B11719FR CIRCUIT D'ALIMENTATION EN ENERGIE ELECTRIQUE D'UN VEHICULEB11719EN ELECTRIC POWER SUPPLY CIRCUIT FOR A VEHICLE
AUTOMOBILE. L'invention est relative à un circuit d'alimentation en énergie électrique d'un véhicule automobile. Elle concerne plus particulièrement un tel circuit qui comporte un 5 alternateur, notamment un alternateur à griffes. On sait que les alternateurs connus présentent une impédance mal adaptée à l'impédance du réseau de bord. En particulier, ces alternateurs connus ont une inductance statorique de valeur très élevée, ce qui a pour conséquence que 10 les alternateurs fonctionnent pratiquement en court circuit même lorsqu'ils sont à pleine charge. Ainsi, les alternateurs utilisés habituellement ne fournissent pas un maximum de puissance lorsqu'ils sont en utilisation nominale. Leur rendement et leur puissance massique 15 ne sont pas optimisés, et ceci entraîne une consommation excessive de carburant. Pour remédier à ces inconvénients, la demande de brevet français 2859834 propose une interface mécanique à variateur de vitesse entre le moteur et l'alternateur, un 20 premier rapport de démultiplication de vitesse de rotation étant prévu lorsque le moteur est animé d'une vitesse de rotation comprise dans une première plage, dite basse, et un second rapport de démultiplication de vitesse de rotation étant prévu lorsque le moteur est animé d'une vitesse de rotation comprise dans une deuxième plage, dite haute, les rapports de démultiplication de vitesse de rotation étant déterminés de manière à limiter l'amplitude de la plage de vitesses de rotation de l'alternateur. Etant donné que l'alternateur fonctionne dans une plage de vitesses plus restreinte, ses performances peuvent être optimisées. La solution décrite dans ce document antérieur a donné entière satisfaction. Toutefois, l'interface mécanique est onéreuse et de réalisation complexe. L'invention permet d'optimiser la puissance fournie par un alternateur pour véhicule automobile avec des moyens 15 simples et peu onéreux. A cet effet, le dispositif d'alimentation électrique pour véhicule automobile selon l'invention comprend un moyen de réglage de l'excitation de l'alternateur qui est fonction de la vitesse d'entraînement de cet alternateur et qui fournit une 20 tension d'excitation permettant que l'alternateur délivre la tension pour laquelle la puissance de l'alternateur est sensiblement maximale à cette vitesse. En outre, le dispositif d'alimentation comporte un convertisseur qui transforme cette tension fournie par l'alternateur en la tension constante du 25 réseau de bord. En effet, l'invention part de la constatation que, à une vitesse de rotation déterminée de l'alternateur, la puissance électrique fournie par cet alternateur est fonction de sa tension de sortie, et pour la vitesse déterminée, la 30 puissance varie avec la tension et présente un maximum pour une valeur donnée de la tension. Ainsi, contrairement à l'état de la technique, on ne commande pas l'excitation pour obtenir directement la tension désirée, par exemple 14 Volts, mais on commande l'excitation 35 pour obtenir la tension fournissant la puissance maximum et on10 convertit cette tension variable fournie par l'alternateur en la tension constante du réseau de bord. On obtient ainsi une augmentation de la puissance massique et volumique des alternateurs et une augmentation du rendement. En conséquence, pour une puissance donnée, on peut réduire la taille de l'alternateur. En raison de l'amélioration du rendement des alternateurs, on obtient une diminution de la consommation en carburant et, donc, de la pollution. Dans une réalisation, la tension fournie par l'alternateur est redressée, par exemple par un pont de diodes, et la tension continue variable (en fonction de la vitesse de rotation) obtenue aux bornes du redresseur est convertie par un convertisseur continu/continu qui fournit à sa sortie la tension constante du réseau. AUTOMOBILE. The invention relates to a circuit for supplying electrical energy to a motor vehicle. It relates more particularly to such a circuit which comprises an alternator, in particular a claw alternator. It is known that known alternators have an impedance that is poorly adapted to the impedance of the on-board network. In particular, these known alternators have a stator inductance of very high value, which has the consequence that the alternators operate practically in short circuit even when they are at full load. Thus, alternators used usually do not provide maximum power when in nominal use. Their efficiency and mass power are not optimized, and this leads to excessive fuel consumption. To overcome these drawbacks, the French patent application 2859834 proposes a mechanical interface with a speed variator between the motor and the alternator, a first gear ratio being provided when the motor is driven by a speed of rotation. rotation included in a first range, said low, and a second speed reduction gear ratio being provided when the motor is driven by a rotational speed in a second range, said high, gear ratios of rotation speed being determined so as to limit the amplitude of the rotational speed range of the alternator. Since the alternator operates in a narrower speed range, its performance can be optimized. The solution described in this prior document has given complete satisfaction. However, the mechanical interface is expensive and complex implementation. The invention makes it possible to optimize the power supplied by an alternator for a motor vehicle with simple and inexpensive means. For this purpose, the power supply device for a motor vehicle according to the invention comprises means for adjusting the excitation of the alternator which is a function of the drive speed of this alternator and which provides a voltage of excitation allowing the alternator to deliver the voltage for which the power of the alternator is substantially maximum at this speed. In addition, the power supply device comprises a converter which converts this voltage supplied by the alternator into the constant voltage of the on-board network. Indeed, the invention starts from the observation that, at a given rotational speed of the alternator, the electric power supplied by this alternator is a function of its output voltage, and for the determined speed, the power varies with the voltage and has a maximum for a given value of the voltage. Thus, contrary to the state of the art, the excitation is not controlled to directly obtain the desired voltage, for example 14 volts, but the excitation is controlled to obtain the voltage supplying the maximum power and this voltage is converted. variable provided by the alternator in the constant voltage of the onboard network. This gives an increase in the mass and volume power of the alternators and an increase in efficiency. As a result, for a given power, the size of the alternator can be reduced. Due to the improved efficiency of the alternators, there is a reduction in fuel consumption and, therefore, pollution. In one embodiment, the voltage supplied by the alternator is rectified, for example by a diode bridge, and the variable DC voltage (depending on the speed of rotation) obtained at the terminals of the rectifier is converted by a DC / DC converter which provides at its output the constant voltage of the network.
Dans une réalisation, le signal fourni au circuit d'excitation de l'alternateur est obtenu à partir d'un circuit à mémoire dans lequel sont emmagasinés des tables ou abaques fournissant, pour chaque valeur de vitesse de rotation de l'alternateur, la valeur du signal d'excitation qui produit, à cette vitesse, la tension fournissant sensiblement la puissance maximum. Ainsi l'invention concerne, de façon générale un dispositif d'alimentation en énergie électrique d'un réseau de bord d'un véhicule automobile comprenant un alternateur entraîné par le moteur du véhicule et dont la tension de sortie est déterminée par un signal d'excitation, la tension de l'alternateur étant redressée par un redresseur tel qu'un pont de diodes. Ce dispositif comporte un circuit pour fournir un signal d'excitation qui est fonction de la vitesse de rotation de l'alternateur et qui commande l'excitation de façon telle que l'alternateur fournit, au moins pour une grande partie de la gamme de vitesses de l'alternateur, une tension correspondant sensiblement au maximum de puissance pour la vitesse de rotation de l'alternateur. En outre, le dispositif comprend un convertisseur pour transformer la tension électrique fournie par l'alternateur en une tension correspondant à la tension du réseau de bord. Dans une réalisation, le convertisseur est de type continu/continu et un moyen redresseur est interposé entre 5 l'alternateur et l'entrée du convertisseur. Dans une réalisation le convertisseur continu/continu est compris dans le groupe comportant des convertisseurs fly-back, forward, à hacheur à stockage inductif, à hacheur à stockage capacitif... 10 Dans une réalisation, le convertisseur continu/continu comprend un moyen élevateur de tension pour fournir une tension au moins égale à la tension du réseau de bord et un moyen abaisseur pour ramener la tension fournie par le moyen élévateur à la tension du réseau de bord. 15 En variante, le moyen pour fournir le signal d'excitation qui est fonction de la vitesse de rotation de l'alternateur, est tel qu'il commande l'excitation de façon que l'alternateur fournisse une tension au moins égale à la tension du réseau de bord et le convertisseur comporte un abaisseur de 20 tension. Dans une réalisation, le moyen pour fournir le signal d'excitation comporte une mémoire dans laquelle sont stockées, pour des vitesses de rotation, les valeurs de signaux d'excitation correspondant à des tensions pour lesquelles, à la 25 vitesse correspondante, la puissance est sensiblement maximale. Dans une réalisation, l'alternateur est du type à griffes. La tension du réseau de bord est par exemple de 14 Volts. 30 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels : la figure 1 représente un ensemble de diagrammes 35 montrant, pour un ensemble de valeurs de vitesses de rotation d'un alternateur, la variation de la puissance fournie par cet alternateur en fonction de la tension de sortie, la figure 2 est un schéma d'un dispositif d'alimentation conforme à l'invention, la figure 3 est un schéma d'un exemple d'une partie du dispositif représenté sur la figure 2, et, les figures 4 et 5 sont des schémas analogues à celui de la figure 3 pour des variantes. Sur la figure 1, on a représenté des courbes 10, 12, 10 14, 16 et 18 correspondant à des vitesses de rotation de l'alternateur de, respectivement, 2000, 4000, 6000, 8000 et 12000 tours par minute. En abscisses, on a porté la tension fournie par l'alternateur (en volts), et en ordonnées, la puissance. 15 On voit que chacune des courbes 10, 12, 14, 16, 18 présente un maximum. Ainsi, pour une vitesse de 2000 tours (courbe 10) par minute, correspondant au ralenti du moteur,la puissance maximum est obtenue pour une tension de l'ordre de 10 volts ; pour une vitesse de rotation de 4000 tours (courbe 12) 20 par minute, la puissance maximum est obtenue quand la tension est de l'ordre de 20 volts ; ces puissances maximum sont obtenues pour, respectivement, 30 volts, 40 volts et 60 volts pour des vitesses de rotation de, respectivement, 6000, 8000 et 12000 tours par minutes (courbes 14, 16 et 18). Ainsi, pour maximiser la puissance fournie par l'alternateur, l'invention prévoit, pour chaque vitesse de rotation de l'alternateur, de fournir un signal d'excitation rotorique qui permet de délivrer la tension correspondant au maximum de puissance de l'alternateur et un circuit 30 convertisseur transforme cette tension en une valeur de tension correspondant à la tension constante désirée pour le réseau de bord 40, en particulier 14 volts. Dans l'exemple représenté sur la figure 2, le dispositif d'alimentation électrique du réseau de bord 40 d'un 35 véhicule automobile comprend une machine triphasée 20 de type 25 synchrone à rotor bobiné, reliée par un accouplement mécanique 22 au moteur du véhicule. Cette machine triphasée 20 est du type à griffes ; elle comporte un circuit d'excitation rotorique 24, et ses enroulements statoriques fournissent des tensions triphasées sur les sorties 261r 262, 263. Selon l'invention, le circuit d'excitation 24 reçoit des signaux d'un dispositif 28 comportant une entrée 30 représentant la vitesse de rotation de l'alternateur. En fonction de cette vitesse, c'est-à-dire du signal reçu sur l'entrée 30, le dispositif 28 fournit un signal permettant d'obtenir l'excitation, générée par le circuit 24, qui permet de fournir la tension aux bornes 261r 262, 263 telle qu'on obtient une puissance maximale de l'alternateur. Cette tension est indépendante de la tension du réseau de bord. In one embodiment, the signal supplied to the excitation circuit of the alternator is obtained from a memory circuit in which are stored tables or charts providing, for each value of rotational speed of the alternator, the value an excitation signal which produces, at this speed, the voltage providing substantially the maximum power. Thus, the invention generally relates to a device for supplying electrical power to an onboard network of a motor vehicle comprising an alternator driven by the vehicle engine and whose output voltage is determined by a signal of excitation, the voltage of the alternator being rectified by a rectifier such as a diode bridge. This device comprises a circuit for providing an excitation signal which is a function of the rotational speed of the alternator and which controls the excitation so that the alternator provides, at least for a large part of the speed range. of the alternator, a voltage corresponding substantially to the maximum power for the rotational speed of the alternator. In addition, the device comprises a converter for transforming the electric voltage supplied by the alternator into a voltage corresponding to the voltage of the on-board network. In one embodiment, the converter is of the DC / DC type and a rectifying means is interposed between the alternator and the input of the converter. In one embodiment, the DC / DC converter is comprised in the group comprising fly-back, forward, inductive storage chopper, capacitive storage chopper converters, etc. In one embodiment, the DC / DC converter comprises a raising means. voltage to provide a voltage at least equal to the voltage of the onboard network and a step-down means for returning the voltage supplied by the elevator means to the voltage of the on-board network. In a variant, the means for supplying the excitation signal, which is a function of the rotational speed of the alternator, is such that it controls the excitation so that the alternator provides a voltage at least equal to the voltage of the onboard network and the converter has a voltage step down. In one embodiment, the means for supplying the excitation signal comprises a memory in which the values of excitation signals corresponding to voltages for which, at the corresponding speed, the power is substantially maximum. In one embodiment, the alternator is of the claw type. The voltage of the onboard network is for example 14 Volts. Other features and advantages of the invention will become apparent with the description of some of its embodiments, this being made with reference to the accompanying drawings in which: FIG. 1 shows a set of diagrams showing, for a set of rotation speed values of an alternator, the variation of the power supplied by this alternator as a function of the output voltage, FIG. 2 is a diagram of a supply device according to the invention, Fig. 3 is a diagram of an example of a part of the device shown in Fig. 2, and Figs. 4 and 5 are diagrams similar to that of Fig. 3 for variants. FIG. 1 shows curves 10, 12, 14, 16 and 18 corresponding to rotational speeds of the alternator of 2000, 4000, 6000, 8000 and 12000 rpm, respectively. On the abscissa, the voltage supplied by the alternator (in volts), and the ordinate, the power. It will be seen that each of the curves 10, 12, 14, 16, 18 has a maximum. Thus, for a speed of 2000 revolutions (curve 10) per minute, corresponding to the engine idle speed, the maximum power is obtained for a voltage of the order of 10 volts; for a rotational speed of 4000 revolutions (curve 12) per minute, the maximum power is obtained when the voltage is of the order of 20 volts; these maximum powers are obtained for, respectively, 30 volts, 40 volts and 60 volts for rotational speeds of, respectively, 6000, 8000 and 12000 revolutions per minute (curves 14, 16 and 18). Thus, to maximize the power supplied by the alternator, the invention provides, for each rotational speed of the alternator, to provide a rotor excitation signal that delivers the voltage corresponding to the maximum power of the alternator and a converter circuit converts this voltage into a voltage value corresponding to the desired constant voltage for the edge network 40, in particular 14 volts. In the example shown in FIG. 2, the electrical power supply device 40 of a motor vehicle comprises a three-phase machine 20 of synchronous type with a wound rotor, connected by a mechanical coupling 22 to the motor of the vehicle. . This three-phase machine 20 is of the claw type; it comprises a rotor excitation circuit 24, and its stator windings provide three-phase voltages on the outputs 261r 262, 263. According to the invention, the excitation circuit 24 receives signals from a device 28 comprising an input 30 representing the rotational speed of the alternator. According to this speed, that is to say the signal received on the input 30, the device 28 provides a signal for obtaining the excitation, generated by the circuit 24, which makes it possible to supply the voltage across the terminals. 261r 262, 263 as we obtain a maximum power of the alternator. This voltage is independent of the voltage of the onboard network.
Dans l'exemple, la tension fournie sur les sorties 261r 262, 263 est redressée par un pont de diodes 32 qui fournit ainsi sur sa sortie une tension continue V dont la valeur dépend de la vitesse de rotation. Cette tension V est convertie en la tension constante Vc du réseau de bord 40 par un convertisseur continu/ continu 34. Le dispositif 28 peut être considéré comme un dispositif de commande de l'impédance constituée par le pont de diodes 32 et le convertisseur 34, cette impédance étant interposée entre l'alternateur et le réseau de bord 40. Ainsi, grâce à la commande du dispositif 28, on obtient une optimisation de l'impédance de sortie de l'alternateur pour optimiser le rendement du circuit d'alimentation en énergie électrique. La figure 3 illustre un mode de réalisation d'un convertisseur 34. Ce convertisseur est du type hacheur à stockage capacitif. Il comporte un circuit élévateur 36 et un circuit abaisseur 38. Le circuit élévateur 36 comporte un condensateur 42 qui est chargé à une tension ayant une valeur supérieure à la tension maximale en sortie du pont 32, par exemple 60 ou 80 volts. L'étage abaisseur permet de ramener cette tension à la valeur choisie, 14 volts dans l'exemple. L'avantage de ce montage est qu'il n'est pas nécessaire de distinguer entre le cas où la tension en sortie du pont 32 est supérieure ou égale à 14 volts et le cas où la tension de sortie du pont est inférieure à 14 volts. Dans une variante, le circuit 28 est tel qu'il commande l'excitation de façon que la sortie du pont de diodes 32 délivre toujours une tension au moins égale à 14 volts Ainsi dans cette variante, pour les basses vitesses de rotation de l'alternateur, c'est-à-dire pour le fonctionnement au ralenti du moteur, cet alternateur ne fournit pas la tension correspondant au maximum de puissance. En d'autres termes, si on considère la courbe 10 de la figure 1, on voit que si l'excitation est réglée pour que la tension en sortie du pont de diode 32 soit égale à 14 volts, c'est-à-dire la tension du réseau de bord, alors la puissance fournie ne correspondra pas au maximum de la courbe 10. Mais pour les vitesses de rotation de l'alternateur correspondant à un fonctionnement en dehors du ralenti, on peut alors satisfaire à la condition selon laquelle la tension correspond au maximum de puissance. Dans cette réalisation, il suffit de prévoir seulement un circuit abaisseur de tension tel qu'un circuit hacheur abaisseur de type synchrone ou un circuit hacheur abaisseur de type synchrone entrelacé. La figure 4 représente un circuit hacheur abaisseur de type synchrone. Ce circuit comporte un premier filtre d'entrée 52 comportant des couples 54i, 56i d'inductance et condensateurs en série sur la tension d'entrée, l'ensemble des couples 54i-56i étant en parallèle. Un autre filtre 58 à inductances et condensateurs, est également prévu à la sortie. Les deux filtres 52 et 58 ont pour but d'atténuer les ondulations de tension. Entre les filtres 52 et 58, on prévoit un premier interrupteur 60 en série avec les inductances et un second interrupteur 62 en parallèle sur les condensateurs. Une inductance 63 est en série avec l'interrupteur 60. Le hachage est obtenu à chaque cycle en fermant l'interrupteur 60 puis l'interrupteur 62. La tension de sortie est fonction du rapport cyclique, c'est-à-dire du rapport entre le temps de fermeture de l'interrupteur 60 et le temps de fermeture de l'interrupteur 62. La figure 5 représente un hacheur abaisseur synchrone entrelacé comportant, comme dans la réalisation montrée sur la figure 4, des cellules de filtrage en entrée et en sortie. Cette réalisation se distingue de celle montrée sur la figure 4 par le fait que le hachage est obtenu par, d'une part, une série de quatre inductances 701-704r en série chacune avec un interrupteur respectivement 721-724r et d'autre part par un même nombre d'interrupteurs, respectivement 741 à 744, dont chacun est relié à la borne entre le premier interrupteur et l'inductance correspondante. Par exemple, l'interrupteur 741 est relié entre, d'une part, la masse et, d'autre part, une borne se trouvant entre l'inductance 701 et l'interrupteur 721. In the example, the voltage supplied to the outputs 261r 262, 263 is rectified by a diode bridge 32 which thus provides on its output a DC voltage V whose value depends on the speed of rotation. This voltage V is converted into the constant voltage Vc of the on-board network 40 by a DC / DC converter 34. The device 28 can be considered as an impedance control device consisting of the diode bridge 32 and the converter 34, this impedance being interposed between the alternator and the on-board network 40. Thus, thanks to the control of the device 28, an optimization of the output impedance of the alternator is obtained in order to optimize the efficiency of the power supply circuit electric. FIG. 3 illustrates an embodiment of a converter 34. This converter is of the capacitive storage chopper type. It comprises a boost circuit 36 and a step-down circuit 38. The boost circuit 36 comprises a capacitor 42 which is charged to a voltage having a value greater than the maximum voltage at the output of the bridge 32, for example 60 or 80 volts. The step-down stage makes it possible to reduce this voltage to the chosen value, 14 volts in the example. The advantage of this arrangement is that it is not necessary to distinguish between the case where the output voltage of the bridge 32 is greater than or equal to 14 volts and the case where the output voltage of the bridge is less than 14 volts. . In a variant, the circuit 28 is such that it controls the excitation so that the output of the diode bridge 32 always delivers a voltage at least equal to 14 volts. Thus in this variant, for the low speeds of rotation of the alternator, that is to say for the idling operation of the engine, this alternator does not provide the voltage corresponding to the maximum power. In other words, if we consider curve 10 of FIG. 1, it can be seen that if the excitation is set so that the output voltage of the diode bridge 32 is equal to 14 volts, that is to say the voltage of the on-board network, then the power supplied does not correspond to the maximum of the curve 10. But for the rotational speeds of the alternator corresponding to an operation outside the idle, one can then satisfy the condition that the voltage corresponds to the maximum power. In this embodiment, it suffices to provide only a voltage-reducing circuit such as a synchronous chopper chopper circuit or an interleaved synchronous chopper chopper circuit. FIG. 4 represents a synchronous type step-down chopper circuit. This circuit comprises a first input filter 52 comprising pairs 54i, 56i of inductance and capacitors in series on the input voltage, the set of pairs 54i-56i being in parallel. Another filter 58 with inductors and capacitors is also provided at the output. The two filters 52 and 58 are intended to attenuate the voltage ripples. Between the filters 52 and 58, there is provided a first switch 60 in series with the inductors and a second switch 62 in parallel on the capacitors. An inductor 63 is in series with the switch 60. The hashing is obtained at each cycle by closing the switch 60 and then the switch 62. The output voltage is a function of the duty cycle, that is to say the ratio between the closing time of the switch 60 and the closing time of the switch 62. FIG. 5 represents an interlaced synchronous step-down chopper comprising, as in the embodiment shown in FIG. 4, input and output filtering cells. exit. This embodiment differs from that shown in FIG. 4 by the fact that the hash is obtained by, on the one hand, a series of four inductors 701-704r in series each with a switch respectively 721-724r and on the other hand by the same number of switches, respectively 741 to 744, each of which is connected to the terminal between the first switch and the corresponding inductor. For example, the switch 741 is connected between, on the one hand, the ground and, on the other hand, a terminal located between the inductor 701 and the switch 721.
Au cours de chaque cycle de fonctionnement, on ferme tout d'abord l'interrupteur 721r puis l'interrupteur 741. Ensuite, ces interrupteurs 721 et 741 sont ouverts et chacun des autres interrupteurs est fermé de façon analogue en succession. Cette réalisation contribue également à réduire le taux d'ondulation en sortie de ce hacheur. During each operating cycle, the switch 721r is first closed and then the switch 741. Then, these switches 721 and 741 are open and each of the other switches is closed in a similar manner in succession. This embodiment also contributes to reducing the ripple rate at the output of this chopper.