Brevet FR2870986A1 — publié le 20051202

DISPOSITIF DE COMMANDE DE RELAIS POUR APPAREIL ELECTRIQUE EN COURANT CONTINU La présente invention concerne un dispositif de commande d'un relais électrique associé à un appareil destiné à fonctionner en courant continu CC sous une tension nominale délivrée par une batterie, par exemple 12V, 42V ou autre. Aujourd'hui, les batteries de véhicules automobiles délivrent classiquement du 12V en courant continu et les appareils électriques disposés dans les véhicules automobiles fonctionnent donc classiquement en 12V CC. On désigne généralement par réseau de bord , l'ensemble des appareils électriques et des circuits électroniques embarqués dans un véhicule. Or, les circuits électroniques embarqués dans les véhicules doivent être soumis à différents tests pour être validés. Ces tests peuvent être imposés par des instances de normalisation ou par les constructeurs euxmêmes. Par exemple, un test spécifique aux composants électroniques embarqués sur des véhicules automobiles consiste à solliciter les différents composants alors que la batterie est débranchée et que le moteur fonctionne entraînant l'alternateur. Ce test, imposé par la norme ISO 7637-2.2, est connu sous la désignation anglaise de Load Dump Pulse . Le fait de débrancher la batterie alors que l'alternateur fonctionne provoque dans le circuit de bord une forte impulsion électrique avec une pente montante relativement raide, d'où la désignation de Load Dump Pulse . Le graphe de la figure 1 représente une impulsion provoquée par ce test telle qu'elle peut apparaître aux bornes des différents circuits électroniques normalement alimentés par la batterie. La tension Ua représente la tension nominale d'alimentation du circuit de bord. Lorsque le moteur est à l'arrêt, la batterie fournit classiquement une tension nominale Ua de 12V. Lorsque le moteur tourne, entraînant l'alternateur, la tension nominale fournie par la batterie est de 13.5V. Lorsque l'on effectue le test en débranchant la batterie alors que l'alternateur est entraîné, une impulsion de surtension avec une pente de montée très forte se produit aux bornes des différents composants alimentés par la batterie. Cette impulsion peut induire une surtension Vs de 21.5V avec une durée de front montant inférieur à 10ms. La tension aux bornes de différents composants atteint alors 35V. Il faut compter environ 400ms pour que cette surtension diminue et revienne à la tension nominale de 13.5V. Or, selon les composants du réseau de bord du véhicule, une telle surtension Vs peut être préjudiciable. Une telle impulsion de surtension n'a pas forcément d'effet préjudiciable si elle a lieu pendant le fonctionnement continu d'un appareil. En revanche, les relais de commande des différents appareils électriques peuvent être endommagés s'ils sont sollicités à l'ouverture pendant cette impulsion électrique. R:\Brevets\22400\22492-04ARM076.doc - 28/05/04 - I I:05 - I/O En effet, les appareils électriques sont souvent commandés par un relais adapté à commuter un interrupteur de l'appareil, tel qu'un moteur de lève-vitre par exemple. Un relais est un dispositif de commande électromagnétique sollicité pour actionner une ouverture ou fermeture d'un circuit électrique. Classiquement, un relais comprend une bobine associée à un aimant lié à un interrupteur. Lorsqu'une tension de commande est appliquée à la bobine, le champ magnétique induit entraîne la commutation de l'interrupteur. Par ailleurs, le relais permet également d'absorber l'arc électrique produit par la surtension aux bornes de l'appareil lorsque l'on interrompt l'alimentation électrique par une ouverture de l'interrupteur. L'arc électrique correspond à une décharge entre les bornes de l'interrupteur lorsque celles-ci sont écartées l'une de l'autre alors qu'un courant les traverse. En effet, le courant d'alimentation de l'appareil ne devient pas immédiatement nul lorsque l'interrupteur est ouvert du fait de la charge capacitive ou inductive de l'appareil. Cette décharge peut être évacuée entre les contacts du relais. Des relais de commutation pour des appareils alimentés en 12V CC sont des composants classiquement utilisés dans l'industrie automobile. De tels relais peuvent supporter jusqu'à 16V sans que l'arc électrique induit par l'ouverture des interrupteurs soit dommageable. Or, dans le cas d'un test tel que le Load Dump Pulse précité, le problème de surtension générée en cas de coupure d'alimentation d'un appareil est accentué. En particulier, l'arc électrique généré dans une telle situation ne peut être évacué entre les contacts; l'arc ne s'éteint pas toujours et le composant prend feu ou les contacts de l'interrupteur sont soudés. Il existe donc un besoin pour réaliser un dispositif de commande électrique de commutation d'un appareil qui puisse protéger le relais contre des surtensions élevées et ponctuelles. A cet effet, l'invention propose un dispositif de commande électrique de commutation d'un appareil fonctionnant en courant continu sous une tension prédéterminée, le dispositif comprenant: - un relais électromécanique adapté à actionner la commutation d'un interrupteur de l'appareil; un microcontrôleur adapté à commander le relais; le microcontrôleur étant adapté à temporiser une commande du relais pour actionner une ouverture de l'interrupteur lorsqu'une surtension aux bornes de l'appareil en fonctionnement est supérieure à un seuil prédéterminé. Selon un mode de réalisation, le microcontrôleur est adapté à détecter une pente d'impulsion de surtension supérieure ou égale à un seuil prédéterminé. R:1Brevets122400122492-04ARM076.doc - 28/05/04 - 11:05 - 2/9 Selon un mode de réalisation, le microcontrôleur est adapté à détecter une valeur de surtension supérieure ou égale à deux fois la tension d'alimentation. Selon une caractéristique, le microcontrôleur comprend des moyens de mesure périodique de la tension aux bornes de l'appareil. Selon une caractéristique, le microcontrôleur comprend une table d'impulsions avec, en entrée, des valeurs de surtension, et en sortie, des valeurs de temps caractéristique de retour à une tension prédéterminée. Selon une caractéristique, l'appareil électrique est un moteur d'actionnement d'ouvrant de véhicule. L'invention concerne également un procédé d'actionnement d'une commande électrique pour la commutation d'un appareil fonctionnant en courant continu sous une tension prédéterminée, le procédé comprenant les étapes suivantes pour commuter l'arrêt de l'appareil: détection d'une surtension aux bornes de l'appareil en fonctionnement; détection d'une commande d'arrêt de fonctionnement dudit appareil; si une surtension est détectée, actionner le relais après un temps td pour commuter un interrupteur dudit appareil dans un état ouvert. Selon un mode de réalisation, l'étape de détection d'une surtension comprend une mesure d'une durée de pente montante d'une impulsion. Selon un mode de réalisation, l'étape de détection d'une surtension comprend une mesure d'une valeur de tension d'une impulsion. Selon une caractéristique, le temps td est compris entre 300ms et 400ms. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement et en références aux dessins qui montrent: figure 1, déjà décrite, un graphe d'une impulsion électrique correspondant au test de la norme ISO 7637-2.2; figure 2, un schéma de principe d'un dispositif selon l'invention. Le dispositif de commande électrique de commutation selon l'invention comprend un relais électromécanique adapté à actionner la commutation d'un interrupteur d'un l'appareil fonctionnant en courant continu sous une tension prédéterminée. Le dispositif comprend également un microcontrôleur adapté à commander le relais. Le microcontrôleur est en particulier adapté à temporiser une commande du relais pour actionner une ouverture de l'interrupteur lorsque la tension aux bornes de l'appareil en fonctionnement est supérieure à un seuil prédéterminé. R:1Brevets122400122492-04ARM076.doc - 28/05/04 - 11:05 - 3/9 Le dispositif permet ainsi d'éviter une détérioration du relais due à une ouverture de l'interrupteur lors d'une impulsion de surtension, par exemple due à un test électrique des circuits du réseau de bord. Selon l'invention, on définit un état ouvert et un état fermé d'un interrupteur du relais comme des états correspondants respectivement à un passage d'un courant d'alimentation à travers l'appareil et à une interruption du passage dudit courant à travers ledit appareil. Cette interruption du passage du courant d'alimentation dans l'appareil peut être obtenue soit par une mise en court-circuit de l'appareil sur luimême, soit par une ouverture du circuit. La figure 2 illustre schématiquement un montage électrique possible pour réaliser le dispositif selon l'invention. Un appareil 10, tel qu'un moteur d'actionnement d'ouvrant de véhicule, par exemple un moteur de lève-vitre, doit être alimenté par un courant continu sous une tension d'alimentation Ua prédéterminée correspondant généralement à la tension délivrée par la batterie du véhicule. Sur la figure 2, le moteur 10 est à l'arrêt, les bornes 11 et 12 du moteur, respectivement reliées aux interrupteurs 3 et 4, étant connectées au même point de potentiel électrique. Le moteur est donc en courtcircuit sur lui-même et les interrupteurs 3 et 4 sont chacun dans un état dit ouvert, selon la définition donnée précédemment. Pour mettre en marche le moteur 10, c'est-à-dire relier une borne 11 du moteur au potentiel d'alimentation Ua et l'autre borne 12 à la masse, il faut qu'un des interrupteurs 4 soit commuté dans un état fermé sur une borne d'alimentation. Le sens de rotation du moteur 10 sera déterminé selon quelle borne 11 ou 12 du moteur est reliée à l'alimentation Ua par la commutation dans un état fermé de l'interrupteur 3 ou 4 correspondant, l'autre borne 12 ou 11 du moteur étant reliée à la masse. La commutation des interrupteurs 3, 4 est assurée par un relais 1. De manière connue en soi, le relais 1 peut comprendre deux bobines associées chacune à un aimant lié un des interrupteurs 3, 4. Des transistors de commutation permettent d'appliquer un courant à l'une ou l'autre bobine afin d'induire un champ magnétique apte à actionner un des interrupteurs 3, 4 par l'intermédiaire d'un des aimants. La commande de commutation du relais 1 peut être assurée par un microcontrôleur 5. Le microcontrôleur 5 applique une tension de commande S1 destinée à actionner l'un des transistors de commutation associés au relais 1 afin de laisser passer un courant à travers l'une ou l'autre des bobines pour actionner la commutation de l'un ou l'autre des interrupteurs 3, 4. Le microcontrôleur 5 mesure également la valeur de la tension d'alimentation Ua. De manière connue en soi, des moyens de mesure analogique de la tension sont R:1Brevets122400122492-04ARM076.doc 28/05/04 - 11:05 - 4/9 prévus et les mesures effectuées sont converties en valeurs numériques exploitables par le microcontrôleur. De préférence, les moyens de mesure effectuent des mesures périodiques de la tension Ua pour que le microcontrôleur puisse déterminer une pente de front montant d'une impulsion électrique, le cas échéant. Par exemple, le microcontrôleur reçoit une mesure de tension toutes les 3ms; il peut donc détecter l'impulsion de Load Dump dont le front montant est de l'ordre de 10ms. En revanche, il n'est pas utile de détecter des impulsions qui peuvent présenter une forte valeur de surtension, par exemple jusqu'à 100V, mais sur un temps très court, de l'ordre de 1 à 2ms. De telles impulsions ne sont pas vraiment préjudiciables pour le relais qui a un temps de réaction de l'ordre de 3ms. De plus, des éléments de filtrage associés à l'alimentation permettent d'éliminer, ou au moins d'atténuer, de telles impulsions de courte durée. Par ailleurs, le microcontrôleur 5 contrôle l'état de fonctionnement du moteur 10. En particulier, l'état fermé ou ouvert des interrupteurs 3, 4 commandés par le relais 1 est connu du microcontrôleur. Ainsi, si le microcontrôleur 5 reçoit une commande d'arrêt de fonctionnement de l'appareil, par exemple si la pression sur le bouton de commande du lève-vitre est relâchée, une commande SI d'ouverture des interrupteurs devrait être émise vers le relais 1. Cependant, selon l'invention, si le microcontrôleur a par ailleurs détecté une surtension aux bornes de l'appareil 10 supérieure à un seuil prédéterminé, il temporise l'émission de la commande SI pendant une durée td. Cette temporisation td peut être ajustée pour que l'impulsion électrique soit redescendue quasiment à la tension nominale. Selon les modes de mises en oeuvre, la surtension détectée par le microcontrôleur 5 peut être une valeur de tension supérieure à un seuil prédéterminé, par exemple deux fois la tension nominale d'alimentation Ua, ou une pente de front montant d'impulsion supérieure à une valeur de pente prédéterminée. Si le microcontrôleur détecte une surtension à partir d'une mesure de pente, il peut en particulier détecter l'impulsion de surtension avant qu'une valeur de tension préjudiciable au relais ne soit atteinte. Les modes de mises en oeuvre dépendent de la programmation du microcontrôleur selon les degrés de protection à appliquer au relais et selon les risques encourus par le relais. En particulier, le microcontrôleur peut être programmé pour détecter une valeur de tension donnée aux bornes de l'appareil, une valeur de surtension donnée, une pente d'impulsion de surtension donnée ou une combinaison de ces éléments. Une telle programmation peut être assurée par un homme du métier en fonction de ses besoins et du modèle de relais à protéger. RABrevets\22400122492-04ARM076.doc - 28/05/04 - 11:05 - 5/9 Après un temps td, de l'ordre de la durée de descente de l'impulsion de surtension, le microcontrôleur émet la commande S1 vers le relais 1 qui actionne la commutation de l'interrupteur 3, 4 dans un état ouvert. Le courant aux bornes du moteur est alors revenu à une valeur nominale au moment de cette commutation et l'arc électrique peut être évacué de manière classique. Le temps td peut être de l'ordre de 300ms à 400ms. Le microcontrôleur 5 peut adapter la valeur de la temporisation td au type de surtension détectée. En effet, selon la valeur de surtension ou de pente du front montant mesurés, le microcontrôleur peut déduire le type d'impulsion en cours. Le microcontrôleur peut alors connaître le temps de retour à la tension nominale pour une telle impulsion et peut temporiser la commande d'ouverture du relais en fonction de ce temps spécifique à l'impulsion en cours. Une table d'impulsions peut être mémorisée dans le microcontrôleur à cet effet comprenant des entrées de mesures de surtension et fournissant en sortie des temps caractéristiques de retour à la tension nominale. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits à titre d'exemple; ainsi, le relais du dispositif de commutation selon l'invention peut ne comprendre qu'un seul interrupteur au lieu de deux. Par ailleurs, en adaptant la programmation du microcontrôleur, le dispositif de commande selon l'invention peut protéger le relais contre d'autres types d'impulsions électriques présentant des valeurs de tensions et de pentes différentes. R:1Brevets\22400122492-04ARM076.doc - 28/05/04 - 11:05 - 6/9 REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande électrique de commutation d'un appareil (10) fonctionnant en courant continu sous une tension prédéterminée (Ua), le dispositif comprenant: un relais (1) électromécanique adapté à actionner la commutation d'un interrupteur (3, 4) de l'appareil (10) ; un microcontrôleur (5) adapté à commander le relais (1) ; le microcontrôleur étant adapté à temporiser une commande du relais pour actionner une ouverture de l'interrupteur lorsqu'une surtension aux bornes de l'appareil en fonctionnement est supérieure à un seuil prédéterminé. 2. Dispositif de commande électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le microcontrôleur (5) est adapté à détecter une pente d'impulsion de surtension (Vs) supérieure ou égale à un seuil prédéterminé. 3. Dispositif de commande électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le microcontrôleur (5) est adapté à détecter une valeur de surtension (Vs) supérieure ou égale à deux fois la tension d'alimentation (Ua). 4. Dispositif de commande électrique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le microcontrôleur (5) comprend des moyens de mesure périodique de la tension aux bornes de l'appareil (10). 5. Dispositif de commande électrique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le microcontrôleur (5) comprend une table d'impulsions avec, en entrée, des valeurs de surtension, et en sortie, des valeurs de temps caractéristique de retour à une tension prédéterminée. 6. Dispositif de commande électrique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'appareil électrique (10) est un moteur d'actionnement d'ouvrant de véhicule. 7. Procédé d'actionnement d'une commande électrique pour la commutation d'un appareil (10) fonctionnant en courant continu sous une tension prédéterminée (U), le procédé comprenant les étapes suivantes pour commuter l'arrêt de l'appareil (10) : - détection d'une surtension aux bornes de l'appareil (10) en fonctionnement; - détection d'une commande d'arrêt de fonctionnement dudit appareil (10) ; R:1Brevets122400\22492-04ARM076.doc - 28/05/04 - 11:05 - 7/9 - si une surtension est détectée, actionner le relais (1) après un temps td pour commuter un interrupteur (3, 4) dudit appareil dans un état ouvert. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'étape de détection d'une surtension comprend une mesure d'une durée (tr) de pente montante d'une 5 impulsion. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'étape de détection d'une surtension comprend une mesure d'une valeur (Vs) de tension d'une impulsion. 10. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le temps td 10 est compris entre 300ms et 400ms. R:\Brevets\22400\22492-04ARM076.doc - 28/05/04 - 11:05 - 8/9