Brevet FR3019659A1 — publié le 20151009

- 1 - SYSTEME DE STABILISATION D'UNE TENSION D'ALIMENTATION D'UN RESEAU ELECTRIQUE DE BORD D'UN VEHICULE AUTOMOBILE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION. De manière générale, l'invention concerne le domaine des démarreurs de moteurs thermiques dans les véhicules automobiles. Plus particulièrement, l'invention concerne un système de stabilisation d'une tension d'alimentation d'un réseau électrique de bord du véhicule au moment du démarrage. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION. Lors de la mise sous tension d'un démarreur pour assurer le démarrage du moteur thermique du véhicule, il se produit un courant d'appel important qui est proche du niveau de courant de court-circuit du démarreur, à savoir, un courant de l'ordre de 1000 ampères. Ce courant décroît ensuite en intensité à mesure que 15 l'induit du démarreur, correspondant au rotor de la machine, monte en vitesse. A ce pic initial de courant correspond une chute conséquente de la tension aux bornes de la batterie. D'autres chutes de tension moins importantes se produisent ensuite pendant la phase de démarrage et correspondent à des passages par des points morts hauts successifs du moteur thermique. 20 Le développement de démarreurs dits « renforcés » adaptés pour des systèmes d'arrêt/ relance automatique du moteur thermique (systèmes dits « Stop/Start » ou « Stop & Go » en terminologie anglaise) imposent aujourd'hui de nouvelles contraintes aux équipementiers automobiles, relatives au respect de seuils de tension minima de la batterie lors de l'appel de courant à la mise sous 25 tension du démarreur. Ainsi, dans leurs cahiers de charges, les constructeurs automobiles définissent un premier seuil de tension compris habituellement entre 7 et 9 volts en dessous duquel ne doit pas descendre la tension de batterie. Pour les chutes de tension suivantes, correspondant aux points morts hauts du moteur thermique, la tension de batterie doit rester supérieure à un second seuil de tension 30 compris habituellement entre 8 et 9 volts. Pendant le démarrage du moteur thermique, la tension du réseau de bord du véhicule reste ainsi à une valeur suffisante pour garantir le fonctionnement attendu des équipements des véhicules. Les démarreurs renforcés ont généralement une puissance supérieure aux démarreurs classiques de manière à obtenir un démarrage rapide pour davantage 35 de confort des utilisateurs. Il en découle un courant d'appel à la mise sous tension - 2 - plus élevé et donc une première chute de la tension de batterie qui va au-delà des valeurs habituelles et cela en regard d'exigences élevées. Ce problème de la chute de tension devient encore plus important dans le cas d'un véhicule équipé d'un système « Stop/Start ». Du fait de la fréquence élevée des redémarrages par rapport au démarrage initial d'un véhicule classique, les occupants du véhicule peuvent subir une gêne, et, de plus, la sécurité de certains équipements, comme une direction assistée, peut être compromise. Dans la technique antérieure, des solutions ont été proposées au problème exposé ci-dessus. Une première solution très utilisée, divulguée par la société VALEO EQUIPEMENTS ELECTRIQUES MOTEUR dans la demande de brevet FR2843841, consiste à connecter des condensateurs, ou tout autre source de tension secondaire, en série avec la batterie pendant le démarrage pour augmenter la tension d'alimentation du démarreur, et ainsi stabiliser la tension du réseau de bord. Une solution analogue connue de l'entité inventive repose sur l'utilisation de convertisseurs électroniques élévateurs de tension afin d'éviter un niveau de tension trop bas sur le réseau de bord. L'inconvénient majeur de ces condensateurs, convertisseurs, ou sources de 20 tensions secondaires, réside dans les surcoûts substantiels qu'ils introduisent. Une autre solution connue propose de commander le démarreur au moyen de deux relais, une temporisation et une résistance de limitation de courant. Dans une première phase de fonctionnement dont la durée est déterminée par la temporisation, une résistance additionnelle est insérée en série dans le circuit 25 électrique de puissance du démarreur et limite le pic de courant initial. Dans une seconde phase de fonctionnement, la résistance additionnelle est sortie du circuit de puissance afin de permettre le passage d'un courant suffisant dans l'induit du démarreur et d'autoriser une montée en vitesse de celui-ci. Outre l'inconvénient du coût additionnel qu'implique le relais de commande 30 supplémentaire, la temporisation et la résistance de limitation de courant, l'introduction de ce relais supplémentaire, qui comporte des pièces mécaniques mobiles soumises à usure, a un impact négatif sur la tenue du démarreur en termes de nombre de cycles de démarrage que doit pouvoir supporter sans encombre le démarreur. La tenue du démarreur en nombre de cycles de démarrage est une 35 contrainte particulièrement sévère pour les démarreurs destinés à des systèmes - 3 - Stop/ Start. En effet, il est demandé à de tels démarreurs de tenir environ 300 000 cycles de démarrage, soit dix fois plus que les 30 000 cycles environ demandés aux démarreurs classiques. Il a également été proposé de connecter un interrupteur constitué d'un transistor de puissance fonctionnant en commutation en série avec le démarreur. Le dispositif de commande du transistor mesure la tension de la batterie, et, en fonction de sa valeur, ouvre ou ferme l'interrupteur. L'interrupteur est commuté à l'état ouvert périodiquement, chaque fois que la tension de batterie chute en dessous d'une tension de référence. Le principal inconvénient de cette solution est la commutation du courant générant des pics de tension inverse importants qui peuvent endommager la batterie. De plus, un autre problème majeur est la compatibilité électromagnétique (CEM) du fait de la commutation de courants à des niveaux élevés. Plus récemment la société VALEO EQUIPEMENTS ELECTRIQUES MOTEUR a proposé l'utilisation d'un filtre passe-bas pour restreindre l'appel de courant au démarrage et limiter ainsi la chute de tension. Tel que cela est décrit dans la demande de brevet FR2978499, le principe de cette solution est un filtre inductif de grande puissance couplé à un circuit 20 magnétique, connecté en série avec le moteur du démarreur. Un inconvénient de ce filtre est que ses caractéristiques doivent être adaptées au modèle de démarreur utilisé. De plus, le circuit magnétique, qui présente un noyau ayant aussi une certaine masse, ne limite le courant qu'à une valeur imprécise, et, de ce fait, la tension de la batterie peut tomber en dessous de la 25 valeur nominale. Au vu de ces diverses solutions connues, il existe donc un besoin pour en supprimer les inconvénients, ou du moins, les atténuer. DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION. 30 La présente invention vise donc un système de stabilisation d'une tension d'alimentation d'un réseau électrique de bord d'un véhicule automobile. Le système dont il s'agit est du type de ceux limitant une variation de tension d'une batterie alimentant le réseau électrique de bord au moment d'un démarrage d'un moteur thermique du véhicule au moyen d'un démarreur électrique relié à ce 35 réseau. - 4 - Plus généralement, le système de l'invention est du type de ceux limitant une variation de tension d'une batterie alimentant le réseau électrique de bord au moment d'une activation d'un équipement électrique relié à ce réseau. En particulier, l'équipement électrique est une machine électrique. 5 L'activation correspond alors notamment à une mise en rotation de ladite machine, en particulier lors du démarrage du véhicule ou d'un moteur thermique du véhicule. Plus particulièrement, la machine électrique entraîne un compresseur de suralimentation de véhicule automobile destiné à un système de suralimentation d'un moteur thermique du véhicule et/ou la machine électrique comprise dans un 10 démarreur. Le système selon l'invention est remarquable en ce qu'il comprend une résistance variable en fonction de cette variation de tension connectée en série avec la batterie et l'équipement électrique. Plus particulièrement, le système selon l'invention est remarquable en ce qu'il 15 comprend une résistance variable en fonction de cette variation de tension connectée en série avec la batterie et l'équipement électrique ; et une résistance constante en parallèle de ladite résistance variable. Cette résistance variable est avantageusement contrôlée par une boucle de courant principale en fonction d'une intensité de référence générée par une boucle 20 de tension en fonction de la variation de tension de la batterie par rapport à une tension de référence. La résistance variable est constituée de préférence de plusieurs transistors de puissance en parallèle. On tire bénéfice du fait que ces transistors fonctionnent en régime saturé si la 25 tension d'alimentation est supérieure ou égale en valeur absolue à la tension de référence en valeur absolue, ou en régime linéaire si la tension d'alimentation est inférieure en valeur absolue à la tension de référence en valeur absolue. La boucle de courant principale est avantageusement formée de plusieurs boucles de courant secondaires contrôlant chacune chacun des transistors en 30 fonction de l'intensité de référence. De préférence, les transistors sont connectés entre l'équipement électrique et une masse à un potentiel fixe. Alternativement, les transistors sont connectés entre la batterie et l'équipement électrique. - 5 - Chacune des boucles de courant secondaires comprend avantageusement en série avec chacun des transistors un élément de mesure de courant, en particulier un shunt. Dans une variante, le shunt est connecté à cette masse. Dans une autre variante, le shunt est connecté à l'équipement électrique. Notamment, le shunt mesure la portion de courant de l'équipement électrique qui circule dans le transistor respectif. Fort avantageusement, la boucle de tension et les boucles de courant secondaires comprennent des moyens de contrôle analogiques, de préférence des amplificateurs opérationnels. Dans le système de stabilisation d'une tension d'alimentation d'un réseau électrique de bord d'un véhicule automobile selon l'invention les transistors utilisés sont avantageusement de type MOSFET (acronyme de "Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor" en anglais, c'est-à-dire "Transistor à Effet de Champ à Semi-conducteur à Oxyde Métallique") L'invention concerne aussi un démarreur de véhicule automobile remarquable en ce qu'il comporte un système de stabilisation d'une tension d'alimentation d'un réseau électrique de bord présentant les caractéristiques ci-dessus intégré. L'invention concerne également un compresseur de suralimentation de véhicule automobile destiné à un système de suralimentation d'un moteur thermique remarquable en ce qu'il comporte un système de stabilisation d'une tension d'alimentation d'un réseau électrique de bord présentant les caractéristiques ci-dessus intégré. Les spécifications détaillées de l'invention sont données dans la description 25 qui suit en liaison avec les dessins ci-annexés. Il est à noter que ces dessins n'ont d'autre but que d'illustrer le texte de la description et ne constituent en aucune sorte une limitation de la portée de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS. 30 Les Figures la et lb montrent respectivement une chute de tension d'une batterie alimentant un réseau électrique de bord de véhicule automobile au moment du lancement d'un équipement électrique, et le pic d'intensité correspondant, sans le système de stabilisation (traits pleins) et avec le système de stabilisation selon l'invention (traits en pointillé). - 6 - La Figure 2 est un schéma de principe simplifié d'un mode de réalisation préféré du système de stabilisation d'une tension d'alimentation d'un réseau électrique de bord d'un véhicule automobile selon l'invention. DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES DE L'INVENTION. La Figure la montre en traits pleins l'évolution dans le temps de la tension Ubat aux bornes d'une batterie alimentant un réseau électrique de bord d'un véhicule automobile auquel est connecté un démarreur, au moment du lancement du moteur thermique, en l'absence de stabilisation. A partir d'une valeur nominale Uo (supposée positive) correspondant à une charge normale de la batterie, de l'ordre de 12 V, il se produit une variation de tension Um - Uo importante de la batterie, jusqu'au moment où, le moteur thermique étant lancé, la batterie revient à sa tension nominale Uo. Le minimum de tension Um peut être très inférieur à une tension de référence 15 Uref, de l'ordre de 7 à 9 V, fixée par les constructeurs d'automobiles comme seuil à ne pas dépasser. Au minimum de tension Um, correspond un pic d'intensité lm du courant Ibat débité par la batterie, comme le montre bien la Figure lb (traits plein). En intervenant pendant tout l'intervalle de temps AT où la tension Ubat de la 20 batterie tend à devenir inférieure à la tension de référence Uref, le système de stabilisation selon l'invention permet de maintenir la tension de batterie Ubat à cette tension de référence Uref, comme le montre bien en traits en pointillés la Figure la. L'amplitude du pic d'intensité du courant débité Ibat sur le même intervalle AT est atténuée et présente une valeur limitée IL, comme le montre bien en traits en 25 pointillés la Figure lb. La Figure 2 montre schématiquement la mise en oeuvre du système de stabilisation 1 selon l'invention dans un réseau électrique de bord 2 d'un véhicule automobile. Une batterie 3 alimente ce réseau 2 (la masse étant connectée au pôle 30 négatif de la batterie 3) auquel est relié un démarreur électrique 4, apte à être accouplé mécaniquement au moteur thermique du véhicule au moment du lancement de celui-ci. Diverses autres charges électriques 5 sont habituellement reliées au réseau de bord 2. - 7 - Ce sont ces charges électriques 5 qui peuvent avoir un fonctionnement perturbé par la chute de tension de la batterie 3 au moment du démarrage. Le système de stabilisation 1 selon l'invention est un régulateur linéaire conçu pour stabiliser la tension de batterie Ubat pendant la phase de démarrage, en 5 limitant l'appel de courant Idem du démarreur 4 pour maintenir la tension de batterie Ubat au moins à une tension de référence Uref- Le régulateur linéaire 1 comprend des transistors 6 de type MOSFET en parallèle formant une résistance variable et une résistance constante 20 en parallèle avec la résistance variable. L'ensemble constitué de la résistance variable 10 et de la résistance constante 20 est en série avec le démarreur 4. La résistance constante 20 a une valeur qui est choisie en fonction de l'environnement, en particulier de l'impédance du câblage, de la batterie 3, ou du démarreur 4. Par exemple, la résistance constante 20 a une valeur comprise entre 5 et 40 mû, voire entre 5 et 20 mû. En particulier, la résistance 20 a une valeur de 15 10 mû. Tant que la tension de batterie Ubat reste au dessus de la tension de référence Uref, les transistors 6 sont fermés (en régime saturé) et la résistance variable est équivalente à une simple résistance de faible valeur RDs_ON (de l'ordre de 1 mO). Le régulateur 1 a une résistance égale à la résistance équivalente de la 20 résistance variable en parallèle avec la résistance constante 20. Si la tension de batterie Ubat tombe en dessous de la tension de référence Uref (variation de tension négative), la résistance variable du système de stabilisation 1 est activée et les transistors 6 commencent à fonctionner en régime linéaire comme une résistance variable pour limiter le courant Idem du démarreur 4. 25 Pendant cette phase, les transistors 6 sont commandés par deux boucles de régulation 7, 8, une boucle de courant principal 7 et une boucle de tension 8. La boucle de courant principale 7, d'une part, contrôle le courant circulant dans le démarreur 4 en fonction d'une intensité de référence Tref. La boucle de tension 8, d'autre part, est en charge de fournir l'intensité de 30 référence Tref nécessaire pour maintenir la tension de batterie Ubat, qui est aussi celle du réseau 2, au dessus de la tension de référence Uref- En tenant compte de la dissipation thermique des transistors 6 travaillant en régime linéaire, il est nécessaire d'implémenter plusieurs transistors 6 en parallèle. En effet, comme cela a déjà été indiqué, le démarrage du moteur thermique 35 exige une intensité Idem de l'ordre de 1000 A et il n'existe pas actuellement de - 8 - transistor de puissance capable de supporter une telle intensité sous quelques volts, c'est-à-dire une puissance de plusieurs kilowatts, en régime linéaire. Malheureusement, quel que soit le soin apporté à l'appariement des transistors 6 pour une caractéristique déterminée, par exemple la transconductance gm, la dispersion des autres paramètres (par exemple, la tension de seuil Vth) et les tolérances du montage mécanique conduit habituellement à des ensembles déséquilibrés. Si plusieurs transistors 6 de type MOSFET sont connectés en parallèle sans résistance de grille, la tension grille-source est la même pour tous. Dans ces conditions, la tension de seuil Vth n'étant pas identique pour tous les transistors 6, il peut y avoir dans les pires des cas de très grandes différences dans le partage du courant. Ce problème est même accru en utilisant la nouvelle génération de transistors MOSFET supportant des fortes intensités à cause de sa transconductance élevée. Pour une même tension grille-source de commande de chacun des transistors 6, les courants dans les transistors 6 peuvent très différents, et par conséquent, les dissipations thermiques peuvent être très différentes. Le système de stabilisation 1 selon l'invention comporte donc une boucle de courant principale 7 formée de plusieurs boucles de courant secondaires 9 pour 20 commander individuellement les transistors 6. De cette manière, la dissipation thermique des transistors 6 est équilibrée. Chaque boucle de courant secondaire utilise un shunt 10 connecté à la masse pour mesurer un courant de source (dans le cas d'un MOSFET canal N tel que représenté; de drain, pour un MOSFET canal P) dans chaque transistor 6 25 représentant la même fraction du courant Idem circulant dans le démarreur 4 et le comparer à l'intensité de référence 1'f au moyen d'un amplificateur opérationnel 11. Cet amplificateur opérationnel 11 génère en sortie une tension grille-source qui commande l'impédance du transistor 6 en régime linéaire pour asservir le courant de source à la fraction de l'intensité de référence 1'f requise. 30 Chacun des transistors 6 disposant d'une contre-réaction, la même intensité de référence 1'f, ou plus exactement une tension représentative de cette intensité de référence 1'f, peut être appliquée sur tous les amplificateurs opérationnels 11 qui les pilotent, quel que soit le nombre de transistors 6 en parallèle. La tension représentative de cette intensité de référence 1'f est générée par 35 un autre amplificateur opérationnel 12 en fonction d'une différence de tension Uref - 9 - Ubat de la batterie 3 par rapport à la tension de référence Uref, la tension Ubat du réseau 2 étant appliquée à l'entrée inverseuse et la tension de référence Uref étant appliquée à l'entrée non-inverseuse. Le système de stabilisation 1 selon l'invention présente l'avantage d'éviter les 5 problèmes de compatibilité électromagnétique parce qu'il travaille en régime linéaire, et non en commutation. De plus, les moyens de contrôle des boucles de tension et de courant 7, 8, 9 étant analogiques, basés sur des amplificateurs opérationnels 11, 12, il n'est pas nécessaire d'utiliser des microcontrôleurs complexes. 10 En outre, la résistance constante 20 permet, dans un premier temps, de limiter le courant Idem du démarreur 4 sans faire appel à la résistance variable, notamment sans faire appel aux transistors 6. Lorsque, par la suite, la tension de batterie Ubat devient inférieure à la tension de référence Uref, la résistance variable permet de limiter le courant Idem du démarreur 4 à une valeur pour maintenir la 15 tension de batterie Ubat supérieure à la tension de référence Uref. Grâce à la résistance constante 20, on peut utiliser moins de transistors 6 que dans un système qui ne comprendrait qu'une résistance variable, car la résistance constante 20 partage la dissipation thermique et réduit le stress thermique des transistors 6. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seuls modes d'exécution 20 préférentiels décrits ci-dessus. Notamment, le type de transistors de puissance 6 cité n'est pas limitatif; l'utilisation d'autres éléments à semi-conducteurs susceptibles de réaliser les mêmes fonctions que les MOSFETs 6 ne sortirait pas du cadre de l'invention. La mise en oeuvre d'amplificateurs opérationnels 11 intégrés n'est aussi 25 qu'une possibilité pour réaliser les moyens de contrôle analogiques des boucles de courant 7, 9 ou de la boucle de tension 12; l'homme de métier pourra autant que de besoin implémenter les mêmes fonction à moindre coût avec des éléments actifs discrets ou hybrides. Dans l'exemple décrit le système de régulation 1 est situé entre le démarreur 30 4 et la masse. Cependant, le système 1 pourrait être situé entre la batterie 3 et le démarreur 4 sans modification du fonctionnement décrit précédemment. Plus particulièrement, le système 1 pourrait être situé sur la branche du démarreur 4 entre le démarreur 4 et l'extrémité de la branche qui est commune à la batterie 3. L'exemple aurait pu être décrit de façon similaire avec un compresseur de 35 suralimentation électrique à la place du démarreur 4, en particulier dans une - 10 - application où le compresseur est activé transitoirement au démarrage du moteur thermique du véhicule. L'invention embrasse toutes les variantes possibles de réalisation dans la limite de l'objet des revendications ci-après.5 REVENDICATIONS1) Système de stabilisation (1) d'une tension d'alimentation (Ubat) d'un réseau électrique de bord (2) d'un véhicule automobile, du type de ceux limitant une variation de tension d'une batterie (3) alimentant ledit réseau (2) au moment de l'activation d'un équipement électrique dudit véhicule (4) relié audit réseau (2), caractérisé en ce qu'il comprend : - une résistance variable (6) en fonction de ladite variation de tension connectée en série avec ladite batterie (3) et ledit équipement (4) ; - une résistance constante (20) en parallèle de ladite résistance variable. 2) Système de stabilisation (1) d'une tension d'alimentation (Ubat) d'un réseau électrique de bord (2) d'un véhicule automobile selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite résistance variable (6) est contrôlée par une boucle de courant principale (7) en fonction d'une intensité de référence (Iref) générée par une boucle de tension (8) en fonction de ladite variation de tension par rapport à une tension de référence (Uref). 3) Système de stabilisation (1) d'une tension d'alimentation (Ubat) d'un réseau 20 électrique de bord d'un véhicule automobile selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite résistance variable (6) est constituée de plusieurs transistors de puissance en parallèle. 4) Système de stabilisation (1) d'une tension d'alimentation (Ubat) d'un réseau 25 électrique de bord (2) d'un véhicule automobile selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que lesdits transistors (6) fonctionnent en régime saturé si ladite tension d'alimentation (Ubat) est supérieure ou égale en valeur absolue à ladite tension de référence (Uref) en valeur absolue, ou en régime linéaire si ladite de tension d'alimentation (Ubat) est inférieure en valeur absolue à ladite tension de 30 référence (Uref) en valeur absolue. 5) Système de stabilisation (1) d'une tension d'alimentation (Ubat) d'un réseau électrique de bord (2) d'un véhicule automobile selon les revendications 2 et 3, ou la revendication 4, caractérisé en ce que ladite boucle de courant principale (7) est- 12 - formée de plusieurs boucles de courant secondaires (9) contrôlant chacune chacun desdits transistors (6) en fonction de ladite intensité de référence (Tref)- 6) Système de stabilisation (1) d'une tension d'alimentation (Ubat) d'un réseau 5 électrique de bord (2) d'un véhicule automobile selon la revendication 5, caractérisé en ce que chacune desdites boucles de courant secondaires (9) comprend en série avec chacun desdits transistors (6) un shunt de mesure de courant (10). 7) Système de stabilisation (1) d'une tension d'alimentation (Ubat) d'un réseau 10 électrique de bord (2) d'un véhicule automobile selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que ladite boucle de tension (8) et lesdites boucles de courant secondaires (9) comprennent des moyens de contrôle analogiques (11), de préférence des amplificateurs opérationnels. 15 8) Système de stabilisation (1) d'une tension d'alimentation (Ubat) d'un réseau électrique de bord (2) d'un véhicule automobile selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que lesdits transistors (6) sont connectés entre ledit équipement électrique (4) et une masse à un potentiel fixe. 20 9) Système de stabilisation selon la revendication 8, dans lequel la résistance constante (20) est connectée entre ledit équipement électrique (4) et ladite masse. 10) Système de stabilisation (1) d'une tension d'alimentation (Ubat) d'un réseau électrique de bord (2) d'un véhicule automobile selon l'une quelconque des 25 revendications 3 à 9, caractérisé en ce que lesdits transistors (6) sont de type MOSFET. 11) Démarreur de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte un système de stabilisation (1) d'une tension d'alimentation (Ubat) d'un réseau électrique de bord 30 (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 intégré. 12) Compresseur de suralimentation de véhicule automobile destiné à un système de suralimentation d'un moteur thermique caractérisé en ce qu'il comporte un système de stabilisation d'une tension d'alimentation d'un réseau électrique de bord 35 (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 intégré.