Brevet FR3002897A1 — publié le 20140912

DISPOSITIF D'ALIMENTATION COMMUTE POUR LE RESEAU DE BORD D'UN VEHICULE AUTOMOBILE L'invention trait à un dispositif d'alimentation commutée destiné à alimenter en électricité le réseau de bord d'un véhicule automobile. En particulier, l'invention concerne des véhicules automobiles équipés d'un système de redémarrage automatique, dans lesquels différents systèmes électriques ont des besoins variés en puissance électrique dépendant des phases de conduite. Les accessoires consommateurs d'énergie électrique tendent à être de plus en plus nombreux dans les véhicules automobiles. Il s'agit par exemple des climatiseurs, des systèmes de direction assistée, ou des dispositifs d'arrêt et de redémarrage automatique des moteurs thermiques, couramment appelés systèmes « Start & Stop ». Ces derniers peuvent par exemple comprendre un alternateur réversible qui permet de redémarrer le moteur thermique et de récupérer l'énergie cinétique lorsque le véhicule est freiné. Cette énergie récupérée peut être transformée en énergique électrique qui peut être utilisée pour recharger les stockeurs électriques du véhicule. De tels équipements, qui permettent de remettre en marche le moteur thermique, ont des besoins énergétiques élevés. Ils nécessitent une forte puissance électrique, ce qui se traduit par des courants électriques importants. Cette demande de puissance doit cependant être satisfaite sans pour autant surdimensionner les moyens d'alimentation électrique, et sans pour autant provoquer une chute de tension sur le réseau de bord, ce qui se traduirait par une perception de mauvaise qualité du véhicule, une diminution passagère du couple moteur voire même la perte des fonctions sécuritaires du véhicule tels que freinage ou éclairage extérieur. Pour résoudre ces problèmes, il a été proposé d'ajouter une source d'énergie auxiliaire, telle qu'une deuxième batterie, connectée au réseau de bord du véhicule. Cependant, cette solution est relativement onéreuse et occupe de l'espace supplémentaire sous le capot ou dans le coffre du véhicule. Une autre solution consiste à fournir un dispositif d'augmentation temporaire de tension en rajoutant dans le réseau de bord un second moyen de stockage d'énergie électrique, tels que des condensateurs de forte capacité (par exemple 300F). Cette solution peut être utilisée en plus de la batterie classique plomb- acide 12V pour les démarrages et redémarrages, et pour alimenter les accessoires consommateurs électriques connectés au réseau. Le document de brevet US 2009 050092 décrit un démarreur de moteur avec un accumulateur, une diode et un transformateur, qui sert à augmenter la tension et donc la puissance requise lors du démarrage. Le document de brevet WO 2011 121053 décrit un réseau de bord avec deux stockeurs d'énergie électrique et un dispositif de commande associé. Le dispositif qui est décrit permet de réguler la tension délivrée au réseau de bord. Le document de brevet FR 2896744 présente un système d'alimentation de réseau de bord de véhicule avec un élément de stockage d'énergie électrique rechargeable, qui permet de délivrer une puissance électrique en utilisant un élévateur de tension et un système de régulation de tension du réseau. Le brevet US 2004 239181 décrit un système de régénération d'énergie électrique au freinage. En fonction du niveau de la puissance de régénération, le système alimente différents accessoires électriques connectés au réseau de 20 bord. Le document de brevet FR 2784517 présente un circuit d'alimentation de réseau de bord d'un véhicule avec deux niveaux de tension. La première branche du circuit est directement alimentée par un convertisseur, tandis que la seconde branche du circuit comprend un moyen d'accumulation d'énergie avec un 25 convertisseur à niveaux de sorties multiples. Dans les dispositifs connus, un stockeur d'énergie électrique additionnel n'est utilisé que pour remplir une seule mission. Soit le stockeur additionnel sert à augmenter la tension du réseau de bord, soit il sert à maintenir la tension du réseau de bord. L'invention a pour objectif de proposer un dispositif et un procédé palliant au moins un des inconvénients sus mentionnés. Plus particulièrement, l'invention a pour objectif de proposer un dispositif d'alimentation commutée qui permet d'utiliser un même stockeur additionnel d'énergie électrique pour plusieurs tâches différentes. Il s'agit par exemple des tâches de démarrage, redémarrage, augmentation de tension ou maintien de la tension du réseau de bord. L'invention propose un concept d'alimentation générique pour des véhicules équipés d'un système « Stop & Start ». L'invention a pour objet un dispositif d'alimentation commutée destiné à alimenter un réseau de bord électrique d'un véhicule automobile. Le réseau est séparé en une partie de réseau connectée en amont du dispositif, et en une partie de réseau connectée en aval du dispositif. Le dispositif est remarquable en ce qu'il comprend : - un contrôleur destiné à commander un ensembre de commutateurs ; - des ports d'entrée servant à connecter au moins trois stockeurs d'énergie électrique, et - un convertisseur de puissance électrique DC/DC. Le dispositif est en outre remarquable en ce qu'il permet d'alimenter la partie de réseau connectée en amont de manière sélective à partir du premier stockeur. En plus, le contrôleur permet de commuter sélectivement le deuxième stockeur en série avec le premier stockeur, afin d'alimenter la partie de réseau connectée en amont. Le contrôleur permet également d'alimenter la partie de réseau connectée en aval de manière sélective à partir du premier stockeur, et le contrôleur permet d'alimenter la partie de réseau connectée en aval de manière sélective à partir du deuxième ou du troisième stockeur et à travers le convertisseur DC/DC. L'ensemble de commutateurs comprend de préférence cinq interrupteurs. Alternativement, il peut comprendre deux interrupteurs et deux inverseurs. De préférence, le contrôleur peut permettre de charger de manière sélective au moins un stockeur connecté à partir de la partie de réseau connectée en amont. Le convertisseur de puissance électrique DC/DC peut de préférence être un convertisseur réversible, ce qui permet d'augmenter ou de diminuer la tension en entrée. Le contrôleur peut de manière préférée comprendre des moyens d'entrée permettant de recevoir des signaux à partir d'au moins un élément connecté au réseau de bord. En plus, le contrôleur peut être configuré de sorte à commuter les commutateurs de manière sélective en fonction d'au moins un signal reçu. L'invention a également pour objet un programme d'ordinateur qui comprend des 10 instructions de code de programme. Le programme amène un processeur programmable à fonctionner comme le contrôleur du dispositif décrit selon l'invention lorsque ledit programme est exécuté par le processeur programmable. L'invention a également pour objet un véhicule automobile comprenant un réseau électrique de bord et au moins trois stockeurs d'énergie électrique. Le 15 véhicule est remarquable en ce que le réseau de bord comprend un dispositif d'alimentation commuté conforme à l'invention. De préférence, le véhicule peut comprendre un système de redémarrage automatique. La structure logique de commutation du dispositif selon l'invention est indépendante des types et des capacités des stockeurs connectés au dispositif. 20 Ceci permet de programmer le contrôleur en conformité avec les besoins d'alimentation du véhicule. La programmation se fait par exemple par chargement d'un programme informatique adéquat, qui établit une relation entre les besoins des parties de réseau lors de différentes phases de conduite, et les états des commutateurs. L'écriture de tels programmes est à la portée de 25 l'homme de l'art. Le système proposé est générique et utilisable sur des types de véhicules différents. En outre il permet une optimisation d'utilisation des différents stockeurs connectés au dispositif, ce qui en augmente la durée de vie. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à l'aide de la description et des dessins, parmi lesquels : - la figure 1 est une représentation d'un circuit implémentant une réalisation préférée du dispositif selon l'invention ; - la figure 2 est une représentation d'un détail d'un circuit implémentant une réalisation préférée du dispositif selon l'invention, y compris une alternative d'implémentation. La figure 1 illustre de manière exemplaire un circuit qui réalise le dispositif 100 selon l'invention. Le dispositif est destiné à être connecté à une première portion de réseau de bord d'un véhicule 200 en amont et à une deuxième portion de réseau de bord d'un véhicule 300 en aval. Typiquement le réseau 200 comporte un générateur électrique et un générateur mécanique, qui mettent en oeuvre notamment un système de redémarrage automatique « Stop & Start ». La tension Vup est délivrée au réseau 200 par le dispositif 100. Lors des phases de démarrage ou de redémarrage, la tension Vup doit être augmentée, de façon à pouvoir délivrer la puissance électrique requise par la machine électrique pour fournir un couple mécanique suffisant au démarrage ou redémarrage du moteur. Le réseau 300 comporte typiquement les consommateurs électriques installés dans le véhicule, par exemple le système de direction assistée ou la climatisation. Le dispositif applique la tension Vdown au réseau 300. Il est important de fournir une tension généralement constante à la partie de réseau 300, indépendamment des besoins d'énergie dans la partie de réseau 200. Le dispositif 100 comporte des ports de connexion 101, 102, et 103 qui permettent la connexion de stockeurs d'énergie électrique 10, 20 et 30 respectivement. Dans l'exemple décrit et de façon non limitative, il sera supposé que le stockeur d'énergie 10 est une batterie automobile à 12 V connue du type plomb-acide. Les stockeurs d'énergie 20 et 30 reliés à la masse du véhicule sont de préférence des supercondensateurs. Un supercondensateur est un condensateur particulier qui permet d'obtenir une densité de puissance et une densité d'énergie intermédiaire entre les batteries et les condensateurs électrolytiques classiques. De tels éléments sont connus dans l'art et leur fonctionnement ne sera pas explicité en plus de détails dans le cadre de cette description. De manière générale, la tension V1 aux bornes du stockeur 10 est nettement plus élevée que les tensions V2 et V3 aux bornes des stockeurs 20 et 30 respectivement. De préférence la tension V3 est sensiblement plus élevée que la tension V2. Dans la configuration de l'exemple donné, un élément contrôleur non-illustré permet de commander les interrupteurs K1, K2, K3, K4 et K5 selon les demandes de puissance électrique des parties de réseau 200 et 300. Un processeur programmable peut être utilisé afin d'implémenter l'élément contrôleur. Avantageusement, le contrôleur possède des entrées de signaux reliées à des éléments capteurs qui l'informent de l'état momentané des éléments branchés sur les deux parties de réseau 200 et 300. En fonction de l'état du réseau et de la demande ainsi recensée, le contrôleur actionne les commutateurs selon des règles prédéfinies, qui sont de préférence stockées dans une mémoire programmable à laquelle le contrôleur a un accès en lecture. Les commutateurs K1 à K5 sont avantageusement implémentés par des transistors de type MOSFET connus dans l'art. Des variantes d'implémentation seront à la portée de l'homme de l'art. A titre d'exemple et en référence à la figure 1, plusieurs états de fonctionnement du dispositif 100 seront décrits en partant des états respectifs des commutateurs K1 à K5. Dans ce qui suit, chacun des commutateurs est dans la position ouverte, sauf indication contraire. - Commutateurs K1 et K5 fermés Dans cet état, le stockeur d'énergie 10 connecté au port 101 alimente la partie réseau 200 en amont du dispositif 100. La fermeture du commutateur K5 permet également au stockeur 10 d'alimenter le réseau 300 en aval du dispositif. Le niveau de tension délivré à l'intégralité du réseau de bord du véhicule est égal à Vup = Vdown= V1. Les stockeurs 20 et 30 ne participent pas à l'alimentation du réseau de bord, et ils ne sont pas en état de recharge. Cet état correspond généralement à un état de repos du véhicule. Le fonctionnement de l'alimentation 100 dans cet état correspond à une alimentation d'un véhicule conventionnel sans système de récupération d'énergie et sans système Stop & Start. 3002 89 7 7 - Commutateurs K1, K3 et K5 fermés Dans cet état, le premier stockeur d'énergie 10 connecté au port 101 alimente la partie réseau 200 en amont du dispositif 100. La fermeture du commutateur K5 permet également au stockeur 10 d'alimenter le réseau 300 en aval du dispositif. 5 Le niveau de tension délivré à l'intégralité du réseau de bord du véhicule est égal à Vup = Vdown = V1. La fermeture du commutateur K3 permet de charger le deuxième stockeur d'énergie électrique 20 connecté au port 102 à travers le convertisseur DC/DC. Les stockeurs 20 et 30 ne participent pas à l'alimentation du réseau de bord. Cet état correspond généralement à un état de préparation 10 au démarrage du véhicule. - Commutateurs K1, K4 et K5 fermés Dans cet état, le premier stockeur d'énergie 10 connecté au port 101 alimente la partie réseau 200 en amont du dispositif 100. La fermeture du commutateur K5 permet également au stockeur 10 d'alimenter le réseau 300 en aval du dispositif. 15 Le niveau de tension délivré à l'intégralité du réseau de bord du véhicule est égal à Vup = Vdown = V1. La fermeture du commutateur K4 permet de charger le troisième stockeur d'énergie électrique 30 connecté au port 103 à travers le convertisseur DC/DC. Les stockeurs 20 et 30 ne participent pas à l'alimentation du réseau de bord. Cet état correspond généralement à un état de préparation 20 au démarrage du véhicule. - Commutateurs K1 et K3 fermés Dans cet état, le premier stockeur d'énergie 10 connecté au port 101 alimente la partie réseau 200 en amont du dispositif 100. Le deuxième stockeur 20 connecté au port 102 alimente la partie de réseau 300 à travers le convertisseur DC/DC. 25 Le convertisseur fournit la tension nominale Vdown = Vdcdc à la partie de réseau 300, en partant de la tension V2 à son entrée. Comme le commutateur K5 est ouvert, les alimentations des deux parties de réseau 200 et 300 sont découplées. Ceci permet d'éviter des chutes de tension dans le réseau 300 en réponse à une demande accrue de tension sur le réseau 200. Par ailleurs, la 30 diode D permet au stockeur 10 de subvenir aux appels ponctuels de puissance électriques élevés de la part du réseau 300. Le niveau de tension délivré à la partie de réseau 200 est égal à Vup = V1. Cet état correspond généralement à une phase de démarrage du moteur thermique faisant partie de la partie de réseau 200. Alternativement, l'état correspond à une courte phase de repos (stop) lors de laquelle le stockeur 10 n'est pas sollicité. - Commutateurs K1 et K4 fermés Dans cet état, le premier stockeur d'énergie 10 connecté au port 101 alimente la partie réseau 200 en amont du dispositif 100. Le troisième stockeur 30 connecté au port 103 alimente la partie de réseau 300 à travers le convertisseur DC/DC. Le convertisseur fournit la tension nominale Vdown = Vdcdc à la partie de réseau 300, en partant de la tension V3 à son entrée. Comme le commutateur K5 est ouvert, les alimentations des deux parties de réseau 200 et 300 sont découplées. Ceci permet d'éviter des chutes de tension dans le réseau 300 en réponse à une demande accrue de tension sur le réseau 200. Le niveau de tension délivré à la partie de réseau 200 est égal à Vup = V1. Cet état correspond généralement à une phase de démarrage du moteur thermique faisant partie de la partie de réseau 200. Alternativement, l'état correspond à une courte phase de repos (stop) lors de laquelle le stockeur 10 n'est pas sollicité. Le dispositif peut avoir recours au stockeur 30 si le stockeur 20 n'a pas un niveau de charge suffisant au moment du démarrage. - Commutateurs K2 et K4 fermés Dans cet état, le deuxième stockeur d'énergie électrique 20 connecté au port 102 est commuté en série avec le premier stockeur d'énergie 10 connecté au port 101. L'assemblage en série alimente la partie réseau 200 en amont du dispositif 100. La tension appliquée à la partie réseau 200 est par conséquent élevée au niveau Vup = V1 + V2. En même temps, le troisième stockeur 30 connecté au port 103 alimente la partie de réseau 300 à travers le convertisseur DC/DC. Le convertisseur fournit la tension nominale Vdcdc à la partie de réseau 300, en partant de la tension V3 à son entrée. Comme le commutateur K5 est ouvert, les alimentations des deux parties de réseau 200 et 300 sont découplées. Ceci permet d'éviter des chutes de tension dans le réseau 300 en réponse à une demande accrue de tension sur le réseau 200. Cet état 3002 89 7 9 correspond généralement à une phase de démarrage du moteur thermique faisant partie de la partie de réseau 200, dans le cas où un boost de tension est requis. Vu que les commutateurs K2 et K3 ne sont jamais fermés ensemble, ils peuvent 5 être remplacés par un inverseur, ou commutateur bistable K23, comme indiqué par la figure 2. De même, la structure des interrupteurs K3 et K4 du circuit de la figure 1 peut être remplacé par un inverseur. De cette façon le nombre total de commutateurs du circuit proposé est réduit de cinq à quatre. Selon l'exemple d'utilisation décrit, le stockeur 20 est utilisé soit pour assister un 10 démarrage par une augmentation temporaire de tension, soit pour augmenter l'autonomie lors d'une phase de repos (stop). Le stockeur 10, qui correspond en général à une batterie d'accumulateurs 12 V est moins sollicité, ce qui réduit le nombre de cycles de recharges. Comme le stockeur 10 reste en général à un niveau de charge élevé, sa durée d'utilité est prolongée. 15 La diode D permet au stockeur 10 de compléter ponctuellement l'alimentation fournie par les stockeurs 20 ou 30 via le DC/DC. Ceci devient par exemple nécessaire dans le cas d'un appel de courant lors d'une sollicitation du système direction assistée en cas d'évitement. Le système direction assistée fait partie de la partie de réseau 300. L'appel dépasse largement les capacités du 20 commutateur DC/DC pendant environ 2 secondes. Dans ce cas, la tension Vdown du côté du réseau 300 va chuter en-dessous de la tension V1. Lorsque la différence de potentiel atteint la tension de la jonction diode, la diode va devenir passante et la puissance électrique va venir du stockeur 10 et compléter la puissance déjà délivrée par le DC/DC. REVENDICATIONS1. Dispositif d'alimentation commuté (100) destiné à alimenter un réseau de bord électrique d'un véhicule automobile, le réseau étant séparé en une partie de réseau connectée en amont du dispositif (200) ayant des besoins de puissance variables, et en une partie de réseau connectée en aval du dispositif (300) ayant des besoins de puissance généralement constants, caractérisé en ce que le dispositif comprend - un contrôleur destiné à commander un ensemble de commutateurs - des ports d'entrée servant à connecter au moins trois stockeurs d'énergie électrique ; - un convertisseur de puissance électrique DC/DC, et en outre caractérisé en ce que - le contrôleur permet d'alimenter la partie de réseau connectée en amont (200) de manière sélective à partir du premier stockeur; - le contrôleur permet de commuter sélectivement le deuxième stockeur en série avec le premier stockeur, afin d'alimenter la partie de réseau connectée en amont (200); - le contrôleur permet d'alimenter la partie de réseau connectée en aval (300) de manière sélective à partir du premier stockeur, et - le contrôleur permet d'alimenter la partie de réseau connectée en aval (300) de manière sélective à partir du deuxième ou du troisième stockeur et à travers le convertisseur DC/DC. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de commutateurs comprend 5 interrupteurs. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de commutateurs comprend deux inverseurs et deux interrupteurs. 4. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le contrôleur permet de charger de manière sélective au un moins stockeur connecté à partir de la partie de réseau connectée en amont (200).5. 6. 7. 8. 9. 10. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le convertisseur de puissance électrique DC/DC est un convertisseur réversible. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le contrôleur comprend des moyens d'entrée permettant de recevoir des signaux à partir d'au moins un élément connecté au réseau de bord. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le contrôleur commute les commutateurs de manière sélective en fonction d'au moins un signal reçu. Programme d'ordinateur comprenant des instructions de code de programme qui amène un processeur programmable à fonctionner comme le contrôleur du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 lorsque ledit programme est exécuté par le processeur programmable. Véhicule automobile comprenant un réseau électrique de bord et au moins trois stockeurs d'énergie électrique, caractérisé en ce que le réseau de bord comprend un dispositif d'alimentation commuté selon une quelconque des revendications 1 à 7. Véhicule selon la revendication 9, caractérisé en ce que le réseau électrique de bord comprend un système de redémarrage automatique.