FR2984039A1 - Procede et systeme de regulation d'un alternateur de vehicule automobile, et alternateur de vehicule automobile comprenant un tel systeme - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un procédé de régulation d'un alternateur de véhicule automobile dans lequel on traite dans des moyens de filtrage une valeur d'erreur résultant de la comparaison entre la tension produite par l'alternateur et une valeur de consigne, en appliquant une fonction de transfert qui détermine un gain à associer à la valeur d'erreur en fonction de la fréquence de rotation de l'alternateur, pour commander le réglage du courant d'excitation admis à l'alternateur. On modifie la fonction de transfert des moyens de filtrage en fonction de la vitesse de rotation de l'alternateur, en atténuant sur une plage de fréquence donnée le gain lorsque cette vitesse de rotation diminue.

Description

PROCEDE ET SYSTEME DE REGULATION D'UN ALTERNATEUR DE VEHICULE AUTOMOBILE, ET ALTERNATEUR DE VEHICULE AUTOMOBILE COMPRENANT UN TEL SYSTEME La présente invention concerne un procédé de régulation d'un alternateur destiné à être accouplé à un moteur thermique de véhicule automobile. L'invention concerne également un système comportant tous les moyens nécessaires à la mise en oeuvre de ce procédé, ainsi que l'alternateur équipé de ce système. Dans le domaine de l'automobile, un alternateur a pour rôle de générer une tension continue pour l'alimentation du réseau électrique de bord et de la maintenir à une valeur de consigne prédéterminée, pour l'alimentation électrique des équipements du véhicule et d'une batterie.

L'alternateur comporte un stator fixé à la structure du véhicule et qui entoure un rotor porté par un arbre entraîné en rotation par le moteur thermique du véhicule par l'intermédiaire d'une courroie d'alternateur. L'alternateur permet de transformer un mouvement de rotation du rotor en un courant électrique induit dans les bobinages du stator. En aval de l'alternateur, un convertisseur alternatif/continu, par exemple réversible, permet alors de générer une tension continue pour l'alimentation du réseau électrique de bord. En amont de l'alternateur, un système de régulation, dit « régulateur », généralement intégré à l'alternateur, est utilisé pour maintenir une tension stable en sortie de l'alternateur, indépendamment de la vitesse de rotation du moteur ou de la consommation électrique des équipements propres au véhicule. Il contrôle à cet effet la production d'un courant d'excitation fourni au rotor inducteur pour gérer l'intensité du champ magnétique associé et donc la tension induite par ce champ magnétique et le courant produit en sortie de l'alternateur qui, au travers de la batterie et des charges, fixe la tension du réseau de bord.

De nos jours, les équipementiers de l'industrie automobile ont développé des alternateurs très performants en mettant en oeuvre des techniques numériques. On connaît des systèmes de régulation dans lesquels la tension produite en sortie de l'alternateur est échantillonnée et convertie numériquement, les valeurs numériques obtenues étant ensuite comparées en continu à une valeur de consigne, par exemple 14V. Après filtrage, le résultat de cette comparaison est utilisé pour quantifier l'intensité du courant d'excitation à envoyer vers l'alternateur pour maintenir la tension de sortie à la valeur de consigne.

Comme cela a été décrit précédemment, l'alternateur est couplé mécaniquement au moteur thermique. Or on rencontre dans les moteurs thermiques un phénomène connu sous le nom d'acyclisme, qui est dû aux explosions dans les cylindres du moteur thermique qui provoquent des accélérations et décélérations autour de la vitesse moyenne. Il se manifeste par des vitesses de rotation non uniformes du moteur qui se répercutent sur l'alternateur. Or, la courbe représentative du courant débité en fonction de la vitesse de rotation, pour un alternateur standard, peut avec une approche approximative être modélisée simplement par deux droites, une première droite à forte pente qui décrit pour des vitesses faibles l'amorçage de montée du courant et une deuxième droite à faible pente pour des vitesses plus grandes. Lorsque la vitesse de rotation de l'alternateur est supérieure à la vitesse de rotation correspondant au point de jonction des deux droites (et qui est connue sous le nom de vitesse de bas de courbe Vbc), l'acyclisme provoque peu de variations de courant, et donc peu de variation de la tension produite par l'alternateur (figure 1). A très faible vitesse par contre, lorsque la vitesse de rotation de l'alternateur est inférieure à cette vitesse de bas de courbe (correspondant au point de jonction des deux droites), les oscillations d'acyclisme provoquent une fluctuation plus importante du courant débité en sortie de l'alternateur (figure 2), ce qui implique des variations importantes de la tension au niveau de la batterie.

Parallèlement, certains constructeurs d'automobiles, principalement pour des raisons d'économie d'énergie, sont amenés à abaisser la vitesse de ralenti des moteurs thermiques équipant leurs véhicules à des vitesses de rotation inférieures à 800 tr/mn. Il en résulte pour l'alternateur, du fait qu'il est couplé mécaniquement au moteur thermique, une vitesse de rotation qui baisse proportionnellement lors de ces phases de ralenti. Dans ces situations, on se retrouve dans le cas de figure illustré par la figure 2, dans lequel le phénomène d'acyclisme provoque de fortes variations du courant débité par l'alternateur et par conséquent des fortes variations de tension du réseau de bord. Ces fortes variations de tension sont prises en compte par le régulateur qui tend à contrer cet effet par la régulation, avec pour conséquence de rendre certaines fonctions inopérantes. La présente invention vise par conséquent à pallier cet inconvénient en proposant un procédé de régulation qui permette de s'affranchir de ces problèmes de variation de courant débité par l'alternateur d'un véhicule automobile, sans aller pour autant à l'encontre de la tendance selon laquelle les vitesses de ralenti des véhicules sont de plus en plus basses. Elle a précisément pour objet un procédé de régulation d'un alternateur de véhicule automobile destiné à être accouplé à un moteur thermique du véhicule et apte à produire une tension d'alimentation d'un réseau de bord de ce véhicule. La tension d'alimentation produite est comparée dans une boucle d'asservissement à une valeur de consigne pour déterminer la valeur d'un courant d'excitation à faire circuler dans l'alternateur pour la production d'une tension équivalente à ladite valeur de consigne. Selon le procédé de l'invention, on traite dans un filtre la valeur d'erreur résultante de la comparaison entre la tension d'alimentation et la valeur de consigne, et on modifie la fonction de transfert d'origine du filtre en fonction de la vitesse de rotation de l'alternateur, en atténuant sur une plage de fréquence donnée le gain lorsque cette vitesse de rotation diminue.

Ainsi, on peut selon l'invention conserver la même qualité de filtrage des écarts entre la tension souhaitée en sortie de l'alternateur et celle réellement délivrée lorsque le moteur tourne à plein régime et on peut proposer un filtrage adapté de ces écarts lorsque le moteur tourne au ralenti. On s'assure ainsi à la fois une prestation avec une dynamique adaptée à haute vitesse, et on modifie la prestation à basse vitesse pour ne pas tenir compte des variations de tension qui sont amplifiées dans des conditions d'acyclisme. Selon une caractéristique de l'invention, la fonction de transfert est atténuée pour des valeurs de fréquence correspondantes à des vitesses de ralenti du moteur thermique. Ainsi, on cible les modifications du filtrage des erreurs pour les cas potentiels d'acyclisme.

Selon une caractéristique de l'invention, le gain de la fonction de transfert pour une fréquence donnée est déterminé entre un seuil maximal et un seuil minimal. Le seuil maximal correspond à la fonction de transfert de grande dynamique d'origine et il est conservé lorsque la vitesse de rotation de l'alternateur est supérieure à une première vitesse limite donnée alors que le seuil minimal est atteint lorsque la vitesse de rotation de l'alternateur est inférieure à une deuxième vitesse limite donnée, ce seuil minimal étant déterminé pour conserver la stabilité de la régulation de l'alternateur sur le réseau de la voiture. Selon des caractéristiques de l'invention, plusieurs profils pour la fonction de transfert sont enregistrés et on sélectionne automatiquement le profil à appliquer à la fonction de transfert en cours, en fonction de la valeur dans laquelle se place la vitesse de rotation de l'alternateur, parmi plusieurs gammes de valeurs prédéfinies. Des dispositifs de commutation seront prévus pour passer d'un profil de fonction de transfert à l'autre.

Selon une caractéristique de l'invention, on détermine une première fréquence correspondant à une fréquence de coupure contrôlée à partir de laquelle le gain est atténué et en deçà de laquelle la fonction de transfert modifiée en fonction de la vitesse de rotation de l'alternateur présente une première partie identique à la fonction de transfert d'origine, et on détermine une deuxième fréquence, supérieure à la première fréquence, à partir de laquelle le gain d'acyclisme est stable jusqu'à une fréquence de coupure, le gain étant atténué de façon régulière entre la première et la deuxième fréquence. La deuxième fréquence peut être la même lorsqu'on passe d'un profil déterminé à un autre pour adapter la fonction de transfert en fonction de la vitesse de rotation.

Selon une forme de réalisation particulière, les différentes tensions sont traitées numériquement, et la fonction de transfert est modifiée numériquement. On peut ainsi modifier les fonctions de transfert et la qualité du filtrage sans avoir besoin de changer du matériel. L'invention concerne également un système de régulation d'un alternateur destiné à être accouplé à un moteur thermique de véhicule automobile et comportant tous les moyens nécessaires à la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus. Notamment, le système de régulation comporte une boucle d'asservissement de la tension d'alimentation d'un réseau de bord du véhicule à une valeur de consigne dans laquelle un comparateur est adapté à adresser en sortie une valeur d'erreur fonction de la comparaison de la tension produite par l'alternateur et de la valeur de consigne. Et il comporte avantageusement des moyens d'acquisition sensibles à la vitesse de rotation de l'alternateur et des moyens de filtrage de ladite valeur d'erreur en sortie du comparateur, lesdits moyens de filtrage présentant une fonction de transfert qui est modifiable en fonction de la valeur de ladite vitesse en provenance desdits moyens d'acquisition. L'invention concerne aussi un alternateur de véhicule automobile associé un système de régulation présentant les caractéristiques spécifiées ci-dessus.

L'invention sera maintenant plus complètement décrite dans le cadre de caractéristiques préférées et de leurs avantages, en faisant référence aux figures des dessins annexés qui les illustrent et dans lesquelles : - les figures 1 et 2 sont des représentations schématiques de courbe caractéristiques du courant débité par un alternateur de véhicule automobile en fonction de sa vitesse de rotation, dans lesquelles on a montré l'oscillation du courant en fonction des oscillations d'acyclisme, pour deux vitesses de rotation différentes ; - la figure 3 est un schéma fonctionnel de l'alternateur et des différents composants du véhicule, ainsi que du système de régulation associé selon l'invention ; - la figure 4 représente des courbes représentatives de la fonction de transfert de deux types de filtre adaptés à être utilisés dans le système de régulation selon l'invention ; - les figures 5 et 6 sont des courbes représentatives de la fonction de transfert, pour un type déterminé de filtre, modifiées selon l'invention en fonction de la vitesse de rotation de l'alternateur ; - et les figures 7a et 7b sont des représentations schématiques de deux modes de réalisation de l'invention, qui diffèrent en ce que les modifications de la fonction de transfert sont faites à fréquence constante (figure 7a) ou non (figure 7b). La figure 3 représente une architecture générale d'une alimentation par un alternateur 2 d'un réseau de bord 4 d'un véhicule automobile, auquel sont connectées une batterie 6 et des équipements électriques 8. L'alternateur est couplé mécaniquement à un moteur thermique 10 soumis comme cela a été décrit précédemment à des phénomènes d'acyclisme qui sont transmis à l'alternateur. On vise la production d'une tension constante en sortie de l'alternateur pour la bonne alimentation du réseau de bord et cette tension produite Up est régulée au moyen d'un système de régulation associé à l'alternateur et formant une boucle d'asservissement 12. Le système de régulation comporte successivement le long de la boucle un bloc d'acquisition numérique 14, un comparateur numérique 16, un bloc filtre 18, un générateur de signaux d'excitation 20 et un commutateur de puissance 22.

Le bloc d'acquisition numérique comporte un convertisseur analogique-numérique et un module de conditionnement numérique de manière à rendre exploitable numériquement les tensions mesurées en sortie de l'alternateur. La tension d'alimentation réellement produite par l'alternateur est prélevée par exemple aux bornes de la batterie, puis elle est échantillonnée pour être envoyée vers le comparateur numérique 16 qui procède à des comparaisons régulières de cette valeur rendue numérique avec une tension de référence Uref stable, classiquement égale à 14V. Pour une fréquence déterminée de rotation de l'alternateur, il en résulte une valeur d'erreur Err entre le signal échantillonné et la valeur de consigne formée par la tension de référence. C'est en fonction de cette valeur d'erreur ainsi obtenue par comparaison que le générateur de signaux d'excitation délivre des signaux, le rapport cyclique de ces signaux variant en fonction de la valeur d'erreur.

Le générateur est de façon connue du type à modulation de largeur d'impulsion. Les signaux d'excitation délivrés sont à destination d'un commutateur de puissance pour la commande d'un courant d'excitation lex apte à circuler dans un enroulement d'excitation de l'alternateur, pour modifier la tension produite par l'alternateur et la ramener à la tension de référence.

La valeur d'erreur, avant d'être envoyée vers le générateur de signaux, passe dans le bloc filtre disposé en sortie du comparateur, entre celui-ci et le générateur de signaux. On va maintenant décrire plus en détail le bloc filtre. Il comporte des moyens d'acquisition 24 de la vitesse de rotation de l'alternateur et des 25 moyens de filtrage 26, ainsi que des moyens de commande 28 intégrés aux moyens de filtrage pour leur assigner une fonction de transfert déterminée. Les moyens d'acquisition sont avantageusement déjà utilisés par ailleurs dans le véhicule et l'on utilise l'information de vitesse de rotation de l'alternateur sans avoir recours à l'installation d'un capteur spécifique. On 30 pourra par exemple se servir des moyens utilisés pour la mesure des fréquences de phase de rotation de l'alternateur, et envoyer les informations correspondantes directement vers les moyens de commande 28. On a représenté en figure 4 les caractéristiques standard d'un filtre proportionnel P et d'un filtre intégral PI, que l'on peut choisir à titre d'exemple pour former les moyens de filtrage 26. Ces caractéristiques représentent le gain à associer à la valeur d'erreur filtrée, en fonction de la fréquence de rotation de l'alternateur. Dans les figures illustrées par la suite, on se réfèrera à la caractéristique d'un filtre proportionnel. Selon l'invention, tel qu'illustré sur la figure 5, les moyens de commande 28 sont adaptés à modifier la fonction de transfert des moyens de filtrage 26 en fonction de l'information relative à la vitesse de rotation de l'alternateur reçue des moyens d'acquisition 24. Plusieurs profils de fonction de transfert sont paramétrés dans les moyens de commande, qui sélectionnent de façon automatique le profil à appliquer à la fonction de transfert des moyens de filtrage en fonction de la vitesse de rotation de l'alternateur. On prévoit des dispositifs de commutation pour passer d'un profil de fonction de transfert à l'autre en fonction d'instructions données par les moyens de commande. On propose ainsi d'adapter, en fonction de la vitesse de rotation de l'alternateur, le gain à associer à la zone fréquentielle d'acyclisme. Comme cela est visible sur la figure 6, sur laquelle on peut voir trois fonctions de transfert distinctes, la fonction de transfert, courbe représentative du gain, est sélectionnée entre une courbe supérieure H1 correspondant à une valeur de gain maximale et une courbe inférieure H2.

Ainsi, pour une fréquence donnée, le gain de la fonction de transfert est déterminé entre un seuil maximal correspondant au gain de la fonction de transfert d'origine des moyens de filtrage choisis et un seuil minimal. Le seuil minimal est déterminé pour conserver la stabilité du système, c'est à dire que cette amplification minimale ne doit pas générer un système oscillant.

Le seuil maximal est conservé lorsque la vitesse de rotation de l'alternateur est égale ou supérieure à une première vitesse limite donnée V1 et le seuil minimal est sélectionné par les moyens de commande lorsque la vitesse de rotation de l'alternateur est égale ou inférieure à une deuxième vitesse limite donnée V2. La première vitesse limite donnée pourra être choisie par exemple comme égale à la vitesse de bas de courbe Vbc, décrite précédemment et valeur caractéristique de la courbe représentative du courant débité en fonction de la vitesse de rotation de l'alternateur. Tel que représenté, la fonction de transfert peut prendre la forme d'une courbe intermédiaire H3 et ceci est obtenu en ajoutant dans les paramètres des moyens de commande des valeurs de vitesse seuils de manière à définir plusieurs plages de vitesses, de sorte que si la vitesse de rotation acquise tombe dans une de ces plages, la fonction de transfert de la zone d'acyclisme est adaptée et peut prendre la forme de cette courbe intermédiaire. On a constaté que l'acyclisme est généralement visible à des basses vitesses de rotation de l'alternateur, dans des zones de fréquence entre 20 et 30 Hz, représentées sur les figures 5 et 6 par une zone grisée. Selon l'invention, la fonction de transfert sélectionnée automatiquement par les moyens de commande en fonction de l'information de vitesse de rotation comporte une bande passante atténuée spécialement pour des fréquences auxquelles apparaît l'acyclisme aux basses vitesses de rotation de l'alternateur. Tel qu'illustré sur les figures 5 à 7, la fonction de transfert adaptée pour une vitesse déterminée présente une fréquence de coupure contrôlée F1, à partir de laquelle le gain est atténué jusqu'à une fréquence F2 à laquelle le gain d'acyclisme est stable, la fréquence F2 étant supérieure à la fréquence de coupure F1. L'homme de l'art saura choisir la fréquence F2 en fonction des applications sur voitures et des alternateurs. Dans les figures 7a et 7b, on présente deux choix de réalisation pour faire évoluer cette fréquence F2 à laquelle le gain d'acyclisme est stable, d'une fonction de transfert à l'autre selon les vitesses. Dans une première réalisation, la fréquence F2 a une valeur fixe. Dans une deuxième réalisation, la fréquence F2 change en fonction du gain que l'on souhaite donner au filtre dans la zone atténuée, afin de compenser la perte de marge de phase dans des cas critiques de stabilité de l'application sur véhicule. La description qui précède explique clairement comment l'invention permet d'atteindre les objectifs qu'elle s'est fixés. En particulier, elle présente l'avantage de rendre le système plus stable à basse vitesse, car le système de régulation ne tient pas compte des variations trop importantes de tension lorsqu'on est au ralenti, et notamment pour une fréquence entre 20 et 30 Hz. On s'assure que lorsque l'alternateur tourne à faible vitesse, le gain statique du filtre et l'atténuation des erreurs sont diminués. On évite ainsi les sauts de régulation trop brutaux qui peuvent générer une demande d'augmentation du courant d'excitation par le système de régulation et un accroissement rapide du couple prélevé par l'alternateur sur le moteur thermique susceptible dès lors de caler, notamment quand le moteur fonctionne au ralenti. L'application de l'invention est particulièrement intéressante dans le cadre de l'utilisation d'une fonction de charge progressive (dite "LRC" pour l'acronyme de la définition anglaise "Load Response Control") qui n'autorise que des augmentations progressives du signal d'excitation depuis la valeur initiale jusqu'à la valeur déterminée par le système de régulation, pour éviter que cette régulation pénalise le couple moteur, et qui de fait ne subit pas de fortes variations dans les vitesses de ralenti du véhicule.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de régulation d'un alternateur (2) de véhicule automobile destiné à être accouplé à un moteur thermique (10) dudit véhicule et apte à produire une tension d'alimentation d'un réseau de bord (4) dudit véhicule, ladite tension produite (Un) par l'alternateur étant comparée dans une boucle d'asservissement (12) à une valeur de consigne (Uref) pour déterminer la valeur d'un courant d'excitation (lex) à faire circuler dans ledit alternateur pour la production d'une tension équivalente à ladite valeur de consigne, dans lequel on traite dans des moyens de filtrage (26) une valeur d'erreur (Erarésultant de la comparaison entre ladite tension produite et ladite valeur de consigne, en appliquant une fonction de transfert qui détermine un gain à associer à ladite valeur d'erreur en fonction de la vitesse de rotation de l'alternateur, pour commander le réglage du courant d'excitation admis à l'alternateur, et dans lequel on modifie ladite fonction de transfert des moyens de filtrage en fonction de la vitesse de rotation de l'alternateur, en atténuant sur une plage de fréquence donnée ledit gain lorsque ladite vitesse de rotation diminue.
2. 2. Procédé de régulation d'un alternateur de véhicule automobile selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite fonction de transfert est atténuée pour des valeurs de fréquence correspondantes à des basses vitesses de rotation de l'alternateur.
3. 3. Procédé de régulation d'un alternateur de véhicule automobile selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit gain de la fonction detransfert pour une fréquence donnée est déterminé entre un seuil maximal (H1) correspondant au gain de ladite fonction de transfert d'origine et un seuil minimal (H2) déterminé pour conserver la stabilité de l'alternateur, ledit seuil maximal étant conservé lorsque ladite vitesse de rotation de l'alternateur est supérieure ou égale à une première vitesse limite donnée (V1) et ledit seuil minimal étant sélectionné lorsque ladite vitesse de rotation de l'alternateur est inférieure ou égale à une deuxième vitesse limite donnée (V2).
4. 4. Procédé de régulation d'un alternateur de véhicule automobile selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que plusieurs profils de ladite fonction de transfert sont prédéterminés et en ce que l'on sélectionne automatiquement le profil à appliquer à la fonction de transfert en cours en fonction de la valeur dans laquelle se place la vitesse de rotation de l'alternateur, parmi plusieurs gammes de valeurs prédéfinies.
5. 5. Procédé de régulation d'un alternateur de véhicule automobile selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on a prévu des dispositifs de commutation pour passer d'un profil de fonction de transfert à l'autre.
6. 6. Procédé de régulation selon la revendication 4 ou 5, dans lequel on détermine une première fréquence correspondant à une fréquence de coupure contrôlée (F1) à partir de laquelle le gain est atténué et en deçà de laquelle la fonction de transfert modifiée en fonction de la vitesse de rotation de l'alternateur présente une première partie identique à la fonction de transfert d'origine, et dans lequel on détermine une deuxième fréquence (F2) correspondant à une fréquence à partir de laquelle le gain d'acyclisme est stable jusqu'à une fréquence de coupure, le gain variant de façon régulière entre la première et la deuxième fréquence.
7. 7. Procédé de régulation selon la revendication 6, dans lequel ladite deuxième fréquence (F2) est la même entre un profil déterminé de fonction de transfert et un autre.
8. 8. Procédé de régulation selon la revendication 1 à 7, dans lequel les différentes tensions sont traitées numériquement, et dans lequel la fonction de transfert est modifiée numériquement.
9. 9. Système de régulation d'un alternateur de véhicule automobile, s ledit alternateur (2) étant destiné à être accouplé à un moteur thermique (10) dudit véhicule et comprenant une boucle d'asservissement (12) de la tension d'alimentation d'un réseau de bord dudit véhicule à une valeur de consigne (Uref) dans laquelle un comparateur (16) est adapté à adresser en sortie une valeur d'erreur (Err) fonction de la comparaison de la tension 10 produite par l'alternateur (Un) et de ladite valeur de consigne, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de filtrage (26) de ladite valeur d'erreur en sortie du comparateur, lesdits moyens de filtrage (26) traitant ladite valeur d'erreur (Err) en appliquant une fonction de transfert qui détermine un gain à associer à ladite valeur d'erreur (Err) en fonction de la 15 vitesse de rotation de l'alternateur, pour commander le réglage du courant d'excitation admis à l'alternateur, et ladite fonction de transfert desdits moyens de filtrage (26) étant modifiée en fonction de la vitesse de rotation de l'alternateur, en atténuant sur une plage de fréquence donnée ledit gain lorsque ladite vitesse de rotation diminue. 20
10. 10. Alternateur de véhicule automobile caractérisé en ce qu'il lui est associé un système de régulation de la tension selon la revendication 9.