Brevet FR3037733A1 — publié le 20161223

RESEAU ELECTRIQUE D'ALIMENTATION DES EQUIPEMENTS D'UN VEHICULE AUTOMOBILE A DOUBLE SOUS-RESAUX ET SON UTILISATION DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION. L'invention concerne un réseau électrique d'alimentation des équipements d'un véhicule automobile à double sous-réseaux, ainsi que son utilisation dans un véhicule. 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 appel de courant important qui est proche du niveau de courant de court-circuit du démarreur, à savoir, un courant de l'ordre de 1000 Ampères. Cet appel de courant à la mise sous tension du démarreur décroît ensuite en intensité à mesure que l'induit du démarreur, correspondant au rotor de la machine, monte en vitesse. L'activation d'autres composants de forte puissance, par exemple un compresseur de suralimentation électrique, produit de manière transitoire un fort appel de courant sur le réseau électrique du véhicule. A ce pic de courant correspond une chute conséquente de la tension sur le 20 réseau de bord, qui peut entraîner des coupures ou des dysfonctionnements des autres dispositifs consommateurs du véhicule. Dans la technique antérieure, des solutions ont été proposées au problème exposé ci-dessus. Une solution connue de l'entité inventive repose sur l'utilisation de convertisseurs électroniques élévateurs de tension afin d'éviter un niveau de 25 tension trop bas sur le réseau de bord. Un inconvénient de ces convertisseurs réside dans les coûts substantiels qu'ils introduisent. Il est également connu l'utilisation de deux sous-réseaux, l'un pour alimenter les composants de forte puissance, et l'autre pour l'alimentation électrique des composants sécuritaires ou de confort du véhicule, par exemple les phares du 30 véhicule, de manière à assurer leur fonctionnement à n'importe quel instant pour la sécurité et le confort des passagers. Un réseau électrique d'alimentation à double sous-réseaux de ce type est décrit dans la demande de brevet internationale W02014053780 de la société VALEO SYSTEMES DE CONTRÔLE MOTEUR. 35 Un premier sous-réseau comprenant un premier stockeur d'énergie électrique 3037733 - 2 - est alimenté par un alternateur, et un second sous-réseau comprend un second stockeur d'énergie électrique qui est chargé à partir du premier réseau par un convertisseur continu- continu. Deux interrupteurs permettent de connecter les deux sous-réseaux entre eux, ou d'isoler un composant de forte puissance, tel que le 5 démarreur, du sous-réseau auquel sont connectés des composants sensibles. Cette architecture, qui donne par ailleurs toute satisfaction, présente cependant des inconvénients: - au moins l'un des deux interrupteurs présente des contraintes de conception critiques (courant maximum, point de fonctionnement...); 10 - utilisation d'un convertisseur continu- continu entre les deux sous-réseaux. DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION. La présente invention vise donc à pallier les inconvénients de la solution connue de l'état de la technique exposée ci-dessus pour isoler des charges 15 sensibles des perturbations générées par des composants de puissance, tout en limitant la complexité de l'architecture mise en oeuvre. Le réseau électrique d'alimentation des équipements d'un véhicule automobile à double sous-réseaux dont il s'agit, est du type de ceux comportant un premier sous-réseau électrique à une première tension nominale prédéterminée par rapport à un potentiel de référence comprenant un premier stockeur d'énergie électrique, et un second sous-réseau électrique à une seconde tension nominale prédéterminée par rapport à ce même potentiel de référence comprenant un second stockeur d'énergie électrique. Selon l'invention, le premier sous-réseau est connecté à une première borne 25 d'une machine électrique tournante double reliée par une borne de masse au potentiel de référence, et le second sous-réseau est connecté à une seconde borne de la machine électrique tournante double. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, cette machine électrique tournante double est un moteur double tension réversible. 30 Dans un second mode de réalisation de l'invention, cette machine électrique tournante double est un alternateur double tension. Selon l'invention, dans ce second mode de réalisation de l'invention, un démarreur est connecté au premier sous-réseau. Dans l'un et l'autre modes de réalisation, selon l'invention, la première 35 tension nominale et la seconde tension nominale sont sensiblement égales à une 3037733 3 tension standard prédéterminée. Selon l'invention, un relais électromagnétique de puissance normalement fermé est connecté entre la première borne et la seconde borne de la machine électrique tournante double. 5 Selon l'invention encore, la tension standard est 12 V, et de préférence le premier stockeur d'énergie électrique est de type plomb- acide, la première tension nominale étant d'environ 12,8 V, et le second stockeur d'énergie électrique est de type lithium- ion, la seconde tension nominale étant d'environ 14,4 V. Un interrupteur de sécurité à semiconducteur normalement fermé est agencé 10 selon l'invention en série avec le second stockeur d'énergie électrique. L'invention concerne également une utilisation du réseau électrique d'alimentation des équipements d'un véhicule automobile à double sous-réseaux dans le premier mode de réalisation décrit ci-dessus pour: - isoler des charges électriques sensibles connectées au second sous-réseau de 15 perturbations générées par une connexion de charges de puissance au premier sous-réseau; et - transférer une énergie électrique entre le premier stockeur d'énergie électrique et le second stockeur d'énergie électrique et contrôler ainsi la répartition de la puissance électrique prélevée ou fournie aux premier et second sous-réseaux. 20 Dans le second mode de réalisation de l'invention, on utilisera aussi le réseau électrique d'alimentation des équipements d'un véhicule automobile à double sous-réseaux pour : - isoler des charges électriques sensibles connectées au second sous-réseau de perturbations générées par une connexion de charges de puissance au premier 25 sous-réseau ; et - transférer une énergie électrique entre le premier stockeur d'énergie électrique et le second stockeur d'énergie électrique et contrôler ainsi la répartition de la puissance électrique fournie aux premier et second sous-réseaux. Ces quelques spécifications de l'invention auront rendu évidents pour 30 l'homme de métier la suppression des inconvénients de la seule solution connue jusqu'à maintenant qui permettait d'assurer le fonctionnement à n'importe quel instant des charges électriques sensibles. Les spécifications détaillées de l'invention sont données dans la description qui suit en liaison avec les dessins ci-annexés. Il est à noter que ces dessins n'ont 35 d'autre but que d'illustrer le texte de la description et ne constituent en aucune sorte 3037733 - 4 - une limitation de la portée de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS. La Figure 1 est un schéma de principe d'un réseau électrique d'alimentation 5 des équipements d'un véhicule automobile à double sous-réseaux connu de l'état de la technique. La Figure 2 est un schéma de principe d'un réseau électrique d'alimentation des équipements d'un véhicule automobile à double sous-réseaux selon l'invention. Les Figures 3a, 3b, 3c et 3d illustrent différents modes de fonctionnement 10 du réseau électrique d'alimentation des équipements d'un véhicule automobile à double sous-réseaux selon l'invention, respectivement pendant un stationnement du véhicule, au cours d'un redémarrage ou d'une assistance en couple du moteur thermique, au ralenti du moteur thermique ou à vitesse constante du véhicule, au cours d'un freinage récupératif. 15 DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS DE L'INVENTION. Le réseau électrique 1 d'alimentation des équipements d'un véhicule automobile à double sous-réseaux connu de l'état de la technique montré sur la Figure 1, comporte: 20 - un premier sous-réseau électrique 2 relié à une première batterie 3 de type acide-plomb chargée par un alternateur 4 et fonctionnant sous une première tension nominale d'environ 12 V par rapport à une masse 5; - un second sous-réseau électrique 6 relié à un super-condensateur 7 ou une seconde batterie 7 de type lithium- ion. Un convertisseur continu- continu 8 assure la charge du super-condensateur 7 ou de la seconde batterie 7 à partir du premier sous-réseau 2 et l'adaptation des niveaux de tension. Dans ce réseau électrique 1 de l'état de la technique, les composants sécuritaires et de confort 9 sont connectés classiquement en parallèle avec la 30 première batterie 3 et l'alternateur 4 sur le premier sous-réseau 2. Les composants de forte puissance 10, 11 sont connectés en parallèle avec le super-condensateur 7, notamment le compresseur de suralimentation électrique 10 et le démarreur 11. Un premier interrupteur 12 et un second interrupteur 13 permettent de varier 35 les modes de fonctionnement du second sous-réseau 6. 3037733 - 5 - Quand le premier interrupteur 12 est ouvert et le second interrupteur 13 est fermé, le compresseur électrique 10 et le démarreur 11 sont alimentés par le super-condensateur 7 et isolés du premier sous-réseau 2. Le compresseur 10 et le démarreur 11 peuvent aussi être alimentés par le 5 premier sous-réseau 2 (les premier et second interrupteurs 12, 13 sont fermés). Alternativement, le compresseur électrique 10 est alimenté par le super-condensateur 7, alors que le démarreur est alimenté par le premier sous-réseau 2 (premier interrupteur 12 fermé, second interrupteur 13 ouvert). Dans le réseau électrique 14 d'alimentation des équipements d'un véhicule 10 automobile à double sous-réseaux selon l'invention montré sur la Figure 2, la gestion des différents modes de fonctionnement des premier et second sous-réseaux 15, 16 est simplifiée grâce à la mise en oeuvre d'une machine électrique tournante double 17. Cette machine 17 est reliée par une borne de masse 18 à une masse 15 commune 5 des premier et second sous-réseaux 15, 16, d'une part, au premier sous-réseau 15 par une première borne 19 et au second sous-réseau 16 par une seconde borne 20, d'autre part. Le premier sous-réseau 15, fonctionnant à une première tension nominale prédéterminée V1 par rapport à la masse commune 5, comprend un premier 20 stockeur d'énergie électrique 21. Le second sous-réseau 16, fonctionnant à une seconde tension nominale prédéterminée V2 par rapport à la masse commune 5, comprend un second stockeur d'énergie électrique 22 Dans les modes de réalisation préférés de l'invention, le premier stockeur 21 25 est une première batterie de type acide- plomb classique ayant une première tension en charge d'environ 12,8 V. Le second stockeur d'énergie 22 est une second batterie de type lithium- ion ayant une seconde tension en charge d'environ 14,4 V. De la sorte, les première et seconde tensions nominales V1, V2 des premier 30 et second sous-réseaux 15, 16 sont sensiblement égales à une tension standard V d'environ 12 V de fonctionnement des équipements classiques d'un véhicule automobile. Dans un premier mode de réalisation préféré de l'invention, la machine électrique tournante double 17 est un moteur double tension réversible. 35 Ce moteur 17 comprend un stator comportant deux enroulements triphasés. 3037733 - 6 - Chacun des enroulements est connecté à un convertisseur courant alternatif courant continu réversible relié en sortie entre la borne de masse 18 et chacune des première et seconde bornes 19, 20 du moteur 17. C'est-à-dire que ce moteur 17 est équivalent à une machine synchrone réversible par sous-réseau 15, 16, 5 pouvant fonctionner en mode moteur ou en mode génératrice. Dans un second mode de réalisation préféré de l'invention, la machine électrique tournante double 17 est un alternateur double tension. Cet alternateur 17 comprend un stator comportant deux enroulements triphasés. Chacun des enroulements est connecté à un circuit de redressement 10 triphasé relié en sortie entre la borne de masse 18 et chacune des première et seconde bornes 19, 20 de l'alternateur 17. Dans ce second mode de réalisation préféré, un démarreur 23 est connecté en parallèle sur la première batterie 21 (acide - plomb). Dans les premier et second modes de réalisation, un relais 15 électromagnétique de puissance 24 normalement fermé est relié entre les première et seconde bornes 19, 20 de la machine électrique tournante 17. Pour des raisons de respect des normes, un interrupteur de sécurité à semiconducteur 25 normalement fermé est connecté en série avec la seconde batterie 22 (li-ion). 20 Les Figures 3a, 3b, 3c et 3d illustrent l'utilisation possible du réseau électrique 14 dans un véhicule. La Figure 3a correspond à un premier mode de fonctionnement du réseau électrique 14 pendant le stationnement du véhicule, aussi bien dans le premier mode de réalisation préféré de l'invention que dans le second: le relais 25 électromagnétique de puissance 24 est fermé et relie entre eux les premier et second sous-réseaux 15, 16 qui peuvent fournir de l'énergie 26, 27 en parallèle. La Figure 3b correspond à un deuxième mode de fonctionnement du réseau électrique 14, exclusivement dans le premier mode de réalisation préféré de l'invention, au cours du redémarrage ou de l'assistance en couple du moteur thermique. Dans ce cas, le relais électromagnétique de puissance 24 reste ouvert et différentes stratégies de gestion de l'énergie sont possibles: - pour le redémarrage ou l'assistance en couple, l'énergie 29, 30 nécessaire à la production d'un couple moteur 28 est fournie à la fois par la première batterie 21 au plomb et par la seconde batterie 22 au lithium, avec un choix déterminé d'un niveau 35 d'énergie 29, 30 pour chaque batterie 21, 22; 3037733 -7- - pour le redémarrage, l'énergie 29 provient seulement de la première batterie 21 au plomb et une autre énergie 27 est fournie aux composants sensibles connectés au second sous-réseau 16 par une moitié du moteur double tension réversible 17 fonctionnant en mode génératrice 30; 5 - pour l'assistance en couple, l'énergie 30 provient seulement de la seconde batterie 22 au lithium. La Figure 3c correspond à un troisième mode de fonctionnement du réseau électrique 14, exclusivement également dans le premier mode de réalisation préféré de l'invention, au ralenti du moteur thermique ou à vitesse constante du véhicule. 10 Aucun couple n'est prélevé sur le moteur thermique, mais le moteur double tension réversible 17 permet de transférer de l'énergie 31, 32 entre les premier et second sous-réseaux 15, 16. Dans le troisième mode de fonctionnement représenté sur la Figure 3c, de l'énergie 31 provenant du second sous-réseau 16 est fournie au premier sous- 15 réseau 15 au moyen du moteur double tension réversible 17 fonctionnant en convertisseur courant continu - courant continu électromécanique: La machine synchrone connectée au second sous-réseau 16 fonctionne en mode moteur et entraîne virtuellement l'autre machine synchrone connectée au premier réseau 15 fonctionnant en mode génératrice. 20 L'énergie transférée 32 peut aussi bien servir à charger 33 la première batterie 11, qu'à alimenter 26 les charges du premier sous-réseau 15. La Figure 3d correspond à un quatrième mode de fonctionnement du réseau électrique 14, aussi bien dans le premier mode de réalisation préféré de l'invention que dans le second, au cours d'une phase de freinage récupératif du véhicule dans 25 laquelle un couple résistant 34 est prélevé sur l'arbre du moteur thermique entraîné par les roues du véhicule pour fournir de l'énergie 32, 35 à la fois aux premier et second sous-réseaux 15, 16 (avec un niveau adapté) pour charger 36 la première batterie 21 au plomb et charger 37 la seconde batterie 22 au lithium. Pour ce faire, dans le premier mode de réalisation préféré de l'invention, chaque machine 30 synchrone du moteur double tension réversible 17 fonctionne en mode génératrice. Les avantages de cette architecture sont: - aucun convertisseur courant continu- courant continu 8 spécifique et aucun interrupteur à semi-conducteur 12 entre les premier et second sous-réseaux 15, 16; - un niveau nominal de tension garanti pour l'alimentation des charges électriques 35 sensibles connectées au second sous-réseau pendant des phases de 3037733 - 8 - fonctionnement très demandeuses de puissance (démarrage, relance, surpuissance ...); - un équilibrage des courants entre les premier et second sous-réseaux 15, 16 dans toutes les phases de fonctionnement à haute puissance; 5 - une réalisation d'une fonction de conversion courant continu - courant continu (dans le premier mode de réalisation de l'invention) pour assurer un échange d'énergie 31, 32 additionnel entre les premier et second sous-réseaux 15, 16; - une assurance d'une gestion optimisée des première et seconde batteries 21, 22 et d'une adaptation complète d'une répartition des charges auxiliaires aux besoins; 10 - une utilisation possible dans tout type de véhicule avec des équipements électriques standards "12 V". Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seuls modes d'exécution préférentiels décrits ci-dessus. Les équipements cités ne sont aussi que des exemples non limitatifs: toute 15 charge sensible tirerait bénéfice d'un isolement de tout équipement du véhicule constituant une charge inductive ou capacitive susceptible de produire un fort appel de courant à la mise sous tension par le réseau électrique selon l'invention. La seconde batterie 22 citée est une batterie de type lithium- ion de technologie fer- phosphate. Une batterie 22 de technologie fer- phosphate dopée à 20 l'yttrium (LiFeYPO4) pourrait tout aussi bien être mise en oeuvre dans le second sous-réseau 16 du réseau électrique 14 selon l'invention, ainsi que des batteries d'autres technologies telles que lithium- oxyde de cobalt (LiCoO2), lithium- oxyde de manganèse (LiMn2O4), lithium- nickel- manganèse- oxyde de cobalt (LiNiMnCoO2), lithium- nickel- manganèse- oxyde d'aluminium (LiNiMnAIO2), lithium- titanate 25 (Li4Ti5012, avec cinq éléments en série). L'invention embrasse donc toutes les variantes possibles de réalisation dans la limite de l'objet des revendications ci-après. REVENDICATIONS1) Réseau électrique (1, 14) d'alimentation des équipements d'un véhicule automobile à double sous-réseaux (2, 6, 15, 16) du type de ceux comportant un premier sous-réseau électrique (2, 15) à une première tension nominale (V1) prédéterminée par rapport à un potentiel de référence comprenant un premier stockeur d'énergie électrique (3, 21), et un second sous-réseau électrique (6, 16) à une seconde tension nominale prédéterminée (V2) par rapport audit potentiel de référence comprenant un second stockeur d'énergie électrique (7, 22), caractérisé Io en ce que ledit premier sous-réseau (15) est connecté à une première borne (19) d'une machine électrique tournante double (17) reliée par une borne de masse (18) audit potentiel de référence, et en ce que ledit second sous-réseau (16) est connecté à une seconde borne (20) de ladite machine électrique tournante double (17). 15 2) Réseau électrique (14) d'alimentation des équipements d'un véhicule automobile à double sous-réseaux (15, 16) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite machine électrique tournante double (17) est un moteur double tension réversible. 20 3) Réseau électrique (14) d'alimentation des équipements d'un véhicule automobile à double sous-réseaux (15, 16) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite machine électrique tournante double (17) est un alternateur double tension. 25 4) Réseau électrique (14) d'alimentation des équipements d'un véhicule automobile à double sous-réseaux (15, 16) selon la revendication 3 précédente, caractérisé en ce qu'un démarreur (23) est connecté audit premier sous-réseau (15). 5) Réseau électrique (14) d'alimentation des équipements d'un véhicule automobile 30 à double sous-réseaux (15, 16) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 précédentes, caractérisé en ce qu'un relais électromagnétique de puissance (24) normalement fermé est connecté entre ladite première borne (19) et ladite seconde borne (20). 3037733 - 10 - 6) Réseau électrique (14) d'alimentation des équipements d'un véhicule automobile à double sous-réseaux selon la revendication 5 précédente, caractérisé en ce que ledit premier stockeur d'énergie électrique (21) est de type plomb- acide, ladite première tension nominale (V1) étant d'environ 12,8 V, et ledit second stockeur 5 d'énergie électrique (22) est de type lithium- ion, ladite seconde tension nominale (V2) étant d'environ 14,4 V. 7) Réseau électrique (14) d'alimentation des équipements d'un véhicule automobile à double sous-réseaux (15, 16) selon la revendication 6 précédente, caractérisé en 10 ce qu'un interrupteur de sécurité à semiconducteur (25) normalement fermé est agencé en série avec ledit second stockeur d'énergie électrique (22). 8) Utilisation d'un réseau électrique (14) d'alimentation des équipements d'un véhicule automobile à double sous-réseaux (15, 16) selon la revendication 2 15 précédente pour: - isoler des charges électriques sensibles connectées audit second sous-réseau (16) de perturbations générées par une connexion de charges de puissance (23) audit premier sous-réseau (15); et - transférer une énergie électrique (31, 32) entre ledit premier stockeur d'énergie 20 électrique (21) et ledit second stockeur d'énergie électrique (22) et contrôler ainsi la répartition de la puissance électrique prélevée ou fournie auxdits premier et second sous-réseaux (15, 16). 9) Utilisation d'un réseau électrique (14) d'alimentation des équipements d'un 25 véhicule automobile à double sous-réseaux (15, 16) selon la revendication 4 précédente pour : - isoler des charges électriques sensibles connectées audit second sous-réseau (16) de perturbations générées par une connexion de charges de puissance (23) audit premier sous-réseau (15) ; et 30 - transférer une énergie électrique (31, 32) entre ledit premier stockeur d'énergie électrique (21) et ledit second stockeur d'énergie électrique (22) et contrôler ainsi la répartition de la puissance électrique fournie auxdits premier et second sous-réseaux (15, 16). 35