FR2769770A1

FR2769770A1 - Moyen de regulation d'un generateur electrique

Info

Publication number: FR2769770A1
Application number: FR9812675A
Authority: FR
Inventors: Wolfgang Mueller; Oliver Luz; Richard Schoettle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-10-11
Filing date: 1998-10-09
Publication date: 1999-04-16
Anticipated expiration: 2018-10-09
Also published as: US6924629B1; JPH11196599A; DE19845569A1; FR2769770B1; ITMI982141A1; IT1302605B1

Abstract

Moyen pour réguler un générateur notamment un alternateur à trois inductances de stator et un pont redresseur qui redresse le courant généré par les tensions polaires du rotor dans les inductances du bâti.Le pont redresseur peut être court-circuité au moins pendant un court instant par un élément de commutation dont le chemin de commutation est en parallèle au pont redresseur en forme de pont à diodes (DB), par application d'un signal de commande correspondant à la base du transistor.

Description

La présente invention concerne un moyen pour réguler un générateur notamment un alternateur à trois inductances de stator et un pont redresseur qui redresse le courant généré par les tensions polaires du rotor dans les inductances du bâti.

Etat de la technique
Pour générer l'énergie électrique nécessaire à un véhicule automobile, on utilise aujourd'hui usuellement des générateurs à pôles à griffes. Ces générateurs à pôles à griffes sont des alternateurs dont on redresse le courant de sortie à l'aide d'un montage en pont de diodes. Le courant redressé est alors utilisé pour alimenter les consommateurs électriques du véhicule et pour charger la batterie.

Un tel alternateur comporte une bobine de champ traversée par un courant de champ. Le courant de champ est régulé par un régulateur de tension pour que la tension de sortie de l'alternateur soit sensiblement constante indépendamment de la vitesse de rotation du générateur. L'amplitude de la tension concernée par la régulation est choisie usuellement pour qu'elle soit optimale pour la charge de la batterie. Tenant compte des différentes conditions, cette tension est comprise entre 12 et 14,5 V.

Dans le cas d'un réseau embarqué ayant un grand nombre d'utilisateur, on a la difficulté qu'une tension à 12 V n'est pas suffisante pour l'alimentation en énergie. En particulier, pour alimenter des consommateurs qui nécessitent une tension supérieure à 12 V, on connaît des solutions consistant à réguler le générateur au moins en deux parties sur des tensions de sortie plus élevées par exemple de 40 V.

Cette tension plus élevée est alors fournie directement à l'utilisateur ; la tension pour le réseau embarqué ou la charge de la batterie, c'est-à-dire la tension plus faible est fournie par l'intermédiaire d'un convertisseur tension/tension continue à partir de la tension plus élevée.

Comme les convertisseurs continu/continu usuel nécessitent non seulement des transistors de puissance, des diodes et des condensateurs mais également des pièces coûteuses, ces convertisseurs sont relativement coûteux. Cela s'applique à des convertisseurs/trans formateurs (sans potentiel) et des convertisseurs à bobine dépendants du potentiel et ayant une bobine accumulatrice. Une telle régulation d'un générateur équipé d'un convertisseur continu/continu est par exemple publiée dans le document EP-B 0 325 520.

Avantages de l'invention
La présente invention a pour but de développer un moyen du type ci-dessus et concerne à cet effet un moyen caractérisé en ce que le pont redresseur peut être courtcircuité au moins pendant un court instant par un élément de commutation dont le chemin de commutation est en parallèle au pont redresseur en forme de pont à diodes, par application d'un signal de commande à la base du transistor.

Le moyen selon l'invention pour réguler un générateur a l'avantage d'être applicable également à un générateur usuel. Dans un tel générateur, notamment un générateur à pôles à griffes, on peut adapter la tension à un réseau embarqué à un niveau de tension plus élevé par exemple 42 V.

Cette adaptation de tension est notamment également possible aussi longtemps que la tension de sortie du générateur dans la plage des vitesses de rotation faibles est inférieure à 42 V pour la régulation usuelle du courant d'excitation.

De manière particulièrement avantageuse, il ne faut aucune bobine supplémentaire car les inductances du stator qui existent de toute façon sont utilisées comme des bobines accumulatrices. On peut également réduire avantageusement les coûts du système et diminuer l'encombrement.

Ces avantages résultent d'un circuit supplémentaire branché sur le pont redresseur du générateur et qui permet de court-circuiter pendant un court instant le pont redresseur. Cela permet de gonfler le générateur. Aussi longtemps que la transmission de l'énergie entre le générateur et la batterie est coupée, l'énergie fournie est stockée de manière intermédiaire dans les inductances du stator du générateur. Cela augmente la tension dite de ligne. De façon avantageuse, la mise en court-circuit et la coupure à nouveau de la liaison électrique. du pont redresseur se font avec un transistor de puissance, commandé pour que la tension de sor tie du générateur prise sur le pont redresseur augmente jusqu'à des valeurs de l'ordre de 42 V.

Le circuit qui permet de court-circuiter le pont redresseur comporte avantageusement en plus du transistor de puissance (par exemple un transistor MOSFET) également une diode et un condensateur branché pour que la diode évite le court-circuit de la batterie ou du réseau embarqué. Le condensateur est en parallèle à la batterie et assure avantageusement le lissage de la tension de sortie. Ce pont redresseur et caractérisé en ce que le pont redresseur peut être courtcircuité au moins pendant un court instant par un élément de commutation dont le chemin de commutation est en parallèle au pont redresseur en forme de pont à diodes, par application d'un signal de commande à la base du transistor.

Suivant d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention - l'élément de commutation est un transistor notamment un
transistor à effet de champ ou un transistor bipolaire à
porte isolée ou plus généralement un commutateur semi
conducteur, - le transistor reçoit un signal modulable notamment un si
gnal à modulation de largeur d'impulsion ou un signal à
rapport de travail variable (impulsion/pause) dont la fré
quence se règle pour avoir une tension à la sortie du mon
tage en pont qui soit nettement supérieure à la tension de
sortie usuelle du générateur, - le rapport de travail des signaux de commande appliqués au
transistor est fixé pour régler des tensions de ligne du
générateur donnant la tension plus élevée, recherchée à la
sortie du montage en pont de diodes, - une diode entre le montage en pont de diodes et la prise de
tension, cette diode permet un passage du courant seulement
du générateur vers la prise de tension, - un condensateur qui assure le lissage de la tension dispo
nible sur la prise de tension, - le pont redresseur est réalisé sous la forme d'un pont à
transistors commandés, comprenant une diode de roue libre
ou un autre transistor et permettant une fonction
d'élévation de tension, - le pont à transistors et le transistor sont commandés pour
former une installation de synchronisation, - la fonction d'élévation de tension peut être réalisée par
d'autres principes de commutation choisis et utiliser par
exemple un convertisseur à résonance.

Ainsi par exemple, on peut supprimer le transistor amplificateur si on réalise un pont redresseur totalement commandé avec des commutateurs de puissance, commandés, ce qui permet d'obtenir avantageusement un rendement plus élevé de l'ensemble du système car les pertes de passage sont plus faibles, grâce à un choix approprié des commutateurs de puissance, que dans le cas d'un pont redresseur non commandé comportant des diodes.

De manière particulièrement avantageuse, on utilise des transistors à effet de champ MOS (MOS FET) comme transistors de puissance, commandés.

Si à la place d'une diode de roue libre, on utilise en outre un commutateur de puissance, on peut réduire encore plus les pertes de passage. Cela est notamment vrai dans le cas de commutateurs de puissance constitués par des transistors à effet de champ MOS. Par rapport aux dispositifs usuels, l'invention permet de manière particulièrement avantageuse de réduire le nombre de pièces et d'augmenter le rendement de l'ensemble de l'installation.

Dessins
Quatre exemples de réalisation sont représentés dans les dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un schéma d'un premier exemple de réalisa
tion, - la figure 2 est un schéma d'un second exemple de réalisa
tion, - la figure 3 est un schéma d'un troisième exemple de réali
sation, - la figure 4 est un schéma d'un quatrième exemple de réali
sation.

Description
La figure 1 montre les éléments principaux du générateur nécessaires à la compréhension de l'invention ainsi que le réseau embarqué d'un véhicule automobile. Le générateur G est par exemple un générateur à pôles à griffes comprenant des inductances de stator L1, L2 et L3 et des résistances R1, R2 et R3 représentant les résistances des enroulements. Le générateur fournit des tensions de ligne US1,
US2, US3 correspondant aux tensions des pôles U1, U2, U3 et des tensions aux bornes des résistances R1, R2, R3 et des inductances de stator L1, L2, L3. Ces tensions correspondent à des courants I1, I2, I3 redressés par le pont de diodes DB pour donner le courant de sortie IG du générateur servant à l'alimentation des consommateurs embarqués.

La régulation du générateur G se fait usuellement à l'aide d'un régulateur de tension R ; celui-ci règle le courant de champ IF à travers l'enroulement de champ F pour obtenir une tension prédéterminée. Le régulateur de tension R reçoit des signaux d'entrée E par exemple les différentes tensions et/ou intensité et/ou la vitesse de rotation du générateur.

Il est en mesure d'émettre des signaux de sortie
A pour actionner par exemple des interrupteurs ou des moyens de commutation.

Le générateur G est relié à un circuit SCH comprenant un transistor T, une diode D et un condensateur C. Le circuit SCH permet de réguler le générateur selon l'invention ; le transistor T est par exemple un transistor à effet de champ MOS FET en parallèle au pont à diodes DB ; ce transistor court-circuite pendant un court instant le pont de diode DB. Le transistor T de l'exemple de réalisation est commandé par un étage de modulation de largeur d'impulsion
PWM, intégré dans le régulateur de tension R qui bloque ou débloque le transistor. La fréquence de la cadence de fonctionnement du transistor T se situe dans une plage de fréquences moyennes définie par l'étage de modulation de largeur d'impulsion PWM. Cet étage de modulation de largeur d'impulsion n'est pas nécessairement intégré dans le régula teur de tension R ; il peut s'agir par exemple d'un étage séparé ou intégré à l'appareil de commande du véhicule.

D'autres commandes du transistor T sont envisageables.

La fermeture pendant un court instant du pont à diodes DE par le transistor de puissance T coupe la transmission de l'énergie du générateur G vers la batterie B. Cela permet de gonfler le générateur. L'énergie est enregistrée de manière provisoire dans les inductances du stator L1, L2, L3 du générateur. La diode D1 évite un retour de courant, avec court-circuit du réseau embarqué ou de la batterie B et sa décharge. Lorsque le transistor T se bloque, l'énergie accumulée dans les inductances du stator et libérée sous la forme de tensions induites qui s'additionnent aux tensions polaires respectives U1, U2, U3. Cela donne une tension de sortie plus élevée pour le générateur. Par une variation appropriée de la durée de conduction et de blocage on peut réguler une tension de sortie sur 42 V ; à la tension de charge de 42 V correspond une tension nominale de 36 V. Le condensateur C à la sortie du circuit SCH permet de lisser l'intensité de sortie, de forme impulsionnelle. Le circuit SCH peut être désigné comme ensemble releveur de tension du générateur.

Si la régulation du générateur par le circuit SCH doit être telle que la sortie du circuit SCH fournisse une tension très supérieure à la tension usuelle du générateur et qui correspond par exemple à 42 V, il faut alimenter le réseau usuel embarqué du véhicule par un convertisseur de tension continue DCW. Les utilisateurs du réseau embarqué qui doivent recevoir une tension plus élevée, par exemple le moyen de chauffage des vitres R4, peuvent être reliés directement à la tension 42 V par un interrupteur S1. Par contre, les utilisateurs R5 sont reliés à la tension de 12 V par un interrupteur S2. Chaque niveau de tension possède une batterie qui lui est propre ; ces batteries portent les références
B42 et B12 à la figure 1.

Dans la conception de l'ensemble du système il faut veiller à ce que le pont à diode DB convienne pour une tension de 42 V. Le générateur doit également être conçu pour qu'il puisse traiter sans difficulté une tension de sortie de 42 V. Le régulateur de tension ou l'étage de modulation de la largeur d'impulsion PWM doivent être conçus pour générer les signaux de commande nécessaires. Un système commandé par un microprocesseur peut fournir des signaux de commande ; ce système peut etre l'appareil de commande du moteur à combustion interne.

Les figures 2 et 3 montrent deux autres exemples de réalisation de l'invention ; dans ces exemples, l'enroulement de champ de même que le régulateur de tension et le second niveau de tension de la figure 1 existent également en principe. Toutefois, ces moyens ne sont pas représentés de manière détaillée. Le pont redresseur DB des deux exemples de réalisation est remplacé par un pont à commande totale comportant six commutateurs de puissance par exemple des transistors T1-T6. La diode de roue libre et la diode D1 qui fait partie du pont à commande totale est liée avec le condensateur C. Dans l'exemple de réalisation de la figure 3, la diode de roue libre est remplacée par un autre transistor
T7 qui fait également partie du pont à commande totale.

Les deux exemples de réalisation représentés aux figures 2 et 3 correspondent à deux variantes d'adaptation de tension par exemple pour un générateur à pôles à griffes pour fournir une tension de réseau embarqué plus élevé, selon la présente invention. Le fonctionnement de ces circuits se décrit comme suit
En commandant simultanément les six commutateurs de puissance ou transistors T1-T6 du circuit en pont à commande totale, on gonfle ou on amplifie le générateur G. Comme commutateurs de puissance, on utilise par exemple des transistors à effet de champ MOS (MOS FET). Pendant les périodes au cours desquelles les commutateurs de puissance T1-T6 sont conducteurs, on stocke provisoirement de l'énergie dans les inductances L1, L2, L3 du stator ; cette énergie sera libérée au cours de la période de blocage des transistors pour augmenter la tension des lignes US1, US2, US3. Le générateur G entraîné par l'arbre d'un moteur à combustion interne, en particulier dans la plage des vitesses faibles, fournit une tension plus élevée pour générer un niveau de tension de ré seau embarqué par exemple de 42 V. La diode D1 de l'exemple de réalisation de la figure 2 évite que la batterie 42 ne soit court-circuitée pendant la phase de conduction du commutateur de puissance ou des transistors T1-T7 et se décharge.

Dans l'exemple de réalisation de la figure 3, à la place d'une diode, on a un autre commutateur de puissance par exemple un transistor à effet de champ MOS (MOS FET) T7.

La commande de ce commutateur est telle que pendant la phase de conduction du transistor le montage en pont soit bloqué et que pendant la phase de blocage il soit en phase de conduction. Ce procédé correspond à un redressement synchrone. En modifiant de manière ap.propriée la durée de conduction et de blocage, par exemple en modifiant le rapport des intervalles entre les impulsions, c'est-à-dire le rapport entre la phase de conduction et la phase de blocage, on peut réguler une tension de sortie de 42 V. D'autres tensions que la tension 42 V peuvent évidemment se régler.

Le condensateur C à la sortie du releveur de tension, intégré T1-T6 et D1, T1 et T6, T7 sert à lisser la tension de sortie.

La commande des six commutateurs de puissance (transistors à effet de champ) se fait de préférence en modulation de largeur d'impulsion ; toutefois, d'autres procédés de commande sont envisageables. Comme procédé de commande on peut utiliser le principe du régime apériodique ou la modulation d'une suite d'impulsions. Comme commutateurs de puissance on peut en principe utiliser des composants déjà connus comme par exemple des transistors à effet de champ MOS FET, des transistors bipolaires à porte isolée (IGBT) ou des transistors bipolaires. Si on monte des commutateurs de puissance dans le montage en pont, il faut veiller à ce que le commutateur comporte une diode de roue libre branchée sur un montage antiparallèle. Comme cela est nécessaire dans le cas d'un transistor à effet de champ MOS, on utilise de manière préférentielle ce composant. Si comme commutateur de puissance, on utilise un composant n'ayant pas de diode à effet du substrat , il faut utiliser une diode de roue libre sous la forme d'un composant séparé.

La figure 4 montre un autre exemple de réalisation de l'invention. Dans cet exemple, le redresseur en pont du générateur comprend trois diodes D2, D3, D4 et trois transistors T8, T9, T10. Cette réalisation du pont redresseur permet à la fois un redressement et une élévation de tension par une commande appropriée des transistors. Le dispositif redresseur combine ainsi un redresseur et un élévateur de tension. Ce circuit permet de réaliser un générateur à griffes polaires dans lequel est intégré un élévateur de tension.

Par intégration de l'élévateur de tension en forme de transformateur de tension continue dans le redresseur en pont, on réduit le nombre d'éléments par rapport aux autres exemples de réalisation de l'invention. La chute de tension sur la diode D1 de l'élévateur de tension selon la figure 2 disparaît, si bien que la perte de puissance de l'exemple de réalisation de la figure 4 est inférieure à celle de l'exemple de la figure 2 ; en d'autres termes, cela améliore le rendement. Si les transistors T8, T9, T10 sont des transistors à effet de champ, on améliore encore plus le rendement car les transistors à effet de champ ont des pertes de passage plus faibles que les diodes.

Le condensateur C assure le lissage comme dans les autres exemples de réalisation, de la tension de sortie redressée fournie par le générateur. On obtient ainsi la tension de réseau UN alimentant la charge L représentant symboliquement les consommateurs branchés sur le réseau embarqué.

Claims

REVENDICATIONS 10) Moyen pour réguler un générateur notamment un alternateur à trois inductances de stator et un pont redresseur qui redresse le courant généré par les tensions polaires du rotor dans les inductances du bâti, caractérisé en ce que le pont redresseur peut être court-circuité au moins pendant un court instant par un élément de commutation dont le chemin de commutation est en parallèle au pont redresseur en forme de pont à diodes (DB), par application d'un signal de commande à la base du transistor.

20) Moyen selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de commutation est un transistor (T) notamment un transistor à effet de champ (MOS) ou un transistor bipolaire à porte isolée (IGBT) ou plus généralement un commutateur semi-conducteur.
30) Moyen selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'élément de commutation (T) reçoit un signal modulable notamment un signal à modulation de largeur d'impulsion ou un signal à rapport de travail variable (impulsion/pause) dont la fréquence se règle pour avoir une tension à la sortie du montage en pont (DB) qui soit nettement supérieure à la tension de sortie usuelle du générateur.
40) Moyen selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le rapport de travail des signaux de commande appliqués à l'élément de commutation (T) est fixé pour régler des tensions de ligne (US1, US2, US3) du générateur (G) donnant la tension plus élevée, recherchée à la sortie du montage en pont de diodes (DB).

50)Moyen selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par une diode entre le montage en pont de diodes (DB) et la prise de tension (AB), cette diode permet un passage du courant seulement du générateur vers la prise de tension.
60) Moyen selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par un condensateur (C) qui assure le lissage de la tension disponible sur la prise de tension.
70) Moyen selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pont redresseur est réalisé sous la forme d'un pont à transistors commandés (T1-T6), comprenant une diode de roue libre (D1) ou un autre transistor (T7) et permettant une fonction d'élévation de tension.
80) Moyen selon la revendication 7, caractérisé en ce que le pont à transistors (T1-T6) et le transistor (T7) sont commandés pour former une installation de synchronisation.
90) Moyen selon la revendication 1, caractérisé par un convertisseur à résonance permettant d'obtenir une fonction d'élévation de tension.
100) Moyen selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le pont redresseur comprend trois diodes (D2, D3, D4) et trois transistors commandés (T8, T9, T10), ces transistors (T8, T9, T10) étant commandés pour que le pont redresseur assure en même temps une fonction d'élévation de tension.