Technique : l'alternateur

Technique : l'alternateur

Guillaume Darding - 07 janvier 2021

L'électricité est une source d'énergie indispensable pour le bon fonctionnement d'une automobile. Outre le démarreur, les différents calculateurs (gestion du moteur, aides à la conduite, etc.), l'éclairage et les accessoires de confort (systèmes multimédias, sièges chauffants, etc.) utilisent cette source d'énergie. A cet effet, l'alternateur joue un rôle primordial pour produire de l'éléctricité.

Alternateur - moteur à combustion automobile

Rôle et principe de fonctionnement

Le rôle de l'alternateur est de convertir de l'énergie mécanique (fournie par le moteur à combustion) en énergie électrique. L'électricité ainsi produite est utilisée de différentes manières selon les conditions de conduite :

  • à vitesse stabilisée ou au ralenti, l'alternateur alimente directement les consommateurs d'électricité (et recharge la batterie si son niveau de charge est très faible)
  • lors des décélérations, l'alternateur continue d'alimenter directement les consommateurs d'électricité et recharge la batterie
  • en cas de forte accélération, l'alternateur ne produit plus d'électricité afin d'éviter une surcharge de courant. La batterie fournit alors l'énergie nécessaire pour alimenter les composants électriques

Composants alternateur automobile

Le rotor de l'alternateur est entraîné par le moteur à l'aide d'une courroie. Généralement, il tourne 2 à 3 fois plus vite que le vilebrequin grâce à la démultiplication induite par le diamètre de la poulie d'entrainement.

Le rotor prend la forme d'un axe métallique entouré d'une bobine alimentée par un courant électrique (principe de l'électroaimant). Cela permet de générer un champ magnétique. Ce champ va exciter les pôles (généralement au nombre de 12) du stator (lui-aussi bobiné), ce qui génère un courant électrique.

Courant alternatif / courant continu

Le courant généré par l'alternateur est un courant alternatif triphasé. Or, la batterie et les accessoires fonctionnent en courant continu. Il faut donc utiliser un pont de diodes pour rectifier le courant et transformer le courant alternatif de l'alternateur en courant continu.

Principe du pont de diodes

Une diode est un composant électronique qui ne laisse passer le courant que dans un sens. Si une diode était utilisée seule, elle bloquerait le courant lorsque celui-ci est dans le sens inverse. Pour éviter ce phénomène et redresser le courant lorsqu'il est négatif, un pont de diodes est nécessaire.

Dans le cas d'un courant monophasé, 4 diodes sont nécessaires. Dans le cas de l'alternateur qui fonctionne en triphasé, 6 diodes sont nécessaires au minimum pour redresser le courant.

Rectification de la tension - alternateur triphasé

Régulateur

La tension générée dans l'alternateur augmente lorsque la vitesse de rotation du moteur augmente. Si la tension en sortie de l'arternateur n'est pas régulée, elle est susceptible d'endommager la batterie et les autres consommateurs. A cet effet, le régulateur, qui est un circuit intégré) va diminuer le courant d'alimentation du rotor afin de diminuer le champ magnétique produit par celui-ci.

Ainsi, la puissance délivrée par l'alternateur diminue lorsque cela est nécessaire afin de préserver la batterie et les composants électriques. La puissance optimale est déterminée par le calculateur moteur en fonction de l'état de charge de la batterie et de la consommation électrique des autres équipements.

Alternateur automobile

Poulies d'alternateur

Il existe 3 différents types de poulies d'alternateur :

  • poulies rigides
  • poulies débrayables (OAP - Overrunning Alternator Pulley)
  • poulies débrayables + découpleur (OAD - Overrunning Alternator Decoupler)

Les poulies débrayables ont été développées dans le but de limiter les vibrations de la courroie accessoires à bas régime alors que les moteurs ont tendance à tourner de moins en moins vite (diminution du régime de ralenti et généralisation de la suralimentation permettant d'exploiter le moteur à des régimes beaucoup plus faibles). 

Vibration - déplacement du galet tendeur - courroie accessoires alternateur - poulies débrayables OAP et OAD

Le mode de fonctionnement d'une poulie débrayable est similaire au fonctionnement d'une roue libre de vélo (le moteur étant assimilé aux manivelles et l'alternateur à la roue arrière) : lorsque le vilebrequin tourne, la poulie de l'alternateur entraîne ce dernier.

Lorsque le vilebrequin s'arrête, l'alternateur peut tourner librement sur sa lancée tandis que la courroie d'accessoires est à l'arrêt. Cette technique permet de diminuer significativement les variations de tension de la courroie : le bruit s'en trouve réduit tout en augmentant la durée de vie de la courroie et en diminuant lègèrement la consommation de carburant.

Acyclisme courroie accessoires alternateur - diminution grâce aux poulies débrayables OAP et OAD

L'utilisation de cette technologie est d'autant plus importante sur les moteurs à 3 cylindres où les irrégularités de vitesse de rotation du vilebrequin sont plus marquées (Peugeot 1.2 Puretech, Ford 1.0 Ecoboost) ainsi que pour les moteurs équipés de systèmes de désactivation des cylindres.

Poulies débrayables alternateur OAP - Overrunning Alternator Pulley - et OAD - Overrunning Alternator Decoupler

Par rapport à une poulie débrayable OAP, les poulies d'alternateur OAD sont équipées d'un ressort de torsion qui permet d'absorber les vibrations dans les 2 sens de rotation. La raideur du ressort est spécifique à chaque moteur et elle est dimensionnée en fonction, principalement, de l'acyclisme du moteur, du nombre de cylindres et de la cylindrée.

Refroidissement

Un alternateur est généralement refroidi par air (circulation naturelle de l'air autour du composant + convection forcée à l'aide d'un ventilateur en cas de forte demande). Toutefois, certains alternateurs peuvent être refroidis par eau (via une dérivation du liquide de refroidissement moteur).

Alternateur refroidi par eau / Continental

En ayant une gestion plus fine de la température de l'alternateur, il est alors possible de proposer des puissances plus importantes dans le même encombrement, ce qui est un avantage à l'heure où les consommateurs électriques sont toujours plus nombreux dans le véhicules (systèmes de conduite autonome, systèmes multimédias et écrans, sièges et volants chauffants, etc.).

Cette technologie permet de réduire le recours au ventilateur, ce qui induit une réduction de la charge sur le moteur (d'où une dimininution de la consommation de carburant) et une réduction du bruit. D'autre part, lors d'un démarrage par temps froid, le liquide de refroidissement est plus vite à température et permet de chauffer l'habitacle presque instantanément car l'alternateur chauffe beaucoup plus rapidement que le bloc moteur.

Alternateur refroidi par eau en coupe / BMW

Tension de fonctionnement

Avant la généralisation des systèmes start/stop, les alternateurs fonctionnaient à une tension constante. Désormais, les alternateurs dits intelligents sont devenus la norme et leur tension varie en fonction des besoins en électricité du véhicule et des phases de conduite : ce principe permet de diminuer la charge exercée sur le moteur et de réduire sensiblement la consommation de carburant.

Tension alternateur et charge de la batterie

Moteur éteint (A), la tension de l'alternateur est similaire à la tension de la batterie. En règle générale, le niveau de charge de la batterie est de l'ordre de 80%. Une fois le moteur démarré (B), la tension de l'alternateur augmente pour atteindre jusqu'à 15V afin de recharger la batterie jusqu'à un niveau de charge de 80%. Ensuite, la tension est réduite à la tension nominale de la batterie (C) ou à un niveau juste supérieur : soit la batterie n'est pas rechargée, soit elle se recharge lentement pour prolonger sa durée de vie.

Lors d'une freinage (D), la tension de l'alternateur est augmentée afin de recharger la batterie. Durant cette phase, le niveau de charge de la batterie peut atteindre 100%. En cas de forte accélération (E), la tension de l'alternateur peut être réduite afin de soulager la charge moteur : c'est la batterie qui alimente le véhicule en électricité.

Les 10 derniers commentaires sur le sujet (voir les 19 commentaires):

22 décembre 2021 à 15h41

Bonjour, mon alternateur de moteur marin débite 15,5, cequi est trop et personne ne trouve une solution pour faire baisser cette tension, il s'agit d'un moteur lombardini, mecano comme éléctricien ne trouvent de solution.

22 décembre 2021 à 15h44

ension de sortie monte avec le régime et atteint plus de 15 volts

22 décembre 2021 à 15h46

l'alternateur est neuf , de 120ampères, devrait débiter 14.5 volts maxi
didou60200

22 décembre 2021 à 16h09

@ bonnot : pourquoi ne montent ils pas un régulateur externe ?
Guillaume Darding [administrateur]

23 décembre 2021 à 17h24

Bonjour Bernard, si cela est possible et comme le suggère Didou, il faut regarder au niveau du régulateur, qu'il remplace l'existant ou par un supplémentaire qui permettrait de contrôler la tension à celle voulue.
pjmdur

26 décembre 2021 à 22h40

Bonjour,

Je rebondis sur cet article en ajoutant que sur les moteurs actuels, la plupart comme indiqué dans le commentaire font varier la tension, et partant la charge, pour gagner quelques pouillèmes de centilitres de carburant.
C'est à dire que la tension peut passer à vitesse moteur établi de 12,5V à 15V lors des freinages. La charge ne se fait qu'à ce moment.
Tout irait très bien si ce système qui fait gagner un peu de consommation, ne fonctionnait correctement que batterie neuve, et principalement lors des tests d'homologation.
Le problème est que nombre e constructeurs utilisent une techno de batterie EFB moins chère qui se dégrade assez rapidement; d'où une hécatombe de batteries mentionnées dans la presse. Je pense à Renault et Nissan par exemple où nombre de batteries tiennent moins de deux ans sous certaines conditions d'utilisation. Histoires vécues sur ces deux marques.
PSA, comme j'ai pu le constater, a réglé le problème en détectant la dégradation de la batterie, ce qui fait passer le système en charge max permanente à 15V, ce qui n'est pas très bon non plus pour sa longévité.
En corollaire, le bénéfice de l'économie de carburant est perdu dans la foulée.
Ce mode de fonctionnement ne fonctionne correctement qu'avec une techno AGM adaptée à ces variations de tensions et chocs de recharges. Tous les constructeurs de batterie le mentionnent.
Bref, pour gagner 4 sous nombre de constructeurs font payer par l'utilisateur le modeste avantage de consommation réalisés lors des tests.
Guillaume Darding [administrateur]

08 janvier 2022 à 21h45

Bonjour pjmdur, merci pour votre retour d'expérience.
Je profite de ce commentaire pour vous souhaiter une bonne année et vous remercier pour votre fidélité !

Il est vrai que les batteries EFB ne peuvent pas soutenir la comparaison par rapport aux batteries de type AGM en matière de durée de vie (une batterie AGM a une durée de vie quasi doublée par rapport à une batterie EFB) et de cyclage. Toutefois, les batteries EFB sont elles-aussi bien plus performantes qu'une batterie classique (elles supportent 4x plus de démarrage en moyenne).

En fait, depuis que les systèmes start/stop sont généralisés, les moteurs effectuent bien plus de redémarrages, ce qui conduit a une détérioration plus rapide de la batterie.

Néanmoins, tous les conducteurs ne sont pas touchés, notamment ceux dont le dispositif ne s'active que rarement (car il fait trop froid ou trop chaud ou parce que le véhicule ne fait que des courts trajets par exemple). Cela explique pourquoi, dans certains cas, les conducteurs doivent changer plus qu'à l'accoutumée leur batterie...
REMAT

19 avril 2022 à 02h40

BIEN NETTTT ZIIIII
pjmdur

03 juin 2022 à 09h28

Bonjour,
En fait, ce qu'il faut savoir est qu'une batterie EFB montée chez les constructeurs français est renforcée pour la fonction S&S. Elles doivent pour fonctionner correctement sans dégradation rapide, être chargée comme pour un véhicule sans cette prestation, à 14,4V permanent. Dans ce cas, la tension de régulation est stable et tout va bien.
C'est d'ailleurs le cas sur les PHEV PSA. Le fonctionnement avec de nombreux arrêts/marches est assez identique au S&S.
Là où la situation se dégrade concerne les alternateurs à tension variables étudiés pour faire gagner un peu de carburant. En palier, la tension est de 12,5V environ et lors des freinages/lever de pied, le système passe à 15V pour recharger la batterie.
Le problème est que les batteries EFB ne sont pas conçues pour être sous voltées sur de longues périodes d'utilisation. L'avantage de départ de diminution de conso de carburant se perd avec la dégradation de la batterie incapable de se recharger ponctuellement. La dégradation peut aller jusqu'à un mécanisme extrême de sulfatation.
C'est ce que j'ai constaté sur une Renault et une Nissan avec une durée de vie inférieure à deux ans dans certains cas.
En fonction des régions, et plus particulièrement sur des routes avec de longues distances à vitesse constante comme en Gironde ou Landes, la batterie ne se charge plus. Le problème semble plus prégnant sur les moteurs essence probablement plus grands consommateurs d'électricité.
SébastienS

13 septembre 2022 à 23h56

Bonjour,
Article très intéressant, riche et complet qui permet de bien comprendre le fonctionnement de l'alternateur selon la technologie embarquée, notamment systèmes Stop&Start avec la Tension de fonctionnement qui s'ajuste en fonction du % de charge de la batterie (AGM de préférence), le tout pour optimiser la consommation de carburant (je rejoins le commentaire précédent sur la pertinence des batteries EFB.. les AGM ayant même elles du mal, selon les modèles à tenir le choc, surtout en faible utilisation du véhicule). Merci encore Guillaume pour les compléments d'informations très illustrés et clairs à ce niveau.

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