Brevet FR2901212A1 — publié le 20071123

Installation électrique pour véhicule automobile La présente invention est relative à une installation électrique pour véhicule automobile doté de commandes électriques de conduite. Les commandes électriques de conduite sont souvent désignées par le terme anglais "X-by-wire" dans lequel la lettre X désigne des commandes telles que par exemple le système électrique de freinage ("brake-by-wire") ou le système électrique de direction ("steer-by-wire"). De telles commandes électriques sont critiques du point de vue de la sécurité. Elles impliquent l'utilisation de charges électriques non encore fréquemment utilisées dans les véhicules automobiles actuels, telles que par exemple des actionneurs électriques agissant sur les roues du véhicule. Ces charges doivent présenter un haut niveau de sécurité de fonctionnement et doivent cohabiter avec d'autres charges électriques ayant des contraintes de sécurité de fonctionnement différentes et généralement moins sévères. L'utilisation de telles charges électriques impose des exigences sévères de fiabilité au réseau de distribution d'énergie à bord du véhicule puisqu'il est commun à toutes les fonctions électriques de celui-ci de sorte que ces exigences sont multiples et diverses. Ainsi, on est conduit à gérer plusieurs sous-systèmes de distribution d'énergie en fonction des différentes exigences, et notamment en juxtaposant un réseau de distribution d'énergie conventionnel et un réseau de distribution d'énergie sécurisé, voire plusieurs réseaux de distribution d'énergie sécurisés (par exemple un pour le système électrique de freinage et un autre pour le système électrique de direction). Par le document EP 1 557 317, on connaît une installation d'alimentation en énergie d'un véhicule automobile comprenant au moins une commande électrique de conduite, telle qu'une commande électrique de freinage ou de direction. Dans ce cas, on prévoit deux sources d'énergie alimentant normalement de façon distincte la ou les commandes électriques et les moteurs de traction du véhicule. Les sources d'énergie sont surveillées quant à leur bon fonctionnement. En cas de défaillance de l'une d'entre elles, 3o un système de commutation permet de brancher les charges normalement alimentées par cette source, sur l'autre source. Le système dans son ensemble est régi par un calculateur. Ce système d'alimentation connu n'est que très partiellement sécurisé et ne tient pas compte des charges conventionnelles qui doivent également 35 être alimentées et éventuellement sécurisées à leur propre niveau de sécurité. Il existe par ailleurs des installations électriques plus évoluées impliquant des commandes électriques de conduite, notamment à l'état de prototype chez de nombreux constructeurs d'automobiles, installations dans lesquelles on prévoit une architecture de distribution d'énergie sécurisée à topologie en étoile qui permet de confiner les défaillances des commandes électriques à l'endroit où elles ont lieu. Cependant, ces architectures sont complexes en soi, car elles nécessitent la gestion de plusieurs branches de circulation du courant et le transfert de l'énergie vers celles-ci à partir d'un point central. Mais surtout, lo elles se superposent à l'architecture conventionnelle qui fait cheminer un réseau d'alimentation dit "en guirlande" à travers tout le véhicule. Le nombre et le poids des câbles électriques se trouvent ainsi considérablement augmentés entraînant une complexité et un coût accrus. Par conséquent, qu'il s'agisse d'une commande électrique du type "X- 15 by-wire" ou de tout autre système nécessitant une approche sécurisée, la technique antérieure prévoit de sécuriser l'installation électrique du véhicule sans que la distribution de l'énergie électrique vers les différentes charges soit unifiée par un partage optimal des ressources en matière de distribution d'énergie et de sécurité. 20 L'invention vise à fournir une installation électrique pour un véhicule automobile doté de commandes de conduite électriques, dans laquelle la sécurisation est coordonnée pour l'ensemble des charges électriques présentes dans le véhicule qu'elles soient du type critique ou non critique, et qui nécessite un câblage simple et léger dont le coût peut être réduit à un 25 minimum. On atteint ce but de l'invention avec une installation électrique pour véhicule automobile comprenant : une pluralité de charges électriques critiques du point de vue de la sécurité, une pluralité de charges électriques non critiques sur le plan de la 30 sécurité et un réseau de distribution d'énergie électrique destiné à apporter l'alimentation électrique auxdits charges critiques et non critiques, ledit réseau de distribution comprenant un dispositif de commutation présentant un noeud central de connexion d'où s'étendent des branches de connexion par l'intermédiaire d'interrupteurs, deux de ses branches étant des 35 branches d'alimentation reliées respectivement à deux sources d'énergie à courant continu et les autres desdites branches étant des branches de consommation et reliées chacune à au moins l'une desdites charges critiques, tandis qu'au moins certaines desdits branches de consommation sont raccordées également à au moins certaines charges parmi ladite pluralité de charges non critiques, et ledit réseau de distribution comprenant également des moyens de dérivation pour, en cas de défaillance d'une charge critique appartenant à une branche donnée de consommation, assurer l'alimentation des charges non critiques appartenant à cette branche à travers une autre branche parmi lesdites branches de consommation. Grâce à ces caractéristiques, l'ensemble des charges électriques du 1 o véhicule peut être alimenté par le même réseau de distribution d'énergie d'où une simplification notable du câblage. Ceci étant, les charges critiques du point de vue de la sécurité conservent leur caractère "silencieux aux défaillances" (en anglais "Fail-Silent"), puisqu'en cas de défaillances de l'une d'entre elles les charges non critiques qui lui sont associées dans la même 15 branche du réseau de distribution conservent leur fonctionnalité. L'ensemble de l'installation reste ainsi "tolérant aux défaillances" (en anglais "Fail-Tolerant"), celles-ci étant confinées dans la branche de consommation où elles sont apparues. Avantageusement, lesdits moyens de dérivation comprennent d'une 20 part dans chacune desdites branches de consommation un composant unidirectionnel orienté de manière à permettre la circulation du courant à travers la branche de consommation considérée vers les charges non critiques appartenant à cette branche et bloquant la circulation du courant dans le sens opposé, et d'autre part des conducteurs transversaux reliant le côté dudit 25 composant unidirectionnel tourné vers lesdites charges non critiques au côté homologue du composant unidirectionnel d'une autre branche de consommation dudit réseau de distribution. Selon un autre aspect de l'invention, les charges non critiques appartenant à une même branche de consommation sont connectées audit 3o composant unidirectionnel à travers au moins un composant fusible. En outre, avantageusement, à chacune de leurs extrémités lesdits conducteurs transversaux sont chacun raccordés au composant unidirectionnel correspondant par l'intermédiaire d'un composant fusible. De préférence, ledit composant unidirectionnel est une diode. 35 Selon un autre aspect de l'invention, ledit réseau de distribution comporte quatre branches de consommation s'étendant en étoile à partir dudit noeud central situé au centre dudit véhicule vers les coins de celui-ci pour alimenter de concert les charges critiques et non critiques présentes au voisinage des roues situées dans ces coins. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant au dessin annexé sur lequel la figure unique représente un exemple de réalisation d'une installation électrique pour véhicule automobile selon un mode de réalisation préféré de l'invention. Sur cette figure unique, on a représenté très schématiquement une vue en plan d'un véhicule automobile avec ses quatre roues R, son tableau de 1 o bord T et ses portières P, la vue étant uniquement destinée à illustrer l'implantation des divers éléments de l'installation électrique. Celle-ci comprend tout d'abord un commutateur central 1. Dans l'exemple représenté, ce commutateur présente six branches, toutes dotées d'un interrupteur bipolaire la à 1f, chaque interrupteur desservant une 15 branche A à F d'un réseau de distribution d'énergie en étoile. L'un des pôles de chaque interrupteur est relié aux pôles correspondants des autres interrupteurs en forrnant ainsi un noeud central 1g. Ce dernier est de préférence situé au centre du véhicule. Il est à noter que l'invention n'est limitée ni à un réseau de distribution 20 d'énergie à six branches en étoile, ni à une quelconque répartition topographique dans le véhicule de ses branches, la figure ne représentant que l'un des exemples de réalisation possibles de l'invention. Les branches A et B du réseau sont des branches d'alimentation et comprennent à cet effet des sources d'énergie 2 et 3. Celles-ci peuvent être 25 de tout type connu en soi et appliquent une tension continue au noeud central l g, lorsque l'interrupteur la et/ou lb est (sont) fermé(s). Dans l'exemple représenté qui correspond à la situation la plus courante dans l'industrie automobile, les sources d'énergie 2 et 3 sont connectées au réseau de distribution par leur pôle positif. L'invention s'applique naturellement 30 également dans le cas d'un branchement inverse de ces sources d'énergie 2 et 3. Les branches C à F du réseau sont des branches de consommation. Dans l'exemple représenté, elles sont identiques et situées respectivement aux quatre coins du véhicule, respectivement au voisinage des roues R. 35 Chaque branche de consommation C à F comprend au moins une charge M critique d"un point de vue de la sécurité de sorte qu'elle doit avoir un comportement silencieux à la défaillance, ce qui signifie qu'en cas de défaillance, elle ne doit en aucune manière répercuter cette défaillance sur le reste du réseau de distribution. Typiquement, une charge M peut être un actionneur électrique agissant par exemple sur une roue R et ayant besoin pour fonctionner dune quantité d'énergie importante. En l'occurrence, le comportement "silencieux à la défaillance" de la charge M est obtenu par le fait qu'en cas de défaillance, elle est déconnectée du réseau de distribution. Chaque branche de consommation C à F comprend également au moins une charge L (feux de position, de stop etc; par exemple) qui est moins critique du point de vue de la sécurité qu'une charge M et fonctionnellement 1 o indépendante de celle-ci. L'installation électrique selon l'invention comprend également des moyens de dérivation. Plus précisément, dans chaque branche de consommation C à F, les charges L sont connectées à l'interrupteur 1c à 1f correspondant à travers un composant unidirectionnel 4, connecté dans le 15 sens passant de l'interrupteur vers les charges L compte tenu du mode de connexion choisi dans l'exemple, des sources d'énergie 2 et 3. Ce composant est de préférence une diode dont la cathode est connectée aux charges L. II peut aussi être formé d'un composant semi-conducteur de structure plus complexe ayant le caractère unidirectionnel. Bien entendu, en cas de 20 polarisation inverse des sources d'énergie 2 et 3, l'orientation du composant unidirectionnel doit être inversée. Un composant fusible 5 est relié de préférence entre les charges L et le composant unidirectionnel 4. La jonction entre le composant unidirectionnel 4 et le composant fusible 25 5 dans les branches 1c et 1d est connectée à la jonction homologue de la branche opposée respective le et 1 f par l'intermédiaire d'une connexion transversale 6 comprenant un conducteur 7 et deux composants fusibles 8. Le commutateur central 1 est commandé par des moyens de commande symbolisés sous la forme d'un calculateur CAL du véhicule. Un tel 3o calculateur est supposé disposer de moyens de décision appropriés pour actionner les différents interrupteurs la à If au moment de l'apparition d'une défaillance à un endroit quelconque du véhicule, une telle défaillance étant signalée au calculateur CAL par l'intermédiaire d'entrées EN appropriées. Il s'agit d'une technologie à la portée des spécialistes de sorte qu'il n'est pas 35 nécessaire de faire une description détaillée ni de ce calculateur ni de son mode de fonctionnement. Grâce à un agencement de l'installation électrique selon l'invention, les charges critiques M ont un comportement silencieux à la défaillance tout en garantissant le caractère de tolérance à la défaillance vis-à-vis des charges L moins critiques du point de vue de la sécurité. s En cas de défaillance de l'une des sources d'énergie 2 ou 3, la branche d'alimentation défaillante A ou B est déconnectée du réseau par l'ouverture de l'interrupteur 1 a ou 1'b associé. Le réseau peut donc continuer à fonctionner en étant alimenté paria branche d'alimentation encore intacte. En cas de défaillance de l'une des charges critiques M ou de l'une des 10 branches de consommation elles-mêmes, l'interrupteur correspondant 1c à 1f est ouvert sous la commande du calculateur CAL, ce qui déconnecte la branche de consommation en question du réseau. La charge M et la branche de consommation qui l'alimente sont ainsi silencieuses à la défaillance. Cependant, toutes les autres branches du réseau peuvent continuer à 15 fonctionner. Il en est de même des charges L qui sont présentes au voisinage de la charge critique M défaillante, puisque ces charges L sont désormais alimentées par l'intermédiaire de la branche de consommation opposée à laquelle elles sont reliées par la connexion transversale 6. Le composant unidirectionnel 4 situé près de la charge critique M défaillante empêche une 20 circulation de courant vers la branche correspondante. De la sorte, l'ensemble est également tolérant à la défaillance puisque toutes les charges L y compris celles se trouvant près de la charge M défaillante, peuvent continuer à recevoir leur alimentation. Si on souhaite également rendre les charges critiques M immunes 25 contre une défaillance (court-circuit) dans l'une des charges moins critiques L, il est avantageux, selon l'invention de prévoir les composants fusibles 5. Lorsque survient une telle défaillance, elle est empêchée de se propager vers la charge critique M associée et également vers le reste du réseau de distribution, grâce à la présence du composant fusible 5 capable 3o d'interrompre la liaison des charges L concernées par le court-circuit avec le réseau. Bien entendu, bien que cela ne soit pas représenté sur la figure, on peut prévoir, au lieu d'un élément fusible commun pour toutes les charges L d'une même branche C à F, un composant fusible par charge L, laissant ainsi la possibilité aux charges L non défaillantes de la branche concernée de 35 continuer à fonctionner. Les composants fusibles 8 ont une fonction analogue pour isoler la connexion transversale 6 dans laquelle ils sont insérés en cas de court-circuit sur cette connexion.. Il est à noter que dans la présente description, la notion "composant fusible" doit être prise sur le plan fonctionnel. II peut donc s'agir de tout composant y compris thermique ou semi-conducteur, capable d'interrompre une liaison électrique par exemple si le courant dans cette liaison dépasse une valeur prédéterminée ou si un autre paramètre dépasse une condition préfixée au-delà de laquelle on considère qu'il y a une défaillance. Les 1 o composants fusibles peuvent être ou pas être réarmables, de type passif ou actif. REVENDICATIONS 1. Installation électrique pour véhicule automobile caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité de charges électriques (M) critiques du point de vue de la sécurité, une pluralité de charges électriques (L) non critiques sur le plan de la sécurité et un réseau de distribution d'énergie électrique destiné à apporter l'alimentation électrique auxdites charges critiques et non critiques, en ce que ledit réseau de distribution comprend un dispositif de commutation (1) présentant un noeud central de connexion (1f) d'où s'étendent des branches de connexion (A à F) par l'intermédiaire d'interrupteurs (la à 1f), deux de ses branches (A, B) étant des branches d'alimentation reliées respectivement à deux sources d'énergie à courant continu (2, 3) et les autres desdites branches (C à F) étant des branches de consommation et reliées chacune à au moins l'une desdites charges critiques (M), en ce qu'au moins certaines desdits branches de consommation (C à F) sont raccordées également à au moins certaines charges parmi ladite pluralité de charges non critiques (L), et en ce que ledit réseau de distribution comprend également des moyens de dérivation (4 à 8) pour, en cas de défaillance d'une charge critique (M) appartenant à une branche donnée de consommation (C à F), assurer l'alimentation des charges non critiques (L) appartenant à cette branche à travers une autre branche parmi lesdites branches de consommation (C à F). 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens de dérivation (4 à 8) comprennent d'une part dans chacune desdites branches de consommation (C à F) un composant unidirectionnel (4) orienté de manière à permettre la circulation du courant à travers la branche de consommation considérée vers les charges non critiques (L) appartenant à cette branche et bloquant la circulation du courant dans le sens opposé et d'autre part des conducteurs transversaux (6, 7) reliant le côté dudit composant unidirectionnel (4) tourné vers lesdites charges non critiques (L) au côté homologue du composant unidirectionnel (4) d'une autre branche de consommation dudit réseau de distribution. 3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que les charges non critiques (L) appartenant à une même branche de consommation (C à F) sont connectées audit composant unidirectionnel (4) à travers au moins un composant fusible (5). 4. Installation selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'à chacune de leurs extrémités, lesdits conducteurs transversaux (6, 7) sont chacun raccordés au composant unidirectionnel correspondant (4) par l'intermédiaire d'un composant fusible (8). 5. Installation selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que ledit composant unidirectionnel est une diode (4). 6. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit réseau de distribution comporte quatre branches de consommation (C à F) s'étendant en étoile à partir du noeud central (1f) lo situé au centre dudit véhicule, vers les coins de celuici pour alimenter de concert les charges critiques (M) et non critiques (L) situées au voisinage des roues (R) situées respectivement dans ces coins.