Brevet FR2721407A1 — publié le 19951222

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONTROLE DE L'ISOLEMENT D'UN RESEAU ELECTRIQUE A COURANT CONTINU L'invention concerne un procédé de contrôle permanent de l'isolement d'un réseau électrique haute tension à courant continu, ainsi qu'un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé, notamment dans un véhicule électrique de type automobile. Un réseau électrique à courant continu peut être isolé de la masse ou de la terre, ce qui constitue d'une part une sécurité pour les personnes utilisant le réseau à courant continu, puisqu'il n'y a risque d'électrocution qu'en touchant simultanément les deux fils du réseau, et d'autre part une sécurité de fonctionnement puisque l'installation électrique n'est mise en court-circuit que lorsque deux défauts d'isolement existent simultanément. Par contre, une résistance de fuite non maîtrisée et non détectée représente un danger d'électrocution. Par conséquent, un contrôle de l'isolement est indispensable avant toute intervention sur le réseau sous tension. De plus, pour des installations électriques qui sont soumises à des vibrations ou à des contraintes génératrices de défaut d'isolement comme c'est le cas dans un véhicule électrique, un contrôle permanent d'isolement peut être nécessaire pour accroître la fiabilité du véhicule. Les défauts d'isolement constatés sur des véhicules existants se produisent presque exclusivement au niveau des batteries par les souillures dues à des fuites d'électrolyte. Au niveau du câblage et des organes alimentés par la haute tension, les résistances de fuite des organes hors fonctionnement sont susceptibles d'être masquées. Un dispositif de contrôle d'isolement permanent doit pouvoir être utilisé dans la plupart des installations à courant continu qui n'ont comme potentiels accessibles que les bornes de la tension d'alimentation et dans les installations ayant des potentiels intermédiaires accessibles lorsque, par exemple, la source d'alimentation est constituée par un ensemble de batteries montées en série ou est multitension. C'est pourquoi un tel dispositif de contrôle doit être capable de détecter une résistance de fuite en tout point du réseau, y compris à des potentiels électriques intermédiaires, sans être perturbé dans le cas de fuites multiples pouvant survenir au niveau de plusieurs batteries. Actuellement, une solution classique consiste à utiliser un détecteur différentiel entre la source et les utilisateurs, mais elle présente l'inconvénient de ne pas être utilisable dans le cas où une fuite peut survenir à l'intérieur de la source d'alimentation. Une autre solution actuelle consiste, sans rompre l'isolement c'est-à-dire sans création d'une fuite de mesure, à injecter une composante alternative entre le réseau à courant continu et la masse, comme cela est notamment décrit dans la demande européenne EP 0 391 812. L'inconvénient de cette mesure d'impédance avec un générateur alternatif à travers des capacités de couplage tient au fait d'une part que l'impédance varie selon l'état de fonctionnement des éléments électroniques de puissance, tel que le hâcheur qui pilote le moteur à courant continu et qui à l'arrêt masque les capacités de couplage du moteur, et d'autre part que le signal alternatif de mesure est noyé dans le bruit de mode commun entre la batterie et la carrosserie, dû aux éléments électroniques de puissance à découpage comme le hâcheur de traction et au chargeur de batterie.En effet, dans le cas d'un réseau fortement perturbé, il est difficile de discriminer le signal alternatif utile des signaux alternatifs parasites. La solution qui consisterait à injecter une haute tension continue selon le principe du mégohmètre est incompatible avec le critère de sécurité des personnes. Une autre solution actuelle, avec rupture de l'isolement, consiste à mesurer la tension entre la masse et un point milieu du réseau à courant continu créé par un pont de résistances. Cette technique très simple de mesure du courant de fuite est efficace dans le cas de réseau à courant continu, dont l'alimentation électronique n'a pas de potentiel intermédiaire, mais pas dans le cas d'un véhicule automobile où la source est une batterie, car elle ne permet pas de détecter efficacement les courants de fuite liés à des potentiels intermédiaires. Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients des solutions antérieures en proposant un procédé et un dispositif de contrôle permanent de la résistance de fuite en tout point du réseau. Cette mesure de la résistance de fuite se fait en continu en utilisant la tension de la source d'alimentation, une batterie dans le cas d'un véhicule automobile électrique. Pour cela, l'objet de l'invention est un procédé de contrôle permanent de l'isolement d'un réseau haute tension à courant continu, comprenant une source d'alimentation électrique et une pluralité de charges, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - deux mesures respectives, sous une impédance de mesure R connue, de la tension entre la masse et successivement deux points E+ et E- liés au réseau à courant continu et isolés électriquement, lesdites mesures étant électriquement découplées par un séquencement temporel; - différence algébrique des deux mesures de tension délivrant une fraction de la tension du réseau haute tension à courant continu obtenue à travers un pont constitué par une résistance de fuite et par l'impédance de mesure R; - mesure différentielle de la tension du réseau entre lesdits points E+ et E-;; - comparaison du rapport entre la différence algébrique des deux mesures de tension et la mesure différentielle de la tension du réseau avec un seuil de référence critère de défaut; - signalisation d'une fuite dans le réseau haute tension en cas de dépassement dudit seuil de référence. Un autre objet de l'invention est un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé de contrôle permanent de l'isolement d'un réseau à courant continu comprenant une source d'alimentation électrique et une pluralité de charges, caractérisé en ce qu'il comprend: - des moyens de séquencement temporel; - des moyens de mesure, par rapport à la masse sous une impédance de mesure R connue, de la tension en deux points E+ et E- liés au réseau; - des moyens de mesure différentielle de la tension de la source d'alimentation entre les deux points E+ et E-; - des moyens de calcul de la différence algébrique des deux mesures de tension délivrant une fraction de la tension du réseau haute tension à courant continu obtenue à travers un pont constitué par une résistance de fuite et par l'impédance de mesure R;; - des moyens de traitement comparant le rapport des tensions mesurées par lesdits moyens avec un seuil de référence critère de défaut. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un exemple particulier de réalisation, cette description étant faite en relation avec les dessins joints dans lesquels - la figure 1 est une représentation schématique d'une installation sur un réseau électrique équipé d'un dispositif de contrôle selon l'invention; - la figure 2 est une représentation schématique de la source d'alimentation d'un réseau électrique à courant continu avec sa résistance de fuite; - la figure 3 est une représentation schématique du synoptique fonctionnel d'un dispositif de contrôle selon l'invention; - la figure 4 est un exemple de réalisation d'un dispositif de contrôle selon l'invention. La figure 1 représente une installation d'un réseau électrique doté du dispositif de contrôle 1 selon l'invention. Dans le cas particulier d'un véhicule électrique automobile, la source d'alimentation 2 est constituée par une pluralité de batteries montées en série et les différents utilisateurs, ou charges, du réseau sont représentés par les éléments 3. Les points E+ et E- correspondent respectivement aux pôles positif et négatif de la tension du réseau à courant continu, aux bornes de la batterie par exemple, l'entrée M correspondant à la masse du véhicule. La figure 2 représente la source d'alimentation du réseau électrique d'un véhicule automobile, soit une batterie avec sa fuite schématisée par une résistance de fuite Rf. En mesurant la tension entre la masse du véhicule et le point haut de la tension de traction sous une impédance connue R, on obtient V+ = R/(R+Rf)*V1 où V1 est la tension entre le point de fuite et le point haut de la tension. De même, en mesurant la tension entre la masse et le point bas de la tension, on obtient V- = -R/(R+Rf)*V2 où V2 est la tension entre le point de fuite et le point bas de la tension. Comme la tension de la batterie Vbat est connue - entre 80 et 160 Volts par exemple -, et qu'elle est égale à la somme de V1 et V2 Vbat = Vl+V2 on obtient V±V- = R/(R+Rf)*Vbat Ces deux mesures de tension ne pouvant être faites simultanément, il faut échantillonner et bloquer la mesure, puis faire une simple addition analogique. Pour cela, le procédé de contrôle selon l'invention comprend une première étape réalisant deux mesures respectives de la tension entre la masse et successivement deux points liés au réseau à courant continu, sous une impédance de mesure R connue, ces deux acquisitions étant électriquement découplées par un séquencement temporel. Contrairement à l'art antérieur, le procédé ne consiste pas à injecter un signal pour effectuer la mesure, mais il utilise la tension du réseau à surveiller. Une seconde étape réalise la différence algébrique des deux mesures de tension délivrant une fraction connue de la tension du réseau à courant continu obtenue à travers un pont potentiomètrique constitué par la résistance de fuite et par l'impédance de mesure connue R. Quand la tension du réseau à courant continu n'est pas connue, une étape suivante réalise la mesure différentielle de ladite tension. Enfin, une étape de traitement pouvant consister en une comparaison entre la différence algébrique des mesures de tension et la mesure différentielle de la tension du réseau avec un seuil, suivie éventuellement d'une signalisation du défaut ou bien en un calcul de la résistance de fuite à partir des valeurs, connues ou mesurées, de la tension du réseau, de l'impédance de mesure R et de la différence algébrique des deux mesures de tension aux points E+ et E-. Selon une caractéristique de l'invention, la résistance de fuite mesurée est égale à la résistance de fuite réelle entre le réseau à courant continu et la masse ou résistance de Thévenin équivalente, c'est-à-dire que c'est la résistance que l'on mesurerait avec un ohmmètre entre le réseau à courant continu et la masse si l'on remplaçait la ou les sources de tension par un court-circuit. En cas de fuites multiples, la résistance de fuite mesurée est la somme des résistances de fuite réelles mises en parallèle. La figure 3 est une représentation schématique du synoptique fonctionnel d'un dispositif de contrôle mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. Comme sur la figure 1, les entrées E+ et E- correspondent respectivement aux pôles positif et négatif de la tension du réseau à courant continu, l'entrée M représentant la masse du véhicule. Les signaux arrivant sur les points E+ et E- sont sélectionnés successivement et exclusivement par des moyens 31. Des moyens 34 effectuent la mesure du signal de tension sélectionné par rapport à la masse sous une impédance d'entrée connue R. Ensuite, des moyens 33 aiguillent la mesure de la tension correspondant au point E+ et la mesure de la tension correspondant au point E- respectivement vers des moyens 35+ et des moyens 35- destinés à les mémoriser.Des moyens 32 d'échantillonnage et de blocage des mesures de tension commandent à la fois les moyens de sélection 31 et les moyens d'aiguillage 33. La différence algébrique des signaux de tension aux points E+ et E- mémorisés par les moyens 35+ et 35- est calculée par des moyens 36. Parallèlement, des moyens 37 mesurent la tension de la source d'alimentation entre les deux points E+ et E- où sont prélevées les tensions à mesurer. Enfin, des moyens 38 effectuent la comparaison entre le rapport des tensions mesurées par les moyens 36 et 37 avec un seuil de référence servant de critère de défaut, de l'ordre de 500 Ohms/Volt selon certaines normes. La figure 4 est un exemple particulier de réalisation d'un dispositif de contrôle selon l'invention, appliqué à un réseau électrique haute tension utilisé dans un véhicule électrique ayant une source d'alimentation dont les bornes de sortie sont référencées E+ et E-. Dans cet exemple, les moyens de séquencement temporel sont constitués par les moyens 31 de sélection des signaux de tension parvenant aux points E+ et E- soit un relais électromécanique, par les moyens 33 d'aiguillage qui sont réalisés par trois transistors 331, 332 et 333 et par les moyens d'échantillonnage-blocage 32 réalisés par un oscillateur.Les moyens de mesure 34 sont réalisés par deux amplificateurs opérationnels 341 et 342, de gain respectivement positif et négatif de façon à ne garder qu'une seule polarité de la source d'alimentation du dispositif de contrôle, et l'impédance de mesure R connue est réalisée à partir des résistances R1, R2 et R5 associées à l'amplificateur 341 et par des résistances R4 et R6 associées à l'amplificateur 342. Les moyens de mémorisation des mesures de tension 35+ et 35- sont réalisés par deux capacités chimiques respectives 351 et 352. Les moyens 36 effectuant la différence algébrique des tensions mémorisées sont constitués par deux amplificateurs opérationnels 361 et 362 reliés respectivement aux capacités 351 et 352. Les moyens 37 de mesure de la tension différentielle du réseau sont constitués par un amplificateur différentiel dont les deux entrées sont connectées aux points E+ et E- par l'intermédiaire d'un pont de cinq résistances R7 à R11 et dont la sortie aboutit sur l'une des entrées d'un amplificateur opérationnel réalisant les moyens 38 de comparaison. La référence critère de défaut est réglée par une résistance R12 associée à une résistance R13 pour constituer un pont diviseur. En sortie des moyens 38, un traitement numérique ou analogique du signal peut être effectué. Sur cette figure 4, le relais est au repos, abaissé sur le point E+ du réseau haute tension de telle sorte que l'amplificateur 341 mesure la tension à ce point. Simultanément, l'oscillateur 32 commande la conduction du transistor 331, par l'intermédiaire du transistor 333 et d'une résistance R20, qui aiguille la tension mesurée vers la capacité 351 en vue de sa mémorisation. Dans cette configuration, le relais 31 est relevé sur le point E- du réseau et le transistor 332 ne conduit pas. Puis l'oscillateur 32 inverse le sens du courant dans la bobine du relais 31 de telle sorte que c'est la tension au point E- du réseau qui est alors mesurée et mémorisée. A la sortie S des deux amplificateurs 361 et 362, le signal est une tension proportionnelle au rapport de la résistance de mesure R et de la résistance de fuite Rf du réseau : R/R+Rf qui est ensuite comparé à la tension du réseau issue du comparateur 37 à travers le pont diviseur formé par les deux résistances R12 et R13. S'il n'y a pas de fuite, le potentiel de la borne négative de l'amplificateur 38 est inférieur au potentiel de sa borne positive, donc le seuil constitué par la résistance R12 n'est pas atteint et aucun défaut n'est signalé en sortie dudit amplificateur. Par contre, s'il y a fuite dans le réseau, la résistance de fuite est égale ou inférieure à la résistance R12 de sorte que le potentiel de la borne négative est supérieur au potentiel de la borne positive de l'amplificateur 38 qui délivre un signal de détection de défaut pouvant déclencher l'allumage d'un voyant 39. La résistance R12 peut être variable, pouvant constituer un moyen de mesure de la résistance de fuite. Le pont de résistances constitué par les résistances R14, R15 et R16 en sortie des deux amplificateurs 361 et 362 sert d"'offset" pour signaler un défaut de câblage dans le cas où il n'existe pas de tension entre E+ et E-. Pour s'affranchir du bruit de mode commun entre la tension de la batterie et la masse, dû aux éléments électroniques de puissance à découpage, un filtre passe bas est placé en entrée du dispositif, constitué par la résistance de mesure R soit R1, R2 et R5 et une capacité C5 pour le point E+ et par la résistance de mesure R soit R6 et une capacité C6 pour le point E-. Ce filtre est destiné à éliminer la composante alternative du signal pour ne garder que la composante continue correspondant à une fuite éventuelle sur le réseau. Tous les circuits électroniques sont alimentés en basse tension, par exemple en 12 volts dans le cas d'un véhicule automobile. L'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'est donné qu'à titre d'exemple, mais elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons effectuées dans le même esprit. L'avantage de ce procédé de mesure réside dans le fait que la mesure est déconnectée du réseau haute tension. L'invention s'applique tout particulièrement aux véhicules électriques notamment automobiles, la signalisation de la fuite pouvant être ramenée au tableau de bord. REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle permanent de l'isolement d'un réseau haute tension à courant continu, comprenant une source d'alimentation électrique et une pluralité de charges, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - deux mesures respectives, sous une impédance de mesure R connue, de la tension entre la masse et successivement deux points E+ et E- liés au réseau à courant continu et isolés électriquement, lesdites mesures étant électriquement découplées par un séquencement temporel; - différence algébrique des deux mesures de tension délivrant une fraction de la tension du réseau haute tension à courant continu obtenue à travers un pont constitué par une résistance de fuite et par l'impédance de mesure R; - mesure différentielle de la tension du réseau entre lesdits points E+ et E-;; - comparaison du rapport entre la différence algébrique des deux mesures de tension et la mesure différentielle de la tension du réseau avec un seuil de référence critère de défaut; - signalisation d'une fuite dans le réseau haute tension en cas de dépassement dudit seuil de référence. 2. Procédé de contrôle selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une étape supplémentaire de calcul de la résistance de fuite à partir des valeurs de la tension du réseau, de l'impédance de mesure R et de la différence algébrique des deux mesures de tension. 3. Dispositif de contrôle permanent de l'isolement d'un réseau haute tension à courant continu comprenant une source d'alimentation électrique (1) et une pluralité de charges (3), caractérisé en ce qu'il comprend: - des moyens de séquencement temporel; - des moyens (34) de mesure, par rapport à la masse sous une impédance de mesure R connue, de la tension en deux points E+ et E- liés au réseau; - des moyens (37) de mesure différentielle de la tension de la source d'alimentation entre les deux points E+ et E- du réseau; - des moyens (36) de calcul de la différence algébrique des deux mesures de tension aux points E+ et E délivrant une fraction de la tension du réseau haute tension à courant continu obtenue à travers un pont constitué par une résistance de fuite et par l'impédance de mesure R;; - des moyens (38) de traitement comparant le rapport des tensions mesurées par lesdits moyens de mesure (36) et (37) avec un seuil de référence critère de défaut. 4. Dispositif de contrôle selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de séquencement temporel sont constitués par - des moyens (31) de sélection des signaux de tension parvenant aux deux points E+ et E- du réseau; - des moyens (33) d'aiguillage de la mesure desdites tensions aux points E+ et E- vers des moyens (35+ et 35-) de mémorisation; - des moyens (32) d'échantillonnage et de blocage desdites mesures de tension commandant les moyens de sélection (31) et les moyens d'aiguillage (33); et en ce que les moyens (36) de calcul de la différence algébrique sont connectés aux moyens de mémorisation (35+ et 35-) de la tension aux deux points E+ et E- liés au réseau. 5. Dispositif de contrôle selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de traitement (38) calculent la résistance de fuite du réseau. 6. Dispositif de contrôle selon la revendication 4, caractérisé en ce que - les moyens (31) de sélection sont constitués par un relais électromagnétique; - les moyens (33) d'aiguillage sont réalisés par trois transistors (331, 332, 333); - les moyens (32) d'échantillonnage-blocage sont réalisés par un oscillateur; - les moyens (34) de mesure sont réalisés par deux amplificateurs opérationnels (341, 342) de gains respectivement positif et négatif; - les moyens (35+,35-) de mémorisation sont constitués par des capacités (351, 352); - les moyens (36) effectuant la différence algébrique des tensions mémorisées sont constitués par deux amplificateurs opérationnels (361, 362) reliés respectivement aux capacités (351, 352); - les moyens (37) de mesure différentielle de la tension du réseau sont constitués par un amplificateur différentiel; ; - les moyens (38) de traitement sont constitués par un amplificateur opérationnel.