Brevet FR2973599A1 — publié le 20121005

Circuit électrique destiné à équiper un véhicule automobile à convertisseur continu/continu pilotable en élévateur de tension, en abaisseur de tension ou en mode transparent [0001 L'invention concerne un circuit électrique destiné à équiper un véhicule automobile. De façon classique, le circuit électrique d'un véhicule automobile comprend un alternateur, une batterie, un démarreur et un réseau de bord. L'alternateur assure la production d'énergie électrique par la transformation d'énergie mécanique en énergie électrique. L'alternateur est par exemple formé par une machine électrique alternative tournante polyphasée de type synchrone. La batterie assure le stockage d'une partie de l'énergie électrique produite par l'alternateur. En complément de l'alternateur, le circuit électrique comprend un redresseur permettant de transformer le courant alternatif produit par l'alternateur en courant continu utilisé par le réseau de bord et stockable par la batterie. Le redresseur est le plus souvent intégré à l'alternateur qui délivre ainsi un courant continu. Le démarreur transforme de l'énergie électrique qu'il prélève dans la batterie en énergie mécanique permettant le démarrage d'un moteur thermique du véhicule. Les fonctions de démarreur et d'alternateur peuvent être regroupées au sein d'une même machine électrique appelée alterno-démarreur. Le réseau de bord regroupe tous les consommateurs d'énergie électrique du véhicule tel que notamment, l'éclairage du véhicule, un groupe de climatisation de l'habitacle du véhicule et un ordinateur de bord assurant la gestion du moteur thermique. [0002] Le démarreur, permettant le démarrage du moteur, nécessite une quantité d'énergie importante pour son fonctionnement. Lors du premier démarrage, la plupart des consommateurs électriques du véhicule sont normalement à l'arrêt. [0003] Certains véhicules automobiles sont équipés d'une fonction bien connue dans la littérature anglo-saxonne sous le nom de STOP and START grâce à laquelle le moteur thermique s'arrête dès que le véhicule est à l'arrêt et redémarre par exemple dès que le conducteur accélère de nouveau. Lors d'un redémarrage, des équipements du réseau de bord tels que par exemple la direction assistée, le système d'éclairage, le système audio-visuel du véhicule, peuvent être actifs, et doivent le rester pour le confort et la sécurité des occupants du véhicule. [0004] Or la forte consommation en courant du démarreur peut générer des chutes de tensions importantes sur le réseau de bord et dégrader certaines prestations nécessitant de l'énergie électrique et notamment une tension minimale. Cela crée une perception de non qualité de l'ensemble du véhicule, avec un défaut ressenti comme aléatoire car l'usager du véhicule n'associe pas nécessairement le redémarrage du moteur du véhicule avec ce défaut, d'autant que le conducteur n'a pas commandé expressément l'arrêt du moteur. [0005] Pour pallier ce problème, certains véhicules ont été munis d'un dispositif de maintien de la tension du réseau de bord, encore connu sous l'abréviation DMTR, monté en série avec la batterie. Le DMTR est en fait un convertisseur de tension continu-continu au travers duquel les organes sensibles aux sous-tensions sont alimentés au moins lors des phases de redémarrage. Le DMTR prélève alors son énergie sur la batterie et permet d'élever la tension présente aux bornes de la batterie pour alimenter le réseau de bord. [0006] Par ailleurs, certains véhicules automobiles sont équipés d'une fonction de récupération d'énergie. Cette fonction est mise en oeuvre lors de phase de décélération du véhicule afin de récupérer une partie de l'énergie de freinage. Lors de la récupération, la batterie reçoit un courant de recharge important. Ce courant est beaucoup plus important que celui rechargeant la batterie lors de phase de roulage classique. Pour que ce courant s'établisse, il est nécessaire d'élever la tension aux bornes de la batterie pour s'affranchir de la résistance interne de la batterie et de celle des connexions reliant la batterie à la machine électrique produisant le courant. [0007] Le DMTR peut remplir cette fonction d'élévateur de tension de la machine électrique pour recharger la batterie. Le DMTR est alors un convertisseur de tension continu-continu bidirectionnel pouvant, dans un sens, élever la tension prélevée sur la batterie pour alimenter le réseau de bord et dans l'autre sens élever la tension prélevée sur le réseau de bord sur lequel est connecté la machine électrique pour recharger la batterie. [0008] Cette configuration du circuit électrique génère des pertes importantes dans le DMTR en phase de récupération car le DMTR voit alors passer des courants importants pour recharger la batterie. Ces courants peuvent être de l'ordre de 200A. [000s] L'invention vise à proposer une autre architecture de circuit électrique embarqué à bord d'un véhicule électrique permettant de maintenir la tension du réseau de bord lors des phases de démarrage ou de redémarrage, de limiter les pertes en phase de récupération, et de limiter les perturbations de la tension alimentant le réseau de bord. [0010] A cet effet, l'invention a pour objet un circuit électrique dans lequel on connecte au plus court et sans intermédiaire le démarreur, l'alternateur et la batterie. Le circuit électrique comprend alors un convertisseur continu/continu raccordé entre d'une part le démarreur, l'alternateur et les moyens de stockage et d'autre part le réseau de bord, le convertisseur étant pilotable en élévateur ou en abaisseur de tension. [0011] Plus précisément, l'invention a pour objet un circuit électrique destiné à équiper un véhicule automobile, le circuit comprenant : des moyens de fourniture d'un courant continu, des moyens de démarrage du véhicule automobile, des moyens de stockage d'énergie électrique et un réseau de bord alimenté en courant continu, tous raccordés électriquement entre eux, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - un convertisseur continu/continu raccordé d'une part en un premier point aux moyens de fourniture d'un courant continu, aux moyens de démarrage du véhicule et aux moyens de stockage et d'autre part en un second point au réseau de bord, - et des moyens pour piloter le convertisseur en élévateur de tension, en abaisseur de tension ou en mode transparent dans lequel la tension au premier point est sensiblement égale à la tension du second point. [0012] Le convertisseur continu/continu peut être monodirectionnel fournissant du courant vers le réseau de bord puisque le réseau de bord n'est que consommateur d'énergie électrique. [0013] Avantageusement, le circuit électrique comprend une pluralité de convertisseurs élémentaires de courant montés électriquement en parallèle entre le premier point et le second point. [0014] Selon un mode de réalisation particulier, chacun des convertisseurs élémentaires de courant comprend une inductance ayant deux bornes de connexion, une première borne étant raccordée électriquement au premier point par l'intermédiaire d'un premier interrupteur électronique, une seconde borne étant raccordée au second point par l'intermédiaire d'un deuxième interrupteur électronique, la première borne étant raccordée électriquement à une masse du circuit électrique par l'intermédiaire d'un troisième interrupteur électronique, et la seconde borne étant raccordée à la masse par l'intermédiaire d'un quatrième interrupteur électronique. [0015] Selon un autre mode de réalisation particulier la convertisseur comprend quatre interrupteurs permettant de sélectionner la direction du courant dans le convertisseur, dont un premier interrupteur permet de raccorder le premier point à un point milieu, un deuxième interrupteur permet de raccorder le second point au point milieu, un troisième interrupteur permet de raccorder le premier point à un point d'entrée et un quatrième interrupteur permet de raccorder le premier point au point d'entrée. Chacun des convertisseurs élémentaires de courant comprend alors une inductance ayant deux bornes de connexion, dont une première borne est raccordée au point milieu par l'intermédiaire d'un premier interrupteur de branche ainsi qu'à une masse du circuit électrique par l'intermédiaire d'un second interrupteur de branche, les secondes bornes de connexion des différentes inductances étant raccordées au point d'entrée. [0016] L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : - la figure 1 représente un exemple simplifié de circuit électrique selon l'invention, - la figure 2 représente de façon plus détaillée une première variante de schéma 30 de réalisation du circuit de la figure 1 ; - la figure 3 représente une seconde variante de schéma de réalisation du circuit de la figure 1. [0017] Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. [0018] La figure 1 représente un exemple d'architecture d'un circuit électrique 10 d'un véhicule automobile comprenant des moyens de fourniture d'un courant continu, comme par exemple un alternateur 11, des moyens de démarrage 12 du véhicule automobile, des moyens de stockage d'énergie électrique comme par exemple une batterie 13 et un réseau de bord 14 alimenté en courant continu. Le réseau de bord 14 regroupe toutes les éléments se comportant uniquement comme des charges dans le véhicule, comme par exemple l'éclairage du véhicule, un ordinateur de bord, un groupe de climatisation lorsque celui-ci est alimenté électriquement. [0019] L'alternateur 11 délivre un courant continu. A cet effet, il comprend des moyens de redressement. De plus, l'alternateur 11 et les moyens de démarrage 12 peuvent être formés par une seule machine électrique souvent appelée alternodémarreur. Le raccordement électrique de la batterie 13, de l'alternateur 11 et des moyens de démarrage 12 se fait au plus court pour limiter les chutes de tension et donc les pertes énergétiques dans les moyens de raccordement tels que des câbles électriques. En effet, l'intensité du courant circulant dans l'alternateur 11 et les moyens de démarrage 12 peut être importante. A cet effet, Une masse électrique 15 et un câble positif 16 dédiés peuvent relier électriquement ces trois éléments. [0020] Le circuit électrique 10 comprend un convertisseur continu/continu 17 permettant d'alimenter le réseau de bord 14 à partir de la batterie 13. Le convertisseur 17 comprend une borne d'entrée 18 raccordée à une borne positive 19 de la batterie 13 et une borne de sortie 20. Le réseau de bord 14 est alimenté entre la borne de sortie 20 et une borne négative 21 de la batterie 13 par l'intermédiaire d'une masse électrique 22. La masse 15 est également raccordée à la borne négative 21. Avantageusement les masses 15 et 22 sont séparées pour éviter que le passage de courants forts dans la masse 15 ne perturbe le fonctionnement du réseau de bord 14 en faisant varier le potentiel de la masse 22. [0021] La figure 2 représente plus en détail le circuit électrique 10 et notamment le convertisseur 17. Pour ne pas surcharger la figure 2, les masses 15 et 22 ne sont plus distinguées. Le convertisseur 17 peut être formé par exemple d'un convertisseur de courant ou d'une pluralité de convertisseurs de courant montés en parallèle encore appelée convertisseur multi phase entrelacées. La figure 2, pour des raisons de clarté présente à titre d'exemple un convertisseur 17 formé de trois convertisseurs élémentaires de courant 31, 32 et 33 montés électriquement en parallèle entre les bornes 18 et 20. Les différents convertisseurs élémentaires 31, 32 et 33 sont identiques. Le nombre de convertisseurs élémentaires est notamment choisi en fonction de la puissance électrique désirée. On trouve couramment des convertisseurs formés de huit convertisseurs élémentaires. [0022] Le réseau de bord 14 n'étant que consommateur d'énergie électrique, chacun des convertisseurs élémentaires 31, 32 et 33 est avantageusement monodirectionnel fournissant du courant en direction du réseau de bord 14. Le convertisseur 17 regroupant les convertisseurs élémentaires 31, 32 et 33 est donc lui aussi monodirectionnel. [0023] Chacun des convertisseurs élémentaires 31, 32 et 33 comprend une inductance, respectivement L1, L2, L3, ayant chacune deux bornes de connexion, Lia et Lib, i représentant la partie numérique du repère de chaque inductance L1, L2, L3. Pour chaque convertisseur élémentaire, la borne Lia est raccordée électriquement à la borne 18 par l'intermédiaire d'un premier interrupteur électronique, K1 i, et la borne Lib est raccordée à la borne 20 par l'intermédiaire d'un deuxième interrupteur électronique, K2i. De plus, la borne Lia est raccordée électriquement à la masse 22 par l'intermédiaire d'un troisième interrupteur électronique, K3i, et la borne Lib est raccordée à la masse 22 par l'intermédiaire d'un quatrième interrupteur électronique, K4i. [0024] Avantageusement une diode D3i est disposée entre l'interrupteur électronique K3i et la masse 22. De même, une diode D4i est disposée entre l'interrupteur électronique K4i et la masse 22. Les diodes D3i et D4i sont orientées de façon à protéger le convertisseur 17 d'inversion de polarité. Plus précisément, les diodes D3i et D4i empêchent un courant de circuler de la masse 22 vers les inductances Li. [0025] Dans ce mode de réalisation, les diodes D3i ou D4i ajoutées pour protéger des inversions de polarité sont positionnées à raison d'une diode Di par branche comprenant respectivement un interrupteur K3i ou K4i. Afin de réduire le nombre de diode D3i ou D4i, dans une variante non représentée, on peut aussi prévoir de disposer entre plusieurs branches réunies comprenant un interrupteur K3i ou K4i et la masse 21 une diode commune. [0026] Le convertisseur 17 peut comprendre également deux condensateurs Cl et C2 raccordés entre la borne 18 et la masse 22 pour le condensateur Cl et entre la borne 20 et la masse 22 pour le condensateur C2. Les deux condensateurs Cl et C2 permettent d'atténuer les ondulations de tension présentes aux bornes 18 et 20. [0027] Pour réaliser les interrupteurs électroniques, on utilise par exemple des transistors à effet de champ à grille métal-oxyde bien connus dans la littérature anglo- saxonne sous l'acronyme MOSFET pour « Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ». Lorsque ces transistors sont passants, la chute de tension drain source est très faible. Une diode est représentée en parallèle de chaque interrupteur. Cette diode existe de façon intrinsèque dans chaque transistor MOSFET. [0028] Le circuit électrique 10 comprend également des moyens de pilotage du convertisseur 17. Les moyens de pilotage comprennent des circuits de commande 35 des interrupteurs K1 i à K4i. Les circuits de commande 35 sont eux-mêmes pilotés par un circuit de régulation 36 permettant de maintenir la tension Vs présente à la borne 20 en fonction d'une consigne par exemple de 12,5V. Le circuit de régulation 36 peut recevoir la mesure de la tension Vs ainsi que la mesure de la tension Ve présente à la borne 18 formant l'entrée du convertisseur 17. [0029] Trois modes de fonctionnement sont possibles pour le convertisseur 17. Il peut tout d'abord fonctionner en élévateur de tension, lorsque la tension aux bornes de la batterie 13 n'est pas suffisante pour maintenir une tension suffisante pour le réseau de bord 14. Ce mode de fonctionnement est par exemple mis en oeuvre lors du démarrage du véhicule. Le démarreur 11, ou l'alterno-démarreur, requiert une intensité importante qui tend à faire chuter la tension aux bornes de la batterie 13 essentiellement du fait de la résistance interne de la batterie 13. [0030] Les différents convertisseurs élémentaires 31, 32 et 33 fonctionnent de façon semblable. En mode élévateur de tension, l'interrupteur K1 i est fermé et l'interrupteur K3i est ouvert. Les deux interrupteurs K2i et K4i sont alternativement ouverts et fermés selon un découpage haute fréquence. Plus précisément, au cours d'une période de temps, dans une première partie de la période, l'interrupteur K2i et fermé et l'interrupteur K4i est ouvert. Dans une seconde partie de la période, formant le complément de la première période, l'interrupteur K4i et fermé et l'interrupteur K2i est ouvert. Le rapport de temps entre les deux périodes ou rapport cyclique est déterminé par le circuit de régulation 36 afin d'obtenir l'élévation de tension souhaitée. Ce type de découpage est bien connu dans la littérature anglo-saxonne sous l'acronyme PWM pour « Pulse With Modulation ». Ce type de découpage est également appelé découpage en largeur d'impulsion. Il est possible d'entrelacer le découpage réalisés dans les différents convertisseurs élémentaires afin de mieux lisser la tension de sortie Vs. [0031] Un autre mode de fonctionnement consiste à utiliser le convertisseur 17 en abaisseur de tension. Ce mode de fonctionnement est mis en oeuvre lorsque la tension aux bornes de la batterie 13 est trop importante pour maintenir une tension adéquate pour le réseau de bord 14. Ceci apparait par exemple lors d'une phase de récupération. Dans ce mode l'interrupteur K2i est fermé et l'interrupteur K4i est ouvert. Les deux interrupteurs K1 i et K3i sont alternativement ouverts et fermés selon un découpage haute fréquence pour obtenir la tension de sortie Vs souhaitée. [0032] Un dernier mode de fonctionnement consiste à utiliser le convertisseur 17 en transparence. Dans ce mode, la tension de sortie Vs est sensiblement égale à la tension d'entrée Ve. Dans ce mode, les interrupteurs K1 i et K2i sont fermés et les interrupteurs K3i et K4i sont ouverts. La tension Vs subit néanmoins une légère chute de tension par rapport à la tension Ve du fait de la présence des interrupteurs fermés en série K1 i et K2i. [0033] La figure 3 représente un autre exemple d'architecture d'un circuit électrique 10 d'un véhicule automobile. On retrouve l'alternateur 11, le démarreur 12, la batterie 13 et le réseau de bord 14. Le convertisseur 17 est remplacé par un convertisseur 40 qui remplit les mêmes fonctions que le convertisseur 17. [0034] la structure de base d'un élévateur de tension comprend une inductance et deux interrupteurs électroniques, l'un à commutation naturelle comme par exemple une diode, et l'autre à commutation forcée comme par exemple un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde bien connu dans la littérature anglo-saxonne sous l'acronyme MOSFET pour « Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ». Il est avantageux de remplacer la diode par un autre transistor à effet de champ afin de limiter les pertes énergétiques lors du fonctionnement du convertisseur. [0035] Il peut être également envisagé de multiplier le nombre de phase de cette structure afin d'améliorer les performances du convertisseur 40. Sur la figure 3, trois phases 41, 42 et 43 structurellement identiques sont représentées à titre d'exemple, chacune possédant une inductance L10, L20 ou L30. [0036] Quatre interrupteurs K1, K2, K3 et K4 permettent de sélectionner la direction du courant dans le convertisseur 40. Plus précisément, l'interrupteur K1 permet de raccorder la borne 18 à un point milieu 44, l'interrupteur K2 permet de raccorder la borne 20 au point milieu 44, l'interrupteur K3 permet de raccorder la borne 18 à un point d'entrée 45 et l'interrupteur K4 permet de raccorder la borne 20 au point d'entrée 45. [0037] Les trois phases 41, 42 et 43 ont une structure identique. Les composants de chacune porteront la partie numérique du repère de chaque inductance L10, L20, L30 appelée de façon générique : « i » par la suite. Une première borne Lia de l'inductance Li est raccordée au point milieu 44 par l'intermédiaire d'un interrupteur Kit ainsi qu'à la masse 22 par l'intermédiaire d'un interrupteur Ki2 et avantageusement d'une diode Di connectée en série avec l'interrupteur Ki2 et orientée de façon à protéger le convertisseur 40 d'inversion de polarité. Plus précisément, les diodes Di empêchent un courant de circuler de la masse 22 vers les inductances Li. Les secondes bornes Lib de chacune des inductances Li sont raccordées ensemble pour former le point d'entrée 22 du convertisseur 40. [0038] Le convertisseur 40 peut comprendre également deux condensateurs Cl et C2 raccordés entre la borne 18 et la masse 22 pour le condensateur Cl et entre la borne 20 et la masse 22 pour le condensateur C2. Les deux condensateurs Cl et C2 permettent d'atténuer les ondulations de tension présentes aux bornes 18 et 20. [0039] Le circuit électrique 10 comprend également des moyens de pilotage du convertisseur 40. Les moyens de pilotage comprennent des circuits de commande 46 des interrupteurs K1 à K4, Kil et Ki2. Les circuits de commande 46 sont eux-mêmes pilotés par le circuit de régulation 36. [0040] On peut bien entendu retrouver pour le convertisseur 40, les différents modes de fonctionnement du convertisseur 17. REVENDICATIONS1. Circuit électrique destiné à équiper un véhicule automobile, le circuit (10) comprenant : des moyens de fourniture d'un courant continu (11), des moyens de démarrage (12) du véhicule automobile, des moyens de stockage (13) d'énergie électrique et un réseau de bord (14) alimenté en courant continu, tous raccordés électriquement entre eux, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - un convertisseur continu/continu (17, 40) raccordé d'une part en un premier point (18) aux moyens de fourniture d'un courant continu (11), aux moyens de démarrage (12) du véhicule et aux moyens de stockage (13) et d'autre part en un second point (20) au réseau de bord (14), - et des moyens (35, 36, 46) pour piloter le convertisseur (17, 40) en élévateur de tension, en abaisseur de tension ou en mode transparent dans lequel la tension au premier point (18) est sensiblement égale à la tension du second point (20). 2. Circuit électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur continu/continu (17, 40) est monodirectionnel fournissant du courant vers le réseau de bord (14). 3. Circuit électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de convertisseurs élémentaires de courant (31, 32, 33 ; 41, 42, 43) montés électriquement en parallèle entre le premier point (18) et le second point (20). 4. Circuit électrique selon la revendication 3, caractérisé en ce que chacun des convertisseurs élémentaires de courant (31, 32, 33) comprend une inductance (L1, L2, L3) ayant deux bornes de connexion (Lia et Lib), une première borne (Lia) étant raccordée électriquement au premier point (18) par l'intermédiaire d'un premier interrupteur électronique (K1 i), une seconde borne (Lib) étant raccordée au second point (20) par l'intermédiaire d'un deuxième interrupteur électronique (K2i), la première borne (Lia) étant raccordée électriquement à une masse (22) du circuit électrique (10) par l'intermédiaire d'un troisième interrupteur électronique (K3i), et laseconde borne (Lib) étant raccordée à la masse (22) par l'intermédiaire d'un quatrième interrupteur électronique (K4i). 5. Circuit électrique selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend quatre interrupteurs (K1, K2, K3, K4) permettent de sélectionner la direction du courant dans le convertisseur (40), dont un premier interrupteur (K1) permet de raccorder le premier point (18) à un point milieu (44), un deuxième interrupteur (K2) permet de raccorder le second point (20) au point milieu (44), un troisième interrupteur (K3) permet de raccorder le premier point (18) à un point d'entrée (45) et un quatrième interrupteur (K4) permet de raccorder le premier point (18) au point d'entrée (45) et en ce que chacun des convertisseurs élémentaires de courant (41, 42, 43) comprend une inductance (L10, L20, L30) ayant deux bornes de connexion (Lia et Lib), dont une première borne (Lia) est raccordée au point milieu (44) par l'intermédiaire d'un premier interrupteur de branche (Kil) ainsi qu'à une masse (22) du circuit électrique par l'intermédiaire d'un second interrupteur de branche (Ki2) et en ce que les secondes bornes de connexion (Lib) des différentes inductances (L10, L20, L30) sont raccordées au point d'entrée (45).