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Les réseaux de bord



par Jean-Claude Therace


Préliminaire

Par convention un réseau classique tel nous le connaissons est nommé « réseau 14 V » bien que la réserve d’énergie soit une batterie de « 12 V ». L’origine de cette appellation qui vous paraîtra incongrue vient du fait, qu’en fonctionnement réel, la tension du circuit de charge et de réseau est de 13,8 V limité à 14 V. C’est donc la tension de fonctionnement qui est prise en compte (comme tous les réseaux électriques connus).

On entend par « réseau de bord » l’alimentation en énergie du réseau câblé de nos automobiles.

Le réseau de bord d’un véhicule automobile se compose essentiellement d’une réserve d’énergie …..la batterie d’accumulateurs, un fournisseur d’énergie…..l’alternateur et de consommateurs ou récepteurs d’énergie (système électronique ou électrique).

L’énergie fournie par la batterie va d’abord servir à lancer le moteur et à réguler la marche de celui-ci en fonction des paramètres de fonctionnement par l’assistance de ses calculateurs de gestion électronique. Durant le fonctionnement du moteur, l’alternateur (convertisseur d’énergie) fournit en fonction d’une régulation, pilotée conformément à la consommation et en temps réel, de l’énergie disponible directement et de l’énergie en retour sur le stockage (batterie).

La batterie, l’alternateur et les récepteurs consommateurs doivent être choisis de façon à obtenir un bilan de recharge de la batterie permettant :

- au moteur à combustion de pouvoir être mis en marche en toutes circonstances,

- l’utilisation des récepteurs électriques en marche et à l’arrêt durant une période raisonnable.

Il convient à cet égard, de prendre aussi en compte les aspects suivants :

- La température limite de démarrage ; la température la plus basse à laquelle le moteur peut encore être démarré et ceci dépendant principalement de la batterie,

- Le débit de l’alternateur. Celui-ci va dépendre du régime.

Quand le moteur tourne au ralenti, l’alternateur ne peut fournir qu’une partie de son courant nominal pour les rapports de démultiplication usuels entre le vilebrequin et l’alternateur (de 1 :2 à 1 :3). Le courant nominal est obtenu, par définition, pour une vitesse de rotation de l’alternateur de 6.000 1/min.

Quand le courant absorbé par les récepteurs est supérieur à celui débité par l’alternateur (comme c’est le cas au ralenti, la batterie doit compenser. La tension du réseau tombe alors au niveau de la tension de la batterie en charge. Si le courant absorbé par les récepteurs est inférieur au débit de l’alternateur, une partie (la différence) sert à recharger la batterie. Pour un véhicule en marche, le courant débité par l’alternateur et/ou la ponction faite à la batterie dépendront du type d’utilisation du véhicule ; du plus favorable qu’est la circulation de jour, par température modérée, sur autoroute, au plus défavorable qu’est la circulation le soir, aux heures de pointes, en agglomération par temps froid et pluie.

La puissance absorbée par les récepteurs n’est pas constante, elle est particulièrement importante dans les minutes qui suivent le démarrage….elle diminue ensuite fortement. Les systèmes de dégivrages actuels absorbent jusqu’à 2 KW dans les 1 à 3 minutes qui suivent le démarrage. Les pompes à air secondaire, qui permettent la post-combustion des gaz d’échappement, fonctionnent dans certains cas pendant plus de trois secondes après le démarrage du moteur. A la différence des calculateurs électroniques (Motronic…….) certains récepteurs comme : le chauffage des sièges, les rétroviseurs, le ventilateur de confort, ….restent en circuit pendant une durée plus ou moins importantes selon les besoins.

La température de l’électrolyte est la première importance sur les possibilités de fourniture de courant par la batterie. La température de travail se situe entre -30°C et 70°C. Le froid ralenti les réactions chimiques à l’intérieur de la batterie. Le risque de gel de l’électrolyte est d’autant plus grand que la décharge de la batterie est importante. En cas de différence de température importante entre l’alternateur et l’électrolyte de la batterie, il est préférable de mesurer la température nécessaire à la régulation de la tension directement sur la batterie en utilisant comme valeur effective la tension réelle directement présente aux bornes de la batterie.

Le type de câblage entre l’alternateur, la batterie et les récepteurs influe sur le niveau de tension et donc sur l’état de charge de la batterie. Si tous les récepteurs sont raccordés côté batterie le courant circulant dans le câble de charge sera la somme de :

I Batterie + I Récepteurs
La tension de charge sera plus faible en raison de la chute de tension importante. En revanche, si tous les récepteurs sont raccordés côté alternateur, la chute de tension est plus faible et la tension de charge sera plus élevée.

Les récepteurs sensibles aux pointes et/ou les ondulations de tension (composants électroniques peuvent être désavantagés. Il est donc recommandé de connecter à l’alternateur les récepteurs insensibles aux variations de tension et grands consommateurs de courant, et à la batterie, les récepteurs sensibles aux variations de tension et qui consomment peu de courant. Ces dernières remarques sont importantes pour les montages d’accessoires et le Tuning. La section des câblages a aussi une grande importance ; une densité de courant de 5A/mm² est un maximum à ne pas atteindre.


Évolution

La batterie du réseau de bord de 14 V des véhicules de série constitue un compromis entre des exigences partiellement contradictoires : elle doit être dimensionnée tant pour le démarrage que pour l’alimentation du réseau de bord.

Au démarrage, la batterie doit être prête à produire des courants élevés (200 A à 500 A ). La chute de tension qui en résulte a des effets négatifs sur certains récepteurs électriques (p/ex, sur les appareils dotés de microcontrôleurs) et doit donc rester aussi faible que possible. Pendant la marche, les courants atteignent en revanche une faible intensité et sollicitent uniquement la capacité de la batterie. Avec la présence d’une seule batterie, ces deux caractéristiques ne sont que difficilement conciliables.


Les réseaux de bords à deux batteries

(une batterie de démarrage et une autre d’alimentation)Ils permettent de réaliser une séparation des fonctions. Cela permet d’éviter toute chute de tension dans le réseau de bord au moment du démarrage et d’assurer des démarrages certains par très grands froids.

Un calculateur d’un réseau de bord à deux batteries sépare la batterie de démarrage et son démarreur du reste du réseau électrique. Quand le véhicule est à l’arrêt, il empêche toute décharge de la batterie de démarrage par les récepteurs en circuit et par les récepteurs utilisables « contact coupé ».

Batterie de démarrage : cette batterie doit fournir un courant élevé pendant un temps limité au démarrage. Pouvant être compacte elle peut être à proximité du démarreur et être relié à celui-ci par un câble de jonction court. Sa capacité sera ainsi réduite.

Batterie d’alimentation : la batterie d’alimentation sera exclusivement réservée au réseau de bord (sans démarreur) elle va fournir un courant relativement faible (± 20 A) mais présente une très bonne tenue aux cycles alternés ; autrement dit elle est en mesure, pour autant qu’elle présente une capacité suffisante et la profondeur de décharge requise, de mettre à disposition et d’accumuler de grandes quantités d’énergie. Les principaux critères de dimensionnement sont la réserve de capacité destinés aux récepteurs en circuit (p/ex ! feux de stationnement, feux de détresse).


Réseau de bord 42 V

De nombreux constructeurs s’efforcent, pour améliorer le rendement, d’optimiser les consommations générales de leurs véhicules et de se concentrer sur les consommations de la globalité du véhicule. L’une des solutions pratiquée est de remplacer les récepteurs hydrauliques par des récepteurs électriques comme par exemple, déjà pour la direction assistée, où un moteur électrique a fait son apparition depuis quelques années. Ce moteur ne consommera que quand la direction est sollicitée.

Les renforcements en matière de sécurité, de confort et d’économie se traduit par l’utilisation de plus en plus importante de récepteurs/consommateur électrique. Dans les années à venir la puissance maximale requise va dépasser la barre des 10 KW ce qui correspond à prés de 5 fois la valeur actuelle. Les réseaux traditionnels à 14 V seront incapables de satisfaire à de tels besoins d’électricité et de maîtriser de telles puissances. Consciente de ce problème la fédération allemande des constructeurs d’automobiles (VDA) à décidé, en concertation avec les sous-traitants, les universités et les commissions internationales, de porter dans un proche avenir à 42 V la tension des réseaux d’alimentation des véhicules automobiles.

Le réseau de bord à double tension (14 V et 42 V) constitue la première étape du passage à une tension de bords plus élevée. Il est possible de conserver des composants peu onéreux de 14V. Dans ce type de réseau, l’alternateur alimente directement les récepteurs de forte puissance en 42 V. Les autres récepteurs électriques sont raccordés à la partie 14 V via un convertisseur continu/continu. En dimensionnant correctement les éléments, le poids cumulé des batteries distinctes utilisées pour les deux réseaux dépassera à peine celui d’une batterie traditionnelle.

Un gestionnaire d’énergie EMM coordonne pendant la marche l’interaction entre l’alternateur, le convertisseur de tension, les batteries et les récepteurs électriques. Ce gestionnaire décide de l’approvisionnement énergétique de tous les systèmes embarqués.

Pour de nombreux constructeurs, ce réseau à double tension n’est qu’une solution transitoire avant le passage à un réseau de bord fonctionnant exclusivement en 42 V.


L’alterno-démarreur

(Source : Fondation Bosch)

Un retour aux sources (Voir Dynastar) ; Les alterno-démarreurs constituent pour les réseaux électriques 42 V à besoin énergétique élevés, une alternative intéressante au système actuel à alternateur et démarreur séparés ; ils sont à la fois générateur et récepteur d’énergie électrique.

L’alterno-démarreur de vilebrequin (ou alterno-démarreur intégré) se présente sous la forme d’un moteur électrique asynchrone à excitation permanente intercalé entre le moteur à combustion et la boîte de vitesses.

Lorsque la voiture se déplace, l’alterno-démarreur produit une énergie électrique. Son rendement élevé contribue à réduire de prés de 0,5% la consommation de carburant. Un gain total de l’ordre de 4 à 6% est même réalisable lorsque l’alterno-démarreur est assorti d’une fonctionnalité « Stop & Go ».

Lors des phases de freinage, du véhicule et de frein/coupure moteur, l’alternateur peut convertir l’énergie cinétique résiduelle en énergie électrique (freinage récupératif)

THERACE Jean-Claude 04/2008

(© Jean-Claude Therace)
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Sommaire

Idée & conception © 1999-2011 van Damme Stéphane.


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