'isolateur 6. La tension VG est obtenue à partir de la tension fournie par les éléments photovoltaïques PV. Les informations de défaut DEF1, DEF2, DEF3 et DEF4 sont transmises au régulateur de tension 3 par le circuit de transmission de défauts 220. Le régulateur de tension 3 peut ainsi déclencher des modes de fonctionnement de 1 o défaut, activer une signalisation de défaut (voyant) à l'intention de l'utilisateur du véhicule et/ou signaler l'occurrence d'un défaut à une unité de commande électronique du véhicule, telle qu'unité de contrôle moteur 4 (montrée à la Fig.1), avec laquelle le régulateur 3 est en communication. Les sorties S2, S3 et S4 du circuit 2200 sont utilisées pour la transmission des informations de défaut 15 DEF1, DEF2, DEF3 et DEF4 au régulateur de tension 3. Dans cette forme de réalisation, il est utilisé un régulateur 3 qui comporte des entrées de détection de défauts de phase ed1 et ed2 auxquelles sont appliqués les signaux de phase (pl et cp2. Dans ce type de régulateur, ces entrées de défaut ed1, ed2 sont normalement prévues pour la détection de 20 défauts de phase dans l'alternateur 1. Il est ainsi possible de détecter par ce moyen des phases en court-circuit ou en circuit ouvert. La disponibilité de ces entrées ed1 et ed2 est mise à profit dans cette forme de réalisation de l'invention pour signaler au régulateur 3 des défauts DEF détectés par le circuit de détection de défauts 211. 25 En fonction des défauts à signaler au régulateur 3, les entrées ed1 et ed2 sont placées à des niveaux de tension appropriés, reconnaissables par le régulateur 3 pour indiquer des défauts. Les signaux S2 et S3 forcent les états des entrées ed1 et ed2 au moyen des transistors du circuit de commutation 2201 (cf. Fig3), en fonction des défauts à signaler. Un circuit de gestion de défauts 30 et un circuit d'excitation de rotor 31 compris dans le régulateur 3 sont montrés à la Fig.1. Le circuit de gestion de défauts 30 est le circuit incorporant les entrées de défaut ed1 et ed2 indiquées plus haut ainsi qu'une autre entrée de défaut ed3. L'entrée de défaut ed3 permet de signaler un défaut de circuit ouvert dans le circuit d'excitation 31 du rotor R de l'alternateur. Le circuit d'excitation de rotor 31 comporte des moyens connus pour détecter et signaler un état de circuit ouvert. De tels moyens détectent un circuit ouvert par exemple du fait de la présence d'un courant d'excitation nul pendant au moins une durée 1 o supérieure à une certaine durée de seuil prédéterminée. Comme cela apparaît à la Fig.1, le circuit d'excitation de rotor 31 comporte deux transistors TPWM et TDEMAG. Le transistor TPWM est un transistor de puissance qui commande une modulation en largeur d'impulsion du courant d'excitation alimentant la bobine d'excitation du rotor R. Le transistor TDEMAG est 15 un transistor de puissance qui permet une ouverture du circuit d'excitation lorsqu'il est nécessaire de démagnétiser rapidement l'alternateur. Les deux transistors TPWM et TDEMAG sont ici tous deux des transistors de type MOSFET. Conformément à l'invention, la présence du transistor TDEMAG est ici mise à profit comme moyen de forcer une ouverture du circuit d'excitation de rotor 31 20 de manière à provoquer une remontée de défaut vers le circuit de gestion de défauts 30, à travers l'activation de l'entrée de défaut ed3. Lorsqu'un défaut DEF en correspondance avec une activation de la sortie S4 du circuit 2200 doit être signalé au régulateur 3, la grille du transistor TDEMAG est commandée par la sortie S4 de telle manière à provoquer un blocage de ce transistor, forçant ainsi 25 une ouverture du circuit de courant. Le circuit de gestion de défauts 30 traitent les différentes informations de défaut qui lui parviennent à travers les entrées ed1, ed2 et ed3 de manière à, selon les applications, signaler ces défauts à l'unité de contrôle moteur 4 et/ou mettre en place éventuellement des modes de fonctionnement de défaut 30 adaptés. Par ailleurs, le circuit de gestion de défauts 30 peut également commander l'activation d'un voyant LAMP pour signaler certains défauts à l'utilisateur du véhicule. Conformément à l'invention, on retiendra que la transmission des informations de défaut du circuit de détection de défauts 22 vers le circuit de gestion de défauts 30 du circuit de régulation de tension 3 peut se faire par différents moyens, comme cela ressort de la description qui précède, et que différents types de codage peuvent être utilisés pour transmettre ces informations. Outre le choix de l'activation des entrées ed1, ed2 et ed3 qui sont activées pour transmettre l'information, d'autres paramètres de codage sont 1 o également utilisables comme par exemple des durées d'activation prédéterminées distinctes des entrées de défaut ed1, ed2 et ed3 afin de transmettre des informations de défaut différentes. Par ailleurs, on notera que les différents circuits électroniques de commande qui ont été décrits ici, à savoir, les circuits 21, 22 et 3, selon les 15 différentes formes de réalisation de l'invention, pourront être implémentés sous la forme de un ou plusieurs ASICs. Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux formes de réalisation particulières qui viennent d'être décrites. D'autres réalisations sont possibles selon les applications envisagées par l'homme du métier et restent dans la 20 portée des revendications annexées. REVENDICATIONS1. Alternateur à redressement synchrone pour véhicule automobile, comprenant un stator (S), un rotor (R), des moyens de redressement synchrone (20, 21) pour redresser en une tension continue (B+) des tensions alternatives (cpl, cp2, (p3) fournies par ledit stator (S) et des moyens de régulation de tension (3) pour réguler ladite tension continue, caractérisé en ce 1 o qu'il comprend également des moyens de détection de défauts (211, 22) pour détecter des défauts (DEF) dans lesdits moyens de redressement synchrone (2) et fournir des informations de détection de défauts (DEF, S2, S3, S4) auxdits moyens de régulation de tension (3). 15 2. Alternateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que au moins une desdites informations de défaut est fournie auxdits moyens de régulation de tension (3) à des entrées de défaut (ed1, ed2) recevant également des signaux de phase ((p2, (p3) représentatifs desdites tensions alternatives fournies par ledit stator (S). 20 3. Alternateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que au moins une desdites informations de défaut est utilisée pour provoquer dans lesdits moyens de régulation de tension (3) une ouverture (TDEMAG) d'un circuit d'excitation (31) alimentant en courant une bobine d'excitation dudit rotor (R) 25 de manière à produire dans lesdits moyens de régulation de tension (S) une indication de défaut (ed3) correspondant à ladite au moins une des informations de défaut. 4. Alternateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite 30 ouverture du circuit d'excitation est provoquée à travers une commandeappropriée d'un transistor de démagnétisation rapide (TDEMAG) inclus dans ledit circuit d'excitation (3). 5. Alternateur selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de détection de défauts comportent des moyens (211) pour détecter des défauts se produisant dans des branches (201, 202, 203) d'un pont de redressement à transistors desdits moyens de redressement synchrone (20), ladite détection étant réalisée à partir de signaux de phase (cpl, cp2, (p3) prélevés en des points milieu desdites branches (201, 202, 203), de signaux de commande (CG1L, CG1H, CG2L, CG2H, CG3L, CG3H) appliqués à des électrodes de commande desdits transistors (201L, 201H, 202L, 202H, 203L, 203H) et de tensions présentes sur les bornes de tension positive et négative (B+, B-) de l'alternateur. 6. Alternateur selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de détection de défauts comportent des moyens (211, Temp) pour détecter des défauts de sur-échauffement se produisant dans des branches du pont de redressement à transistors des moyens de redressement synchrone. 7. Alternateur selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de détection de défauts comportent des moyens pour détecter (211, 6) un mauvais raccordement éventuel d'une batterie dudit véhicule automobile à un réseau d'alimentation électrique auquel est également raccordé ledit alternateur lorsque celui-ci est monté dans ledit véhicule, ladite détection étant réalisée à partir d'une mesure de tension (TIB) apparaissant entre les bornes de tension positive et négative (B+, B-) de l'alternateur.30 8. Alternateur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (Si, 221, SG1 H, SG1 L, SG2H, SG2L, SG3H, SG3L) pour protéger l'alternateur lorsqu'un mauvais raccordement de la batterie est détecté par lesdits moyens de détection de défauts. 9. Alternateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens pour protéger comporte un circuit à pompe de charge et/ou un isolateur photovoltaïque (6). 10 10. Alternateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que lesdits moyens de détection de défauts comportent des moyens (MEMdef) pour mémoriser des informations sur des défauts détectés et/ou transmettre celles-ci à une unité de commande électronique (4) du véhicule.5