Brevet FR3070555A1 — publié le 20190301

RÉSEAU D'ALIMENTATION ÉLECTRIQUE À TROIS TENSIONS POUR UN VÉHICULE À MACHINE MOTRICE ÉLECTRIQUE L'invention concerne les réseaux d'alimentation électrique qui équipent les véhicules ayant une chaîne de transmission comprenant une machine motrice électrique et des équipements électriques. On entend ici par « machine motrice électrique » une machine (ou un moteur) électrique agencé(e) de manière à fournir ou récupérer du couple 1 o pour déplacer un véhicule, soit seul(e) soit en complément d'au moins une éventuelle autre machine motrice électrique ou thermique (comme par exemple un moteur thermique). Une telle machine motrice électrique fournit du couple (pour entraîner au moins un train) en consommant de l'énergie qui est stockée sous une première tension dans une première batterie 15 rechargeable d'un réseau d'alimentation électrique Cette première tension est généralement comprise entre 200 V et 600 V. De nombreux véhicules, éventuellement de type automobile, comprennent, en complément de leur chaîne de transmission électrique ou hybride (électrique et thermique), des équipements électriques qui 20 consomment de l'énergie stockée sous une deuxième tension, inférieure à la première tension, dans une seconde batterie rechargeable du réseau d'alimentation électrique. Cette deuxième tension est généralement comprise entre 12 V et 24 V. La seconde batterie (ou batterie de servitude) est généralement 25 couplée à la première batterie via un convertisseur faisant partie du réseau d'alimentation électrique et de type DC/DC (« Direct Current/ Direct Current » - continu/continu), afin de pouvoir être rechargée, notamment lorsque la première batterie est dans une phase de recharge. Certains des équipements électriques, comme par exemple le pulseur 30 de la climatisation ou le pare-brise chauffant, sont de gros consommateurs d'énergie électrique sous 12 V, et par conséquent le premier convertisseur DC/DC doit être capable de supporter de fortes puissances pour des besoins 2 fonctionnels et sécuritaires. Cela favorise l'isolation des équipements électriques, mais dans le même temps cela impose l'utilisation de composants électroniques particuliers et augmente le poids, l'encombrement et le coût du premier convertisseur. En outre, cela nécessite l'utilisation de 5 faisceaux électriques (intervenant dans le couplage des équipements électriques à la seconde batterie) de section importante pour supporter les fortes puissances ou garantir les niveaux de tension nécessaires au fonctionnement des équipements sécuritaires, ce qui les rend encombrants et onéreux. la Afin d'améliorer la situation, il serait possible d'adjoindre au réseau d'alimentation électrique une troisième batterie stockant de l'énergie sous une troisième tension, comprise entre les première et deuxième tensions, et d'alimenter les équipements électriques, gros consommateurs d'énergie, sous cette troisième tension. Mais dans ce cas, la troisième batterie doit être 15 couplée à un alternateur dédié, différent de celui qui est couplé à la deuxième batterie, et/ou à un convertisseur DC/DC, afin de pouvoir être rechargée. Un alternateur n'offre pas un bon temps de réponse, et donc lors de sollicitations dynamiques sur le réseau électrique il n'a pas le temps de répondre instantanément ce qui engendre des chutes de tensions aux bornes des 20 équipements électriques pendant quelques centaines de millisecondes. De plus, l'intégration d'une troisième batterie et de l'alternateur et/ou du convertisseur DC/DC associé(s) peut s'avérer difficile, voire impossible, dans de nombreux véhicules en raison du manque de place libre. Enfin, l'ajout d'une troisième batterie et de l'alternateur associé induit un surcoût et une 25 masse additionnelle qui nuit à la consommation d'énergie. Il est également possible, comme décrit dans le document brevet US 20160059708, d'utiliser des boîtiers de gestion de puissance comprenant chacun plusieurs convertisseurs en cascade, par exemple pour convertir la première tension (maximale) en troisième tension (intermédiaire), puis la 30 troisième tension en deuxième tension (minimale). Mais cela complexifie l'architecture électrique du réseau d'alimentation électrique du véhicule, et augmente l'encombrement de ce dernier et son coût d'installation. De plus, cela complexifie notablement les boîtiers de gestion de puissance, et 3 augmente l'encombrement, la complexité et le coût de ces derniers. L'invention a donc notamment pour but d'améliorer la situation. Elle propose à cet effet un réseau d'alimentation électrique, d'une part, destiné à équiper un véhicule comprenant une chaîne de transmission 5 comportant au moins une machine motrice électrique et fournissant du couple pour entraîner au moins un train en consommant de l'énergie stockée sous une première tension dans une première batterie rechargeable, et des premiers équipements électriques consommant de l'énergie stockée sous une deuxième tension, inférieure à la première tension, dans une seconde batterie rechargeable, et, d'autre part, comprenant les première et seconde batteries et un premier convertisseur de type DC/DC couplé à ces dernières et convertissant la première tension en deuxième tension. Ce réseau d'alimentation électrique se caractérise par le fait qu'il comprend également un second convertisseur de type DC/DC, couplé à la première batterie, propre à être couplé à des seconds équipements électriques du véhicule, non sécuritaires et consommant de l'énergie sous une troisième tension comprise entre les première et deuxième tensions, et convertissant la première tension en troisième tension. On dispose ainsi d'un réseau d'alimentation électrique qui offre trois tensions différentes, alimentant trois sous-réseaux auxquels sont respectivement connectés la machine motrice électrique, les premiers équipements électriques et les seconds équipements électriques, avec seulement deux batteries rechargeables et deux convertisseurs. Le réseau d'alimentation électrique selon l'invention peut comporter 25 d'autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment : il peut également comprendre un premier boîtier de distribution électrique connecté à la première batterie et aux premier et second convertisseurs via respectivement des premier, deuxième et troisième faisceaux électriques, 30 et propre à être couplé à la machine motrice via un quatrième faisceau électrique ; il peut également comprendre un deuxième boîtier de distribution électrique 4 connecté à la seconde batterie et au premier convertisseur via respectivement des cinquième et sixième faisceaux électriques ; il peut également comprendre un troisième boîtier de distribution électrique connecté au second convertisseur via un septième faisceau électrique et 5 propre à être couplé aux seconds équipements électriques ; la première batterie peut stocker de l'énergie sous une première tension qui peut être comprise entre 200 V et 600 V; la seconde batterie peut stocker de l'énergie sous une deuxième tension qui peut être comprise entre 12 V et 24 V; 10 le second convertisseur peut convertir la première tension en une troisième tension qui peut être comprise entre 40 V et 70 V. L'invention propose également un véhicule, éventuellement de type automobile, et comprenant : - une chaîne de transmission comportant au moins une machine motrice 15 électrique et fournissant du couple pour entraîner au moins un train en consommant de l'énergie stockée sous une première tension dans une première batterie rechargeable, - des premiers équipements électriques consommant de l'énergie stockée sous une deuxième tension, inférieure à cette première tension, dans une 20 seconde batterie rechargeable, - des seconds équipements électriques non sécuritaires et consommant de l'énergie sous une troisième tension, et - un réseau d'alimentation électrique du type de celui présenté ci-avant et auquel sont couplés la machine motrice, les premiers équipements électriques, et les seconds équipements électriques. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et du dessin annexé, sur lequel l'unique figure illustre schématiquement et fonctionnellement un exemple de véhicule comprenant une chaîne de transmission électrique et un exemple de réalisation d'un réseau d'alimentation électrique selon l'invention. L'invention a notamment pour but de proposer un réseau d'alimentation électrique RA offrant trois tensions différentes et destiné à 5 équiper un véhicule V comprenant une chaîne de transmission comportant au moins une machine motrice électrique MM fournissant du couple pour entraîner au moins un train Ti à partir de l'énergie stockée dans une première batterie BR1 rechargeable. 5 Dans ce qui suit, on considère, à titre d'exemple non limitatif, que le véhicule V est de type automobile. Il s'agit par exemple d'une voiture. Mais l'invention n'est pas limitée à ce type de véhicule. Elle concerne en effet tout type de véhicule comprenant une chaîne de transmission comportant au moins une machine motrice électrique produisant du couple pour entraîner au 10 moins un train (par exemple de roues). Par conséquent, l'invention concerne au moins les véhicules terrestres. Il est rappelé que l'on entend ici par « machine motrice électrique » une machine (ou un moteur) électrique agencé(e) de manière à fournir ou récupérer du couple pour déplacer un véhicule, soit seul(e) soit en 15 complément d'au moins une éventuelle autre machine motrice électrique ou thermique (comme par exemple un moteur thermique (réacteur, turboréacteur ou moteur chimique)). On a schématiquement représenté sur l'unique figure un exemple de véhicule V comprenant une chaîne de transmission, un exemple de 20 réalisation d'un réseau d'alimentation électrique RA selon l'invention, et des premier(s) El et second(s) E2 équipements électriques. On entend ici par « premier équipement électrique » un équipement électrique qui a besoin d'une quantité d'énergie électrique plus ou moins forte pour fonctionner et qui peut éventuellement assurer une fonction sécuritaire. Il 25 pourra, par exemple, s'agir d'un bloc optique, ou d'un essuie-glace, ou d'un éclairage intérieur, ou d'un calculateur (éventuellement de supervision (CS)), ou d'un capteur, ou d'une direction assistée électrique, ou encore d'un combiné central. Par ailleurs, on entend ici par « second équipement électrique » un 30 équipement électrique qui a besoin d'une forte quantité d'énergie électrique pour fonctionner mais qui n'assure pas de fonction sécuritaire. Il pourra, par exemple, s'agir d'un pulseur ou d'un compresseur d'une installation de chauffage/climatisation ou d'un pare-brise chauffant ou d'un siège chauffant 6 (et plus généralement d'un équipement comportant au moins un composant résistif). Dans l'exemple illustré non limitativement sur l'unique figure, la chaîne de transmission est de type tout électrique (et ne comprend qu'une 5 seule machine motrice électrique MM). Mais l'invention n'est pas limitée à ce type de chaîne de transmission. En effet, la chaîne de transmission pourrait être de type hybride en comportant en complément une machine motrice thermique associée à au moins un train (par exemple le second T2). La chaîne de transmission comprend ici, en complément de la la machine motrice électrique MM, des moyens de couplage MC et un arbre de transmission AT. Le contrôle d'au moins la machine motrice électrique MM et des moyens de couplage MC est assuré par un calculateur de supervision CS. Les moyens de couplage MC sont ici chargés de coupler/découpler la 15 machine motrice électrique MM à/de l'arbre de transmission AT, sur ordre du calculateur de supervision CS, afin de communiquer du couple qu'elle produit et qui est défini par une consigne (de couple ou de régime), grâce à l'énergie électrique stockée dans la première batterie BR1, à l'arbre de transmission AT. Ce dernier (AT) est ici couplé au premier train Ti (ici de roues). 20 Par exemple, le premier train Ti est situé à l'avant du véhicule V, et de préférence, et comme illustré, couplé à l'arbre de transmission AT via un différentiel (ici avant) Dl. Mais dans une variante ce premier train Ti pourrait être situé à l'arrière du véhicule V. Les moyens de couplage MC peuvent, par exemple, être un 25 mécanisme à crabots ou un embrayage ou un convertisseur de couple hydraulique ou encore un frein. Ils peuvent prendre au moins deux états de couplage : un premier (couplé) dans lequel ils assurent le couplage de la machine motrice électrique MM à l'arbre de transmission AT et un second (découplé) dans lequel ils découplent la machine motrice électrique MM de 30 l'arbre de transmission AT. On notera qu'ils peuvent, également et éventuellement, prendre au moins un état intermédiaire (par exemple pour un glissement d'embrayage). Le réseau d'alimentation électrique RA comprend au moins des 7 première BR1 et seconde BR2 batteries rechargeables, et des premier Cl et second C2 convertisseurs de type DC/DC (continu/continu). La première batterie BR1 est agencée pour stocker de l'énergie électrique sous une première tension. Elle peut notamment être rechargée via 5 un chargeur (non représenté) destiné à être raccordé à une source d'alimentation en courant externe, comme par exemple une borne de recharge ou une prise de courant du secteur, vi un cordon de charge dédié. La machine motrice électrique MM fournit du couple (ici pour entraîner le premier train Ti) en consommant de l'énergie stockée sous la 10 première tension dans la première batterie BR1. Par exemple, la première tension peut être comprise entre 200 V et 600 V. A titre d'exemple illustratif, cette première tension peut être égale à 400 V. La seconde batterie BR2 est agencée pour stocker de l'énergie 15 électrique sous une deuxième tension qui est inférieure à la première tension. Elle peut notamment être rechargée via le premier convertisseur Cl. Par exemple, la deuxième tension peut être comprise entre 12 V et 24 V. A titre d'exemple illustratif, cette deuxième tension peut être égale à 12 V. 20 Les premiers équipements électriques El du véhicule V consomment de l'énergie stockée sous la deuxième tension (minimale) dans la seconde batterie BR2, du fait qu'ils consomment peu d'énergie électrique. Ils sont donc couplés à cette seconde batterie BR2. Le premier convertisseur Cl est couplé aux première BR1 et seconde 25 BR2 batteries et chargé de convertir la première tension (de la première batterie BR1) en deuxième tension, notamment pour recharger la seconde batterie BR2. Le second convertisseur C2 est couplé à la première batterie BR1, est propre à être couplé aux seconds équipements électriques E2, et convertit 30 la première tension (de la première batterie BR1) en une troisième tension, comprise entre les première et deuxième tensions. Par exemple, la troisième tension peut être comprise entre 40 V et 70 8 V. A titre d'exemple illustratif, cette troisième tension peut être égale à 48 V ou 60V. Les seconds équipements électriques E2 du véhicule V consomment de l'énergie stockée dans la première batterie BR1, après qu'elle ait été 5 convertie en troisième tension (intermédiaire) par le second convertisseur C2, du fait qu'ils consomment beaucoup d'énergie électrique et n'assurent pas de fonction sécuritaire. Ils sont donc couplés à ce second convertisseur C2. L'invention offre ainsi trois tensions différentes alimentant trois sous-réseaux auxquels sont respectivement connectés la machine motrice 1 o électrique MM, les premiers équipements électriques El et les seconds équipements électriques E2, avec seulement deux batteries BR1 et BR2 et deux convertisseurs Cl et C2. Par ailleurs, l'invention permet d'économiser le développement d'une batterie dédiée au troisième sous-réseau (à la troisième tension 15 (intermédiaire)), et de ne pas avoir à chercher d'emplacement pour son implantation et pour l'implantation de l'alternateur qui aurait dû être associé à cette batterie dédiée. Les seconds équipements électriques E2, connectés au troisième sous-réseau, ne sont certes pas couplés à une batterie dédiée, mais cela 20 n'est pas grave du fait qu'ils assurent essentiellement des fonctions de confort, non sécuritaires, et donc peuvent accepter d'éventuelles chutes de tensions. De plus, le second convertisseur C2, auquel ils sont couplés, offre un plus petit temps de réponse qu'un alternateur, et donc peut répondre à une partie de leurs appels de courant sans induire de chute de tension. 25 En outre, les équipements électriques E2, gros consommateurs d'énergie électrique, n'étant plus couplés à la seconde batterie BR2, le premier convertisseur Cl et les faisceaux électriques intervenant dans le couplage des premiers équipements électriques El à la seconde batterie BR2 n'ont plus besoin de supporter de fortes puissances. Par conséquent, les 30 composants électroniques du premier convertisseur Cl peuvent être plus simples, moins lourds, moins encombrants et moins onéreux, et les faisceaux électriques précités peuvent présenter une plus petite section, ce qui les rend moins encombrants et moins onéreux. 9 Enfin, le second convertisseur C2 pourra rester endormi lors d'une recharge simple de la première batterie BR1, contrairement au premier convertisseur Cl qui devra maintenir le niveau de charge de la seconde batterie BR2. 5 On notera, comme illustré non limitativement sur l'unique figure, que le réseau d'alimentation électrique RA peut également comprendre un premier boîtier de distribution électrique BD1 connecté à la première batterie BR1 et aux premier Cl et second C2 convertisseurs, et propre à être couplé à la machine motrice électrique MM. La connexion entre le premier boîtier de 1 o distribution électrique BD1 et la première batterie BR1 se fait via un premier faisceau électrique Fi. La connexion entre le premier boîtier de distribution électrique BD1 et le premier convertisseur Cl se fait via un deuxième faisceau électrique F2. La connexion entre le premier boîtier de distribution électrique BD1 et le second convertisseur C2 se fait via un troisième faisceau 15 électrique F3. La connexion entre le premier boîtier de distribution électrique BD1 et la machine motrice électrique MM se fait via un quatrième faisceau électrique F4. On notera également, comme illustré non limitativement sur l'unique figure, que le réseau d'alimentation électrique RA peut aussi comprendre un 20 deuxième boîtier de distribution électrique BD2 connecté à la seconde batterie BR2 et au premier convertisseur Cl. La connexion entre le deuxième boîtier de distribution électrique BD2 et la seconde batterie BR2 se fait via un cinquième faisceau électrique F5. La connexion entre le deuxième boîtier de distribution électrique BD2 et le premier convertisseur Cl se fait via un 25 sixième faisceau électrique F6. On notera également, comme illustré non limitativement sur l'unique figure, que le réseau d'alimentation électrique RA peut aussi comprendre un troisième boîtier de distribution électrique BD3 connecté au second convertisseur C2 via un septième faisceau électrique F7 et propre à être 30 couplé aux seconds équipements électriques E2. Par exemple, chaque boîtier de distribution électrique peut assurer une fonction de protection au moyen, notamment, de fusibles adaptés aux tensions concernées, et éventuellement de composants de commutation de 10 puissance, tels que des relais, REVENDICATIONS1. Réseau d'alimentation électrique (RA) pour un véhicule (V) comprenant i) une chaîne de transmission comportant au moins une machine motrice (MM) électrique et fournissant du couple pour entraîner au moins un train (Ti) en consommant de l'énergie stockée sous une première tension dans une première batterie (BR1) rechargeable, et ii) des premiers équipements électriques (El) ) consommant de l'énergie stockée sous une 1 o deuxième tension, inférieure à ladite première tension, dans une seconde batterie (BR2) rechargeable, ledit réseau (RA) comprenant lesdites première (BR1) et seconde (BR2) batteries et un premier convertisseur (Cl) de type DC/DC couplé à ces dernières (BR1, BR2) et convertissant ladite première tension en ladite deuxième tension, caractérisé en ce qu'il comprend en outre 15 un second convertisseur (C2) de type DC/DC, couplé à ladite première batterie (BR1), propre à être couplé à des seconds équipements électriques (E2) dudit véhicule (V), non sécuritaires et consommant de l'énergie sous une troisième tension, comprise entre lesdites première et deuxième tensions, et convertissant ladite première tension en ladite troisième tension. 20 2. Réseau selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un premier boîtier de distribution électrique (BD1) connecté à ladite première batterie (BR1) et auxdits premier (Cl) et second (C2) convertisseurs via respectivement des premier (F1), deuxième (F2) et troisième (F3) faisceaux électriques, et propre à être couplé à ladite machine motrice (MM) via un 25 quatrième faisceau électrique (F4). 3. Réseau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième boîtier de distribution électrique (BD2) connecté à ladite seconde batterie (BR2) et audit premier convertisseur (Cl) via respectivement des cinquième (F5) et sixième (F6) faisceaux électriques. 30 4. Réseau selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un troisième boîtier de distribution électrique (BD3) connecté audit second convertisseur (C2) via un septième faisceau électrique (F7) et propre à être couplé auxdits seconds équipements électriques (E2). 12 5. Réseau selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite première batterie (BR1) stocke de l'énergie sous une première tension comprise entre 200 V et 600 V. 6. Réseau selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que 5 ladite seconde batterie (BR2) stocke de l'énergie sous une deuxième tension comprise entre 12 V et 24 V. 7. Réseau selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit second convertisseur (C2) convertit ladite première tension en une troisième tension comprise entre 40 V et 70 V. 8. Véhicule (V) comprenant i) une chaîne de transmission comportant au moins une machine motrice (MM) électrique et fournissant du couple pour entraîner au moins un train (Ti) en consommant de l'énergie stockée sous une première tension dans une première batterie (BR1) rechargeable, et ii) des premiers équipements électriques (El) ) consommant de l'énergie stockée sous une deuxième tension, inférieure à ladite première tension, dans une seconde batterie (BR2) rechargeable, caractérisé en ce qu'il comprend également un réseau d'alimentation électrique (RA) selon l'une des revendications précédentes, auquel sont couplés ladite machine motrice (MM), lesdits premiers équipements électriques (El ), et des seconds équipements électriques (E2) non sécuritaires et consommant de l'énergie sous une troisième tension. 9. Véhicule selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il est de type automobile.