Brevet FR2956784A1 — publié le 20110826

MACHINE ELECTRIQUE REVERSIBLE ET SON SYSTEME D'ALIMENTATION [0001] L'invention porte sur l'architecture d'alimentation et de contrôle d'une machine électrique mise en jeu pour une fonction d'arrêt et redémarrage automatique d'un moteur à combustion (fonction « stop and start »). [0002] La réduction de la consommation et des émissions de dioxyde de carbone (CO2) des moteurs à combustion est une problématique de plus en plus importante, notamment dans l'industrie automobile. [0003] Une solution de réduction des émissions de CO2 d'un moteur consiste à l'arrêter dès l'arrêt du véhicule, et d'en permettre le redémarrage automatique quand cela est nécessaire. Il s'agit de système généralement désignés par l'expression anglophone « Stop and Start » (ou plus simplement l'acronyme STT). [0004] Cette technologie est aussi communément utilisée dans les chaines de traction hybride où le besoin d'arrêt et redémarrage moteur est encore plus étendu. [0005] Il est important que le moteur d'un véhicule équipé d'un système stop&start puisse redémarrer aussi rapidement que possible. Les systèmes STT connus à ce jour sont basés sur l'utilisation d'alternateurs réversibles appelés alternodémarreur, c'est-à-dire que la machine électrique (MEL) est pilotée de manière à servir soit de générateur (tel un alternateur classique) ou de moteur (permettant le démarrage du moteur). [0006] Un redémarrage rapide passe par une mise en rotation rapide du moteur, et donc un couple important à fournir par la machine électrique. Plus précisément, la réduction du temps de démarrage passe par une machine électrique disposant d'un couple très élevé à bas régime, et d'une source de puissance électrique importante. [0007] Il est en outre connu au travers de la demande de brevet européen EP1829725 une machine électrique présentant un agencement particulier permettant d'assurer une fonction arrêt/redémarrage (dite stop&start) du moteur thermique tout en limitant l'encombrement de la machine électrique. [0008] L'invention tend à maximiser le couple d'un tel dispositif en proposant un ensemble mettant en jeu une machine électrique telle que connue dans l'art antérieur et une architecture de contrôle et d'alimentation électrique optimisée. Ainsi l'invention permet-elle, en maximisant le couple fourni par la machine électrique, un redémarrage extrêmement rapide du moteur à combustion, et permet à la machine électrique de remplacer le démarreur conventionnel pour le démarrage du moteur (hors fonction stop&start). [0009] L'invention porte donc sur un dispositif comportant une machine électrique réversible dotée d'un rotor bobiné et d'un stator, destinée à équiper un moteur à combustion dont elle peut assurer le redémarrage, et son système d'alimentation, caractérisé en ce qu'il comporte : a. Un onduleur pour alimenter le stator. b. Un régulateur pour alimenter le rotor. c. Un moyen de stockage électrique, comportant au moins un condensateur, apte à alimenter l'onduleur et le régulateur. L'alimentation par condensateur de la machine électrique permet de lui fournir une puissance électrique importante, nécessaire à la création d'un fort couple d'entrainement du moteur pour son démarrage ou son redémarrage. Le choix d'une machine à rotor bobiné permet, outre l'obtention d'un couple important, de limiter les pertes énergétiques (par rapport à une machine à aimants permanents) lorsque la machine n'est pas utilisée. [0010] De préférence, le moyen de stockage électrique présente lorsqu'il est chargé une tension comprise entre 300 et 900 volts. [0011] De préférence, le régulateur est du type hacheur. Un régulateur du type hacheur permet de limiter les pertes énergétiques dans un système électronique de puissance. [0012] De préférence, le dispositif comporte en outre une batterie d'une tension nominale comprise entre 12 et 36 volts, et une architecture permettant à la batterie de recharger le ou les condensateurs via un élévateur de tension. Le dispositif selon l'invention s'intègre ainsi dans une architecture électrique classique notamment pour les applications automobiles. [0013] De préférence, le dispositif présente une architecture permettant en outre l'alimentation directe de la machine électrique par la batterie via l'élévateur de tension, et la recharge de la batterie par la machine électrique via un abaisseur de tension. Ainsi, la machine électrique peut jouer pleinement le rôle d'alternateur, et de démarreur d'un moteur à combustion. [0014] De préférence, l'élévateur de tension et l'abaisseur de tension sont constitués par un convertisseur unique. Le convertisseur présente une isolation galvanique pour éviter les risques de mettre de la haute tension dans le réseau de bord. Cela simplifie l'architecture électrique et diminue les coûts de réalisation. [0015] L'invention porte également sur un ensemble comportant un dispositif tel que précédemment décrit, et un moteur à combustion présentant un bloc moteur, un vilebrequin et un volant moteur. [0016] De préférence, l'ensemble présente une machine électrique du type comportant un stator solidaire d'une face du bloc moteur située en regard du volant moteur et un rotor solidaire du volant moteur, la machine électrique étant distante radialement du vilebrequin du moteur et disposée de part et d'autre de la face d'appui du volant moteur. Ce type d'architecture de machine électrique, connu au travers du brevet EP1829725, permet de ne pas impacter la longueur de l'ensemble selon l'invention, et donc du groupe motopropulseur. Une telle machine électrique à rotor bobiné, que la machine soit d'un type à flux radial ou à flux axial, permet en outre l'obtention d'un couple important pour la mise en rotation du moteur, à condition d'être alimentée sous une forte tension, ce que permet par ailleurs le dispositif développé dans l'invention. [0017] De préférence, la machine électrique fait démarreur pour le moteur thermique. En effet, par l'adoption d'un ensemble selon l'invention, permettant l'obtention d'un fort couple de mise en rotation du moteur par la combinaison d'une machine électrique d'un type judicieusement choisi et d'une architecture électrique permettant son alimentation électrique sous une forte puissance, il est possible de se passer d'un démarreur classique, ce qui offre de nombreux avantages et notamment : une limitation des coûts, une limitation de la masse des périphériques du moteur, une meilleure intégration architecturale de l'ensemble. [0018] L'invention porte enfin sur l'application d'un dispositif ou d'un ensemble tel que précédemment décrit à un véhicule hybride thermique/électrique. Cette application préférentielle de l'invention est particulièrement pertinente du fait des nombreux arrêts et redémarrage du moteur thermique d'un tel véhicule hybrides, et du fait de la nécessité de rendre les transitions entre un mode de traction électrique et un mode de traction thermique aussi rapides et imperceptibles que possible. [0019] L'invention est décrite plus en détail ci-après et en référence aux figures représentant schématiquement le système dans son mode de réalisation préférentiel. [0020] La figure 1 présente schématiquement l'architecture électrique d'un ensemble selon un mode de réalisation de l'invention. [0021] La figure 2 présente une machine électrique du type employé dans le mode de réalisation préférentiel de l'invention. [0022] Dans un ensemble conforme à l'invention, une machine électrique présente un rotor bobiné 1 et un stator 2. Par rapport à une machine électrique à aimants permanent, l'utilisation d'un stator bobiné limite les pertes énergétiques lorsque la machine électrique n'est pas employée et elle permet l'obtention d'un couple important en augmentant le flux magnétique. Cette solution nécessite néanmoins son alimentation sous une puissance importante. [0023] L'excitation du rotor est assurée via un régulateur 3, de préférence du type hacheur. En effet, un régulateur du type hacheur permet de limiter les pertes énergétiques dans un système électronique de puissance. [0024] L'alimentation du stator est assurée via un onduleur 4. [0025] Le régulateur 3 et l'onduleur 4 sont alimentés au moins en partie par un moyen de stockage électrique 5 comportant un ou plusieurs condensateurs. Le moyen de stockage présente dans l'invention une tension lorsqu'il est chargé des l'ordre de 300 à 900 volts, ce qui correspond à une plage de tension nécessaire à l'alimentation sous forte puissance de la machine électrique dans la variante préférentielle de l'invention, tout en limitant le courant et pour assurer un démarrage très rapide d'un moteur à combustion dans une application automobile classique. [0026] Dans la variante de l'invention ici représentée, l'architecture électrique de l'ensemble présente en outre une batterie 6 dite basse tension, qui présente une tension nominale comprise entre 12v et 36v. Dans le cadre d'une application automobile, une tension batterie d'une tension de 12v est généralement employée. [0027] Cette batterie 6 est préférentiellement la batterie employée pour l'alimentation des fonctions électriques classiques d'un véhicule automobile, c'est-à-dire alimenter le réseau de bord du véhicule.. [0028] Dans l'architecture ici représentée, un convertisseur 7 DC/DC permet l'élévation de la tension de la batterie pour la recharge du moyen de stockage électrique 5, et/ou pour l'alimentation de la machine électrique. Le convertisseur 7 permet également, dans cette variante, d'abaisser la tension afin de permettre la recharge de la batterie par la machine électrique lorsque celle-ci joue le rôle d'alternateur. [0029] Dans la variante de l'invention ici représentée, et selon les appels de courant réalisés par le régulateur 3, l'onduleur 4, le convertisseur 7, et selon l'état de charge du moyen de stockage électrique 5, on peut constater la mise en relation ou l'isolement : • de la batterie 6 et du moyen de stockage électrique 5, via le convertisseur 7, pour la recharge du moyen de stockage électrique 5 (et éventuellement la décharge de l'élément de stockage dans la batterie dans certaines conditions) ; • de la batterie 6 et de la machine électrique, via le convertisseur 7 (et le régulateur 3 et l'onduleur 4), pour l'alimentation de la machine électrique ou la recharge de la batterie • du moyen de stockage électrique 5 et de la machine électrique, via le régulateur 3 et l'onduleur 4, afin de permettre l'alimentation de la machine électrique par le moyen de stockage électrique 5, ou le soutien de l'alimentation de la machine électrique par la batterie 6, ou encore la recharge du moyen de stockage électrique 5 par la machine électrique faisant alternateur. [0030] Une architecture telle que développée dans l'invention permet typiquement, pour une application automobile, d'obtenir une puissance électrique en phase de démarrage de 70kW pendant au moins 0,02s, voire plus. Dans ce cadre, le moyen de stockage électrique pourra avantageusement comporter des condensateurs d'un type générique largement commercialisé, par exemple deux condensateur de 300v environ en série, présentant une capacité de stockage totale pour les 2 condensateurs de l'ordre de 3000 à 4000 joules. [0031] La figure 2 présente une machine électrique du type employé dans le mode de réalisation préférentiel de l'invention, en ce qu'elle permet de ne pas impacter la longueur du groupe motopropulseur. L'emploi d'un stator 2 bobiné permet l'obtention d'un couple important pour la mise en rotation du moteur à combustion, montée sur un moteur à combustion. [0032] Le moteur à combustion sur lequel est montée la machine électrique comporte un bloc moteur B, un vilebrequin V, et un volant moteur (non représenté). [0033] Dans la variante préférentielle de l'invention telle qu'ici représentée, la machine électrique est du type comportant un stator 2 solidaire d'une face du bloc moteur B située en regard du volant moteur (non représenté) et un rotor (1) solidaire du volant moteur, la machine électrique étant distante radialement du vilebrequin V du moteur et disposée de part et d'autre de la face d'appui du volant moteur. La machine électrique peut, selon cette configuration, être du type à flux radial (tel que représenté en figure 2, ce qui offre une architecture compacte), ou du type à flux axial (non représenté). [0034] Grâce à l'emploi d'une architecture d'alimentation telle que décrite dans l'invention, une telle machine électrique est apte à fournir un couple important pour le démarrage ou le redémarrage du moteur à combustion, alors même que son encombrement est restreint. [0035] Un véhicule automobile équipé d'un ensemble selon l'invention est donc apte à démarrer extrêmement rapidement, ce qui est important par exemple dans le cadre d'une fonction d'arrêt et redémarrage automatique. Dans le cadre d'une application à un véhicule hybride thermique / électrique, le passage d'un mode de traction électrique à un mode de traction thermique peut se faire quasiment instantanément, et de manière totalement transparente pour l'utilisateur du véhicule. [0036] Enfin, l'application de l'invention dans une application automobile standard peut permettre de s'affranchir de l'emploi d'un démarreur conventionnel, celui-ci étant totalement remplacé par la machine électrique, grâce au fort couple et au fort niveau d'énergie qu'elle peut délivrer pour le démarrage du moteur à combustion.20 Revendications: 1. Dispositif comportant une machine électrique réversible dotée d'un rotor (1) bobiné et d'un stator (2), destinée à équiper un moteur à combustion dont elle peut assurer le redémarrage, et son système d'alimentation, caractérisé en ce qu'il comporte : • Un onduleur (4) pour alimenter le stator (2). • Un régulateur (3) pour alimenter le rotor (1). • Un moyen de stockage électrique (5), comportant au moins un condensateur, apte à alimenter l'onduleur (4) et le régulateur (3). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de stockage électrique (5) présente lorsqu'il est chargé une tension comprise entre 300 et 900 volts. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le régulateur (3) est du type hacheur. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une batterie (6) d'une tension nominale comprise entre 12 et 36 volts, et une architecture permettant à la batterie (6) de recharger le moyen de stockage électrique (5) via un élévateur de tension. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il présente une architecture permettant en outre l'alimentation directe de la machine électrique par la batterie (6) via l'élévateur de tension, et la recharge de la batterie (6) par la machine électrique via un abaisseur de tension. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élévateur de tension et l'abaisseur de tension sont constitués par un convertisseur (7) unique. 7. Ensemble comportant un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes et un moteur à combustion présentant un bloc moteur (B), un vilebrequin (V) et un volant moteur. 8. Ensemble selon la revendication 7, caractérisé en ce que la machine électrique est du type comportant un stator (2) solidaire d'une face du bloc moteur (B) située en regard du volant moteur et un rotor (1) solidaire du volant moteur, la machine électrique étantdistante radialement du vilebrequin (V) du moteur et disposée de part et d'autre de la face d'appui du volant moteur. 9. Ensemble selon la revendication 7 ou la revendication 8, caractérisé en ce que la machine électrique fait démarreur pour le moteur thermique. 10. Application d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 ou d'un ensemble selon l'une quelconque des revendications 7 à 9 à un véhicule hybride thermique/électrique.