Technique : l'alternateur

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.

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

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.

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.

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.

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). 

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.

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.

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).

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.

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.

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.