Procédé de commande du couplage d'un alternateur d'un véhicule

La présente invention revendique la priorité de la demande française 0654529 déposée le 25/10/2006 dont le contenu (description, revendications et dessins) est incorporé ici par référence.

La présente invention concerne un procédé de commande du couplage ou du découplage d'un alternateur avec le vilebrequin d'un moteur thermique. De façon classique, l'arbre de rotation d'un alternateur (arbre de rotation qui fait partie du rotor de l'alternateur) de véhicule automobile est muni à son extrémité d'une poulie, laquelle est mise en rotation à l'aide d'une courroie d'entraînement, elle-même reliée à une poulie solidaire du vilebrequin du moteur. Dès la mise en marche du moteur, la courroie entraîne l'alternateur, lequel génère un courant électrique utilisé pour recharger un ou des dispositifs de stockage (batteries, supercondensateurs...) du véhicule et pour alimenter différents équipements consommateurs d'énergie électrique.

Certains véhicules sont actuellement équipés d'un alternateur réversible qui peut fonctionner en moteur électrique. L'alternateur réversible (rotor et stator) est alimenté en courant électrique à l'aide de la batterie, ce qui met en rotation le rotor et donc la poulie fixée à l'arbre du rotor, laquelle entraîne la courroie et le vilebrequin. L'énergie mécanique fournie par l'alternateur peut être utilisée pour démarrer le moteur thermique, par exemple dans un système d'arrêt et de redémarrage automatique du moteur (système « Stop & Start ») ou pour fournir un couple supplémentaire au moteur thermique.

Lorsque le dispositif de stockage d'énergie électrique (batterie, supercondensateur...) est suffisamment chargé, l'alternateur peut être coupé, c'est-à-dire qu'il ne génère plus de courant électrique. Les consommateurs électriques du véhicule sont alors alimentés directement par l'organe de stockage.

L'inconvénient principal des systèmes existants vient du fait que l'alternateur est relié en permanence au vilebrequin du moteur, même lorsque l'alternateur ne débite pas de courant, ce qui engendre des pertes mécaniques liées aux paliers de l'alternateur et à son système de refroidissement tel qu'un ventilateur et une usure inutile de l'alternateur.

Des dispositifs de découplage de l'arbre de rotation d'un alternateur avec le vilebrequin d'un moteur ont déjà été proposés. Par exemple, le brevet EP 0 980 479 B1 décrit un tel dispositif composé d'un système à ressort et à embrayage unidirectionnel interposé entre l'arbre et la poulie de l'alternateur. Le ressort et l'embrayage unidirectionnel sont reliés en série. Le ressort transmet le mouvement de rotation de la poulie à l'arbre de l'alternateur, la poulie et l'arbre tournant dans le même sens, en permettant de petits mouvements de rotation de l'arbre en sens inverse du mouvement de la poulie. L'embrayage unidirectionnel permet à l'arbre de l'alternateur de tourner à une vitesse de rotation supérieure à celle de la poulie lorsque la vitesse de rotation du vilebrequin diminue. Le but de ce système est d'éviter que les brusques variations de régime du moteur se répercutent sur l'alternateur, ce qui provoquerait un glissement de la courroie sur la poulie de l'alternateur et donc l'usure ou même la casse de la courroie. On notera que l'embrayage est unidirectionnel : il permet le découplage de l'arbre de rotation de l'alternateur avec la poulie uniquement pour permettre une vitesse de rotation de l'arbre supérieure à celle de la poulie.

La demande de brevet FR 2 727 902 décrit un dispositif pour la climatisation d'un véhicule. Lorsque le moteur thermique du véhicule est à l'arrêt, l'alternateur (réversible) est découplé du vilebrequin du moteur et le compresseur de climatisation est actionné par l'alternateur réversible fonctionnant en moteur électrique. Le découplage de l'alternateur est réalisé à l'aide d'une roue libre interposée entre le vilebrequin et la poulie du vilebrequin. Ce découplage ne se produit que lorsque le moteur thermique est à l'arrêt.

La demande de brevet EP 0 441 212 A2 concerne un dispositif de charge d'une batterie connectée à un alternateur entraîné par le vilebrequin

d'un moteur, à l'aide d'un système à deux poulies reliées par une courroie.

Selon un mode de réalisation, l'une des deux poulies est du type électromagnétique, ce qui permet d'optimiser la charge de la batterie en découplant l'alternateur du vilebrequin lorsque la batterie est chargée. Bien que les documents cités précédemment permettent un découplage de l'alternateur avec le vilebrequin du moteur, ils ne concernent pas le problème de la diminution de consommation en carburant du moteur. La présente invention propose un procédé permettant de réduire la consommation du moteur thermique d'un véhicule en découplant l'arbre de rotation de l'alternateur avec le vilebrequin du moteur lors de certaines phases de fonctionnement.

De façon plus précise, l'invention concerne un procédé de commande du couplage d'un alternateur avec un moteur thermique d'un véhicule, l'alternateur étant destiné à alimenter en courant électrique au moins un appareil consommateur de courant et des moyens de stockage d'énergie électrique, l'alternateur et le moteur étant généralement couplés et le couplage étant réalisé par un dispositif de couplage/découplage.

Le procédé consiste à détecter des situations dites « de repos » pour lesquelles le fonctionnement de l'alternateur est inutile et, si au moins l'une des situations de repos est détectée, découpler l'alternateur du moteur thermique afin de diminuer les pertes énergétiques engendrées par le fonctionnement de l'alternateur.

Des situations dites « de fonctionnement » pour lesquelles le fonctionnement de l'alternateur est utile peuvent en outre être détectées et, si au moins l'une des situations de fonctionnement est détectée, le couplage de l'alternateur au moteur thermique est maintenu de sorte que l'alternateur fournisse de l'énergie.

Les situations de fonctionnement comprennent au moins l'une des circonstances suivantes pour lesquelles l'alternateur fournit du courant électrique audit appareil et/ou aux moyens de stockage :

- la charge des moyens de stockage est inférieure à un seuil prédéterminé ;

- la charge des moyens de stockage n'est pas suffisante pour alimenter en énergie électrique le ou les appareil(s) ;

Si l'on souhaite également récupérer de l'énergie cinétique lors des phases de décélération du véhicule, l'alternateur doit aussi être couplé dans les situations suivantes :

- le véhicule est en phase de décélération ; et

- le véhicule est en phase de freinage.

Les situations de repos comprennent au moins l'une des circonstances suivantes pour lesquelles l'alternateur est découplé du moteur thermique : - le véhicule est en phase d'accélération ;

- la consommation en carburant du véhicule excède un seuil de consommation prédéterminé ;

- les moyens de stockage de l'énergie électrique sont dans un état de charge élevé supérieur à un certain seuil ; et - il existe un besoin de limiter la puissance mécanique fournie par le moteur thermique.

Lorsque l'alternateur est du type réversible, les situations de fonctionnement comprennent l'une des circonstances suivantes pour lesquelles l'alternateur est alimenté par les moyens de stockage et fournit de l'énergie mécanique au moteur thermique :

- démarrage du moteur thermique à l'aide de l'alternateur ; et

- apport d'un complément de couple au moteur thermique.

L'alternateur peut avantageusement être piloté de façon à moduler la puissance générée par l'alternateur.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés et sur lesquels : - la figure 1 représente l'architecture d'un système minimal de génération et de stockage d'énergie électrique d'un véhicule automobile ;

- les figures 2 et 3 illustrent le fonctionnement selon l'invention d'un système de génération et de stockage d'énergie électrique du type « microhybride », l'alternateur étant respectivement couplé et découplé du moteur thermique. Sur la figure 1 , un moteur thermique 10 est couplé à un alternateur

12 par l'intermédiaire d'un dispositif de couplage/découplage 14. L'alternateur alimente en courant électrique des moyens de stockage 16 d'énergie électrique, tels qu'une batterie ou un supercondensateur (condensateur de capacité importante), et différents appareils 18 consommateurs d'énergie électrique, tels que par exemples les essuie- glaces et les phares du véhicule. Le moteur est couplé à l'alternateur par un système à courroie d'entraînement reliant deux poulies, l'une fixée au vilebrequin du moteur thermique et l'autre à l'arbre de rotation du rotor de l'alternateur. Ce dernier peut être piloté de façon à ajuster la tension de régulation en fonction des besoins. Il peut également être réversible, c'est-à- dire, en plus de son fonctionnement en générateur de courant, être alimenté en courant électrique par les moyens de stockage d'énergie et fonctionner ainsi en moteur électrique fournissant de l'énergie mécanique.

L'alternateur est généralement couplé au moteur thermique. Selon l'invention, l'alternateur est découplé du moteur thermique à l'aide du dispositif de couplage/découplage 14 lorsque le fonctionnement de l'alternateur n'est pas utile. A l'aide de capteurs (non représentés), des situations dites « de repos » sont détectées, situations pour lesquelles le fonctionnement de l'alternateur n'est pas utile. Lorsqu'une (ou plusieurs) de ces situations est (sont) détectée(s), l'alternateur est découplé du moteur thermique. Il est possible, en outre, de détecter des situations dites « de fonctionnement » pour lesquelles le fonctionnement de l'alternateur est utile ou même nécessaire. Lorsqu'une telle situation est détectée, on s'assure que l'alternateur est bien couplé au moteur thermique, si nécessaire en basculant le dispositif de couplage/découplage de la position découplée à la position couplée.

Dans les situations de repos, l'alternateur est coupé électriquement (il ne débite aucun courant) et il est également découplé mécaniquement du moteur thermique afin de limiter les pertes liées à un entraînement inutile du rotor de l'alternateur. Pendant ces situations de repos, les appareils électriques 18 sont alimentés par les moyens de stockage 16 d'énergie électrique.

Ces situations peuvent correspondre à une situation où le coût de l'énergie générée est important (par exemple en phase d'accélération du véhicule ou en cas de consommation de carburant excédant un seuil prédéterminé de consommation), à un état de charge des moyens de stockage d'énergie électrique élevé justifiant une décharge de ces moyens ou encore à un besoin de limiter la puissance mécanique prélevée au niveau du moteur thermique.

Dans les situations de fonctionnement, l'alternateur est couplé au moteur et il débite un courant permettant d'alimenter les appareils consommateurs d'énergie électrique et éventuellement de recharger les moyens de stockage d'énergie électrique. Le niveau de puissance généré peut varier suivant que l'on souhaite uniquement alimenter les appareils électriques en conservant l'état de charge des moyens de stockage stable, ou que l'on souhaite également recharger les moyens de stockage.

Les situations de fonctionnement correspondent généralement à des états de charge des moyens de stockage d'énergie électrique faibles (niveau de charge inférieur à un seuil prédéterminé ou jugé non suffisante pour alimenter les appareils électriques), ou à des situations où la génération d'énergie électrique est jugée « rentable » (en phase de récupération d'énergie, par exemple en phase de décélération avec le pied du conducteur relevé de la pédale d'accélérateur ou en phase de freinage).

De plus, si l'alternateur peut être piloté, la puissance générée par l'alternateur peut être modulée et idéalement maximisée lorsque l'on se trouve dans une situation où le coût de l'énergie est faible (par exemple en

cas de freinage du véhicule) ou en cas de besoin important d'énergie électrique (par exemple, niveau bas des moyens de stockage).

Si l'alternateur est réversible, des situations de fonctionnement supplémentaires peuvent être envisagées. Ainsi, en phase de démarrage du moteur thermique, l'alternateur réversible entraîne le moteur thermique pour le démarrer. L'alternateur est alors couplé au moteur via la courroie de transmission. De plus, en cas d'un besoin d'assistance à la traction, l'alternateur peut fonctionner en mode moteur mécanique et apporter un complément de couple au moteur thermique. Dans cette situation de fonctionnement, l'alternateur est également couplé au moteur thermique via la courroie.

Les figures 2 et 3 concernent plus particulièrement le fonctionnement d'un système « micro-hybride » avec un alternateur réversible 20 entraîné par un moteur thermique 22 à l'aide d'une courroie 24. Un système micro- hybride est un système intermédiaire entre un système uniquement « Stop & Start » et un système hybride, lequel peut fonctionner alternativement en mode moteur thermique et en mode moteur électrique. Le système comporte des premiers et des deuxièmes moyens de stockage d'énergie électrique, respectivement 26 et 28, séparés par un convertisseur de courant 30 du type continu/continu. Un ou plusieurs appareil(s) électrique(s) 32 est (sont) alimenté(s) en courant électrique par l'alternateur 20 ou par les moyens de stockage 26 et/ou 28.

Le couplage ou découplage de l'alternateur au moteur thermique 22 est réalisé par un dispositif de couplage/découplage 34. Ce dispositif peut prendre différentes formes, par exemples :

- un système à embrayage électromagnétique intégré à la poulie de l'alternateur (par exemple un embrayage du type de ceux équipant traditionnellement les compresseurs de climatisation). L'embrayage pourra être mono-disque ou multi-disques en fonction de l'encombrement disponible et du couple à transmettre du moteur à l'alternateur, et inversement. Le

disque peut par exemple être fixé à l'extrémité de l'arbre de rotation de l'alternateur et être déplacé à l'aide de bobines électromagnétiques pour venir s'appuyer fermement sur la poulie ou au contraire pour s'en éloigner.

- un système de roues libres dont l'une au moins est pilotée. Dans ce type de système, une roue est fixée à l'arbre de rotation de l'alternateur, entre cet arbre et la poulie d'entraînement. En se déplaçant dans des logements, des billes, rouleaux ou galets permettent de solidariser la roue avec la poulie de l'alternateur.

- un système d'indexage (crabotage) ou à base de train épicycloïdal. De façon générale, le dispositif de couplage/découplage est situé entre l'arbre de rotation de l'alternateur et le vilebrequin du moteur thermique. Il peut par exemple être localisé entre l'arbre de rotation de l'alternateur et la poulie de l'alternateur de façon à pouvoir coupler ou découpler cet arbre et cette poulie. Il peut aussi être localisé à la sortie du vilebrequin, entre le vilebrequin et la poulie du vilebrequin, l'essentiel étant de pouvoir coupler ou découpler l'axe de rotation de l'alternateur et le vilebrequin et, plus généralement, l'alternateur et le moteur thermique.

Dans le mode de fonctionnement représenté sur la figure 2, le dispositif 34 de couplage/découplage est fermé, c'est-à-dire que l'alternateur 20 est couplé au moteur thermique 22. La puissance générée par l'alternateur 20 sert à alimenter le ou appareil(s) électrique(s) 32 par l'intermédiaire du convertisseur de courant 30 et à recharger les moyens de stockage d'énergie électrique 26 et 28. C'est ce qui est symbolisé sur la figure 2 par les flèches en pointillés. Dans le cas de fonctionnement illustré sur la figure 3, le dispositif de couplage/découplage 34 est ouvert, c'est-à-dire que l'alternateur 20 est découplé du moteur thermique 22. L'alternateur ne tourne plus, de façon à limiter les pertes d'énergie. Les appareils électriques 32 et, si nécessaire, les deuxièmes moyens de stockage 28 (si leur charge est en dessous d'un certain seuil prédéterminé) sont alimentés par les premiers moyens de

stockage 26 via le convertisseur de courant 30. Les flèches en pointillés symbolisent ce mode de fonctionnement.

La commande du découplage de l'alternateur selon le procédé de l'invention permet de réduire de façon significative les pertes d'énergie dues à un fonctionnement non contrôlé de l'alternateur et de réduire la pollution.

D'autres modes de réalisation que ceux décrits et représentés peuvent être conçus par l'homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention.