FR2979041A1

FR2979041A1 - Procede pour eviter les surtensions d'un reseau embarque d'un vehicule automobile

Info

Publication number: FR2979041A1
Application number: FR1257688A
Authority: FR
Inventors: Ralf Herbig; Herbert Labitzke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH; SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2011-08-12
Filing date: 2012-08-08
Publication date: 2013-02-15
Anticipated expiration: 2032-08-08
Also published as: US20130049460A1; CN102957371A; DE102011080926A1; CN102957371B; FR2979041B1

Abstract

Procédé pour éviter les surtensions dans le réseau embarqué d'un véhicule automobile comportant comme source de tension, une machine électrique (100) couplée au moteur thermique ainsi qu'une batterie (30). La machine électrique comporte un bobinage de stator (11), un bobinage de rotor (12), et un régulateur de champ (15) pour commander le courant d'excitation du rotor (12). La tension de la machine électrique (100) est limitée à un seuil supérieur si la vitesse de rotation (nK) représentant la vitesse (n ) de la machine (100) est inférieure à un seuil et si la température (T ) représentant la température de la batterie (30), est inférieure à un seuil.

Description

i Domaine de l'invention La présente invention concerne à un procédé pour éviter les surtensions dans le réseau embarqué d'un véhicule automobile ainsi qu'une unité de calcul pour la mise en oeuvre de ce procédé.

Etat de la technique Comme machines électriques (générateur, dynamo), les véhicules automobiles utilisent souvent des générateurs à griffes polaires à excitation électrique. Le courant dans le bobinage ou enroule-ment de rotor sert de grandeur de régulation pour réguler la tension de io sortie souhaitée ; l'intensité de ce courant est prédéfinie par un régulateur de champ. La régulation évite par exemple qu'à cause de vitesses de rotation du moteur (régime moteur) très différentes, le générateur fournisse des tensions variant très fortement et qui risquent le cas échéant d'endommager les installations électriques qu'elles alimentent. 15 Le régulateur de champ est de nos jours une pièce usuelle d'un tel régulateur de générateur (par exemple le régulateur multifonction MFR de la demanderesse) qui assure également d'autres fonctions de régulation en plus de la régulation de tension. La vitesse de régulation est limitée par la constante de 20 temps relativement élevée du bobinage de rotor. Dans le cas d'augmentations rapides de la vitesse de rotation, il peut arriver que le courant d'excitation ne soit pas réduit assez rapidement et qu'ainsi on a des surtensions dans le réseau embarqué ; ces surtensions peuvent provoquer des dommages ou des défaillances de composants électriques du 25 véhicule. Cette difficulté est particulièrement accentuée si à l'état débrayé, on accélère brusquement pour faire monter en régime le moteur thermique car près du ralenti, le courant d'excitation est réglé à un ni-veau très élevé pour fournir une tension de sortie adaptée même pour une faible vitesse de rotation. Si dans ces conditions on augmente rapi- 30 dement la vitesse de rotation du moteur, le courant d'excitation ne pourra pas être réduit suffisamment rapidement et ainsi la tension augmente brutalement. 35

2 But de l'invention La présente invention a pour but de développer des moyens permettant d'éviter les surtensions dans le réseau embarqué d'un véhicule automobile.

Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention a pour objet un procédé pour éviter les surtensions dans le réseau embarqué d'un véhicule automobile, comportant une machine électrique couplée au moteur thermique ainsi qu'une batterie du véhicule, io la machine électrique ayant un bobinage de stator, un bobinage de rotor, ainsi qu'un régulateur de champ associé au bobinage de rotor pour commander le courant d'excitation traversant le bobinage de rotor, et la tension générée par la machine électrique étant limitée à un seuil 15 de tension supérieur si la vitesse de rotation représentant la vitesse de rotation de la machine électrique est inférieure à un seuil de vitesse de rotation et si la température représentant la température de la batterie du véhicule est inférieure à un seuil de température. L'invention a également pour objet une unité de calcul 20 telle que l'appareil de commande ou de gestion du véhicule dont no- tamment le programme est conçu pour exécuter le procédé de l'inven- tion. On a constaté que les surtensions dans le réseau embarqué d'un véhicule automobile, pouvaient être réduites voire complète- 25 ment supprimées si la tension de sortie du générateur était limitée en particulier aux faibles régimes et aux basses températures. Aux faibles vitesses de rotation, à savoir pour des variations de vitesse de rotation relativement très importantes, par exemple si à l'état débrayé, partant du régime de ralenti, on accélère le moteur thermique en appuyant 30 brusquement sur l'accélérateur et si en plus la température est basse, la batterie du véhicule n'est pas en mesure d'absorber la surtension produite dans ces conditions. A titre de comparaison le document DE 44 40 830 A 1 décrit un procédé consistant à limiter le courant d'excitation en dessous 35 d'un seuil de vitesse de rotation mais ce procédé n'est pas en relation

3 avec la présente invention car il réduit la résistance à vaincre par le démarreur et évite les surtensions. A titre de comparaison le document DE 41 02 335 A 1 décrit un procédé consistant à réduire le courant d'excitation si l'on dé- passe un seuil de température mais non lorsqu'on passe en dessous de ce seuil comme selon la présente invention. Ce procédé connu n'est pas lié à la présente invention car il veut éviter la surchauffe du générateur et non une surtension dans le réseau embarqué. La vitesse de rotation qui correspond à la vitesse de rotation de la machine électrique est notamment la vitesse de rotation même du générateur. Mais il peut également s'agir de la vitesse de rotation du moteur thermique (notamment la vitesse de rotation du vilebrequin). Par exemple, la vitesse de rotation du vilebrequin et celle du générateur, sont dans un rapport de démultiplication d'environ 2-3. 15 Une vitesse de rotation basse est par exemple celle du générateur qui est au maximum la moitié de sa vitesse de rotation nominale. La vitesse de rotation basse est par exemple celle du moteur thermique tournant au ralenti. Pour les batteries de véhicule, la capacité de la batterie, 20 la température, la tension de charge, le type de batterie (batterie AGM ou batterie au plomb) et l'âge (perte de masse active), sont des éléments déterminants pour la capacité de réception dynamique du courant. Aux températures froides, les batteries ne peuvent absorber habituellement que des courants faibles. Aux températures élevées, la capacité de ré- 25 ception de courant de la batterie suffit normalement pour éviter les sur-tensions. Mais à côté des températures, on peut également considérer les autres paramètres cités. La température correspondant à la température de la batterie du véhicule est notamment la température même de la batterie. 30 Mais il peut également s'agir de la température de l'eau de refroidisse-ment, de la température ambiante ou de la température du régulateur du générateur (par exemple dans de nombreux régulateurs de générateur, on mesure la température de la puce du circuit intégré). Un seuil de température correspond avantageusement à une température de bat- 35 terie d'au plus 5°C.

4 Dans de nombreux cas, l'invention s'applique d'une manière particulièrement simple par une meilleure commande du générateur sans nécessiter pour cela des mesures constructives. Une implémentation à postériori dans des systèmes existants, est de ce fait possible, notamment si la limitation de la tension de sortie est faite par un appareil de commande du véhicule automobile, comme par exemple l'appareil de gestion du moteur ou l'appareil de gestion de charge, en particulier lorsqu'habituellement on dispose de la vitesse de rotation et de la température, par exemple de la vitesse de rotation du moteur io thermique et de la température de l'eau de refroidissement ainsi que de la température extérieure. La fonctionnalité du régulateur de champ est adaptée à la dynamique du moteur thermique. On augmente la sécurité de roulage car on évite les dommages provoqués par une surtension et les défail- 15 lances de composants électriques du véhicule. De façon avantageuse, la tension générée par la machine électrique est également limitée à un seuil de tension supérieur, en ce qu'on limite dans le régulateur de champ, le courant d'excitation à un seuil supérieur de courant d'excitation. Dans ce cas, on peut prédéfinir 20 une tension de consigne haute, à partir de l'extérieur mais que le régulateur de champ n'applique pas. Un seuil possible de courant d'excitation se situe par exemple à moitié du courant d'excitation maximum possible ou autorisé. La tension de sortie est avantageusement limitée pour 25 que la valeur supérieure de la tension de consigne corresponde au plus à la valeur de la tension instantanée du réseau embarqué. La tension instantanée du réseau embarqué est définie essentiellement par la batterie du véhicule. En conséquence, le générateur ne fournit pratique-ment aucune puissance au réseau embarqué de sorte qu'il ne génère 30 qu'un faible courant d'excitation ou pas de courant d'excitation. L'implémentation du procédé sous la forme d'un pro-gramme est avantageuse car cela se fait à un coût particulièrement ré-duit, notamment si l'on utilise un appareil pour exécuter également d'autres fonctions et que cet appareil existe de toute façon dans le véhi- 35 cule. Des supports de données, appropriés pour les programmes d'ordi- nateur sont notamment des disquettes, des disques durs, des mémoires flash, des mémoires EEPROM, des CD-ROM, des DVD. On peut égale-ment télécharger un programme par un réseau d'ordinateurs (internet, intranet ou autres). 5 Dessin La présente invention sera décrite à l'aide d'un exemple de procédé pour éviter les surtensions du réseau embarqué d'un véhicule automobile représenté schématiquement dans le dessin annexé dans lequel, io - l'unique figure montre un mode de réalisation d'une machine électrique appliquant le procédé de l'invention. Description d'un mode de réalisation de l'invention La figure montre sous la forme d'un schéma, une ma-chine électrique portant globalement la référence 100 et mettant en 15 oeuvre l'invention. La machine électrique a une partie générateur 10 et une partie redresseur 20. La machine électrique sert habituellement de générateur alimentant le réseau embarqué d'un véhicule automobile. La partie redresseur 20 fonctionne comme redresseur de courant (par exemple comme redresseur synchrone) lorsque la machine fonctionne 20 comme générateur. La machine électrique et plus précisément le bobinage de rotor 12, est entraînée par le moteur à combustion interne du véhicule. Le bobinage de rotor 12 est habituellement relié au vilebrequin du moteur à combustion interne (non représenté) par exemple par l'intermédiaire d'une courroie de transmission. La vitesse de rotation du 25 vilebrequin est appelée (nK) et la vitesse de rotation de la machine (nG). La partie générateur 10 est représentée seulement de manière schématique comme bobinage de stator 11 branché en étoile avec en parallèle une diode dans le bobinage d'excitation ou de rotor 12. Le bobinage de rotor 12 est commandé de manière cadencée en étant 30 relié par un commutateur de puissance 13 lui-même relié à la borne 24 de la partie redresseur 20. La commande du commutateur de puissance 13 est assurée par un régulateur de champ 15 ; le commutateur de puissance 13 de même que la diode branchée en parallèle au bobinage de rotor 12, sont en général intégrés dans un circuit intégré d'applica- 35 tion spécifique ou circuit dédié (circuit ASIC) du régulateur de champ.

6 La présente invention telle que présentée correspond à un générateur triphasé. Mais en principe l'invention peut s'appliquer à des générateurs ayant un nombre de phases plus grand ou plus petit, par exemple un générateur à cinq phases.

La partie redresseur 20 est réalisée sous la forme d'un circuit B6 et comporte des éléments de commutation 21, par exemple sous la forme de transistors MOSFET 21. Les transistors MOSFET 21 sont reliés par des rails de courant au bobinage de stator 11 respectif du générateur. Les transistors MOSFET sont aussi reliés aux bornes 24, io 24' ; pour une commande en mode générateur de la machine électrique, ils fournissent un courant redressé au réseau embarqué y compris la batterie 30 du véhicule. La commande des éléments de commutation 21 est faite par une installation de commande 25 et des canaux de commande 26 dont tous n'ont pas de référence pour ne pas alourdir le des- 15 sin. L'installation de commande 25 reçoit par un ou plusieurs canaux de phase 27, chaque fois la tension de phase des différents bobinages de stator. Cette tension de phase peut être fournie par d'autres installations qui toutefois ne sont pas représentées dans un but de simplification. De même, le montage peut être réalisé avec des diodes plutôt que 20 des éléments de commutation et dans ce cas, il n'y aura pas de com- mande. L'installation de commande 25 assure en mode redresseur (mode synchrone) l'exploitation des tensions de phase fournies par les canaux de phase 27 pour en déduire le moment de fermeture et le 25 moment d'ouverture des différents transistors MOSFET 21. La commande des canaux de commande 26 est appliquée aux portes des transistors MOSFET 21. Pour des raisons de simplification, tous les transistors MOSFET n'ont pas la référence 21 et tous les canaux de commande ne portent pas la référence 26. 30 Les régulateurs connus comme le régulateur de champ 15 prévu de ce mode de réalisation ont une borne de branchement V 19 reliée à une phase du bobinage de stator du générateur. La fréquence du signal de la borne V, c'est-à-dire du signal d'entrée de phase, est exploitée dans le régulateur 15 et sert selon les grandeurs caractéristiques 35 de ce signal à activer ou à neutraliser le mode de régulation et finale-

7 ment à commander le commutateur de puissance 13 par la ligne de commande 14. Le signal de phase de l'entrée de signal de phase 19 est piloté comme représenté, également par l'installation de commande 25. Le régulateur 15 de champ et l'installation de commande 25 peuvent également faire partie d'un régulateur de générateur. Dans le présent exemple, la machine électrique et le régulateur de champ 15 est relié à l'appareil de commande ou de gestion 200 du véhicule, par exemple l'appareil de gestion du moteur ou un appareil de commande de charge. L'appareil de commande 200 fournit io une valeur de consigne de tension UG pour la tension de sortie que doit fournir le générateur entre les bornes 24 et 24'. L'appareil de commande connaît la vitesse de rotation du moteur à combustion interne (vitesse de rotation du vilebrequin) nK et la température de l'eau de refroidisse-ment TK. 15 La démultiplication habituelle entre le vilebrequin du moteur à combustion interne (non représentée) et l'enroulement de rotor 12, se situe dans une plage de 2-3. Pour la vitesse de rotation de ralenti usuelle nK d'environ 550 min-1 jusqu'à 900 min-1, la vitesse de rotation nG de la machine électrique se situe alors dans une plage comprise 20 entre 1.100 min-1 et 2.700 min-1. Comme seuil de la vitesse de rotation, on peut prédéfinir par exemple la vitesse de rotation de la machine électrique qui sera d'environ 3.000 min-1. Si comme dans le présent exemple, la vitesse de rotation du vilebrequin nK est surveillée comme la vitesse de rotation nG de la machine électrique 100, le seuil de vitesse 25 de rotation se définit à partir du seuil de la vitesse de rotation du vilebrequin en appliquant la démultiplication connue. A l'état découplé, par exemple lorsque le véhicule est à l'arrêt, les à-coups d'accélération par le conducteur peuvent engendrer une élévation relativement rapide et importante de la vitesse de rotation 30 que le régulateur de champ 15 ne peut réguler à cause de la constante de temps trop importante du rotor. Si en même temps, la température de l'eau de refroidissement TK est trop basse de sorte que la batterie 30 est froide, à une température par exemple inférieure à 5°C, la capacité de réception de courant de la batterie est fortement limitée et elle ne 35 permet pas d'absorber la surtension. Comme température représentant

8 la température de la batterie du véhicule 30, on utilise dans le cas pré-sent, la température de l'eau de refroidissement TK. On a constaté que prédéfinir un seuil de température de par exemple 5°C convenait pour la valeur de la température selon l'invention.

Dans un tel cas (c'est-à-dire si la vitesse de rotation est inférieure au seuil et si la température est elle aussi inférieure au seuil), alors l'invention limite la tension du générateur entre les bornes 24, 24' ; dans le cas présent on prédéfinit par l'appareil de commande 200 un seuil de tension supérieur comme seuil de consigne, réduit. Le seuil io de tension supérieur est fixé avantageusement à une valeur autour de la tension instantanée du réseau embarqué ou encore de la tension instantanée du réseau embarqué. Seul importe de choisir une valeur pour au plus un faible courant d'excitation (par exemple au maximum 2A) dans l'enroulement de rotor 12. Le courant d'excitation est de préfé- 15 rence au maximum la moitié d'un courant d'excitation autorisé, maxi- mum. 20 NOMENCLATURE

10 partie générateur 11 enroulement de stator 12 enroulement de rotor 13 commutateur de puissance 14 ligne de commande 15 régulateur de champ 19 branchement à la borne V io 20 partie redresseur 21 élément de commutation/transistor MOSFET 24, 24' branchement du transistor MOSFET 25 installation de commande 26 canal de commande 15 27 canal de phase 30 batterie 100 machine électrique 200 appareil de commande nK vitesse de rotation du vilebrequin 20 nG vitesse de rotation de la machine électrique 25

Claims

REVENDICATIONS1°) Procédé pour éviter les surtensions dans le réseau embarqué d'un véhicule automobile selon lequel, le réseau embarqué a, comme source de tension, une machine élec- trique (100) couplée au moteur thermique ainsi qu'une batterie (30) du véhicule, la machine électrique comporte un bobinage de stator (11), un bobinage de rotor (12), ainsi qu'un régulateur de champ (15) associé au bobinage de rotor (12) pour commander le courant d'excitation tra- in versant le bobinage de rotor (12), la tension générée par la machine électrique (100) étant limitée à un seuil de tension supérieur si une vitesse de rotation (nK) correspondant à la vitesse de rotation (nG) de la machine électrique (100) est inférieure à un seuil de vitesse de rotation et si une température (TK) 15 correspondant à la température de la batterie (30) du véhicule est inférieure à un seuil de température. 2°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que 20 la tension générée par la machine électrique (100) est limitée à un seuil de tension supérieur en ce qu'on prédéfinit une valeur de consigne de tension (UG) qui correspond au plus au seuil de tension supérieur. 3°) Procédé selon la revendication 2, 25 caractérisé en ce que la valeur de la tension de consigne (UG) est prédéfinie par un appareil de commande (200), de préférence par l'appareil de commande du moteur. 4°) Procédé selon la revendication 1, 30 caractérisé en ce que la tension générée par la machine électrique (100) est limitée au seuil de tension supérieur en limitant le courant d'excitation à un seuil supérieur de courant d'excitation. 35 Il 5°) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le courant d'excitation du régulateur de champ (15) est limité et notamment la valeur supérieure du seuil du courant d'excitation est la moitié du courant d'excitation maximum autorisé. 6°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur supérieure de la tension de consigne correspond au maximum io à la valeur de la tension instantanée du réseau embarqué ou au maxi- mum à la valeur de la tension actuelle de la batterie. 7°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que 15 le seuil supérieur de la température correspond à une température de la batterie du véhicule (30) qui est au plus égale à 5°C. 8°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que 20 le seuil supérieur de la vitesse de rotation correspond au maximum à la moitié de la vitesse de rotation nominale de la machine électrique (100) ou à la vitesse de rotation de ralenti du moteur thermique. 9°) Unité de calcul (200, 15, 25) appliquant le procédé selon l'une quel- 25 conque des revendications 1 à 8, pour éviter les surtensions dans le ré-seau embarqué d'un véhicule automobile, comportant comme source de tension, une machine électrique (100) couplée au moteur thermique ainsi qu'une batterie (30) du véhicule, selon laquelle, la machine électrique comporte un bobinage de stator (11), un bobi- 30 nage de rotor (12), ainsi qu'un régulateur de champ (15) associé au bobinage de rotor (12) pour commander le courant d'excitation traversant le bobinage de rotor (12), et la tension générée par la machine électrique (100) est limitée à un seuil de tension supérieur si la vitesse de rotation (nK) représentant 35 la vitesse de rotation (nG) de la machine électrique (100) est infé- 12 rieure à un seuil de vitesse de rotation et si la température (TK) représentant la température de la batterie (30) du véhicule est inférieure à un seuil de température.5