Brevet FR2908907A1 — publié le 20080523

-1- L'invention consiste en un outil de dimensionnement des réseaux électriques automobiles embarqués et son intégration dans la chaîne d'outils de conception assistée par ordinateur. Les buts de cet outil sont les suivants : vérification de la pertinence du dimensionnement de tous les éléments constitutifs d'un réseau d'alimentation électrique automobile ; - dimensionnement automatique et optimisé au regard de critères techniques et/ou économiques des mêmes éléments ; - amélioration de la facilité de mise en oeuvre par l'intégration dans la filière numérique de la conception électrique. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de modélisation d'un réseau d'alimentation électrique pour véhicule automobile caractérisé en ce que : on prend en compte les équations différentielles décrivant les comportements thermique et électrique du réseau, les équations différentielles étant couplées entre elles par des variables communes, - on résout ces équations différentielles à l'aide d'un logiciel de calcul numérique fonctionnant sur le principe des volumes finis. Cet outil est basé sur les éléments suivants : 20 - modèles numériques des éléments constitutifs des réseaux électriques. modélisation des conducteurs électriques ; - modélisation des protections de type fusible ; modélisation des composants de protection électroniques -modélisation des charges 25 - modélisation des batteries et alternateurs -modélisation des épissures et contacts électriques. - stratégies de dimensionnement au regard de critères définis Les stratégies de dimensionnement tiennent compte de critères d'ordre électrique, thermique ainsi que des contraintes liées au fonctionnement. 30 - réutilisation d'un maximum d'informations déjà renseignées dans les bases de données des logiciels de conception assistée par ordinateur. Ces informations peuvent porter notamment mais non exclusivement sur les points suivants: caractéristiques dimensionnelles associées aux composants ; 35 - topologie des composants constitutifs des réseaux électriques et de leurs interconnexions ; 10 15 2908907 -2- données relatives à l'environnement des composants. DESCRIPTION DU PROCEDE DE DIMENSIONNEMENT 5 DIMENSIONNEMENT DES PROTECTIONS 1. Paramètres liés à la protection Le dimensionnement des protections est déterminé par les charges qui sont connectées en aval. Il faut en effet éviter de déclencher une mise en protection lors de 10 conditions normales de fonctionnement. Le pire cas de configuration est atteint lorsque les conditions suivantes sont réunies : - température ambiante du fusible maximale la marge thermique de la protection est alors réduite ; 15 - tension d'alimentation des appareils maximale la plupart des appareils embarqués ayant une caractéristique intensité-tension croissante, une augmentation de tension aux bornes se traduit par un accroissement du cornant consommé. On peut ensuite distinguer le cas du transistor SmartMOS : en effet les tolérances 20 sur les paramètres internes du transistor conditionnent son fonctionnement. Le temps de disjonction le plus court correspond aux paramètres suivants : résistance interne a 23 C maximale i' = i. Vmaximare la dissipation de Vnominale puissance au sein du transistor est alors maximale ; courant de protection minimal ; 25 température de disjonction minimale ; impédance thermique maximale : la dissipation thermique dans le milieu ambiant est alors réduite à son minimum. 2. Identification des charges Les charges A, connectées en aval de la protection sont caractérisées par 30 - leur consommation nominale sous tension nominale imax (A,) ; - leur courant d'appel et la durée de cet appel de courant sous tension nominale : imax (A;) et tmax (A,) ; leur tension de fonctionnement minimale : Venin (4) . 2908907 -3- Ces paramètres sont documentés, idéalement, dans la fiche technique du composant. Une identification expérimentale peut permettre de documenter rapidement ces valeurs au cas où elles sont inconnues. Ce jeu de paramètres permet d'approximer de façon simple la caractéristique 5 électrique de la charge utilisée. Une identification plus poussée des charges est illusoire car à ce jour aucune donnée n'est disponible, sauf dans quelques cas épineux ayant pu faire l'objet d'une étude localisée. 3. Calcul des protections Le type de protection employé est imposé par la configuration véhicule : transistor SmartMOS ou fusible. Dans le cas du SmartMOS, la référence du composant est imposée et il suffit de déterminer si elle est adaptée ou non à la configuration. Dans le cas d'un fusible, la famille est imposée par la technologie de la boîte à fusibles et il faut déterminer le calibre adéquat. Pour ce faire, on simule chaque calibre en commençant par le plus faible et on jette son dévolu sur le premier satisfaisant aux critères de dimensionnement. Dans le cas où le calibre est imposé et/ou le calibre maximal disponible dans la famille n'est pas suffisant, comme dans le cas du SmartMOS, on quantifie le risque associé à la situation. Le calcul s'articule autour de deux points principaux : - regroupement des points de fonctionnement des appareils dans le plan (intensité, temps) : • correction de tous les points de fonctionnement : on suppose que la conductance interne de chaque charge est constante sur la plage de tension d'alimentation située entre la tension nominale de fonctionnement des appareils et la tension maximale du réseau de bord. On peut alors écrire l'intensité corrigée i` " =Vmaximale pour chaque point de fonctionnement, nominal comme Vnominale courant d'appel ; • détermination des points de fonctionnement cumulés des appareils. On distingue trois types de points : • point de fonctionnement nominal, où tous les appareils fonctionnent simultanément. Ses coordonnées sont : i = Einom (Ai) t=oo 2908907 -4- • points de fonctionnement où tous les appareils sont en fonctionnement nominal, excepté un appareil Ap qui est en phase de démarrage (courant d'appel) : chaque point correspondant a pour coordonnées : i=imax Ap)+Einom(Ai) l , tp t=tmax(Ap) 5 • points de fonctionnement où au moins deux appareils sont en phase de démarrage simultanément. On peut déterminer ces points selon le mode de calcul précédent mais pour éviter un excès de combinaisons dans les points de fonctionnement possibles on procède de la façon suivante : tri des points (im;,tm' ) par temps croissant ; 10 - pour chaque temps tm" correspondant à un point tm , le point pire cas , c'est à dire celui d'abscisse maximale à ordonnée imposée, a pour coordonnées : / inorm \Ak )+ Einom \Ak )+ k~t (Ak ) tdsi il y a risque de claquage intempestif dans les conditions correspondantes. On affine l'évaluation du risque, raison d'être du calcul sur trois séries de points différentes : sous certaines conditions on peut choisir d'accepter un risque lorsqu'on sait, par exemple, que les séquences d'activation des organes interdisent le cumul de certains 25 courants d'appel, etc... Note : ce mode de test n'exclut pas à 100% les claquages intempestifs des fusibles dans la mesure où les courants d'appels sont simulés à partir d'un fusible à température ambiante, et non à partir d'un état initial où le fusible a été réchauffé par un courant continu. i= 2908907 -5-Toutefois, en l'état de la modélisation des fusibles, il s'agit de la meilleure technique possible. Pour remédier à ce problème, on choisit d'imposer un coefficient de sécurité C qui corrige la courbe caractéristique du fusible : chaque point (i,tc,ac) est remplacé par un 5 point (c.i,tcrac). Le coefficient de sécurité prend canoniquement des valeurs de l'ordre de 80%. DIMENSIONNEMENT DU FAISCEAU 10 1. Dimensionnement en fonctionnement nominal Le fonctionnement en mode nominal doit satisfaire à deux contraintes : d'une part, les courants susceptibles de transiter dans le faisceau ne doivent pas provoquer une élévation de température supérieure à ce que l'isolant peut supporter (température de classe), et d'autre part la chute de tension dans le conducteur doit 15 rester suffisamment faible pour que, lorsque le réseau de bord est à sa valeur minimale, la tension d'alimentation aux bornes de l'appareil reste supérieure au minimum garantissant un bon fonctionnement de celui-ci. La vérification de l'échauffement nominal est effectuée avec les courants nominaux (régime permanent). A cause du caractère transitoire des appels de 20 courant, et étant donné que la constante de temps des conducteurs est grande devant la durée des pics d'intensité, on choisit de négliger l'échauffement transitoire dû à ceux-ci. On peut alors articuler le calcul selon les étapes suivantes : fil par fil, sommation des courants nominaux de tous les appareils 25 situés en aval d'un conducteur pour déterminer le courant permanent maximal dans celui-ci. - fil par fil, détermination de l'échauffement stabilisé associé en configuration pire cas , c'est-à-dire ambiance des fils maximale et tension du réseau de bord maximale. 30 comparaison de l'échauffement avec la classe de température du fil et acceptation ou rejet de la configuration. La vérification du critère chute de tension ne peut s'effectuer fil par fil et nécessite de connaître l'arborescence de câblage dans sa totalité. On procède de la façon suivante : 2908907 -6- on parcourt l'arborescence depuis le haut (protection) vers le bas (charges). pour chaque conducteur, on détermine le potentiel de l'extrémité amont du fil, qui peut être soit la tension du réseau de bord pour les fils primaires, soit le potentiel de l'extrémité aval du fil père pour les autres conducteurs. on calcule la température stabilisée du fil sous courant nominal et ambiance maximale, et on détermine la résistance associée correspondant à la longueur du conducteur. si le fil n'est pas un fil primaire, on rajoute la résistance d'épissurage à la résistance obtenue précédemment. si le fil est connecté à un organe (fil aval), on rajoute la résistance de connexion globale de la ligne. on calcule la chute de tension dans le fil lors de la circulation du courant nominal et on détermine le potentiel de l'extrémité aval du fil en la retranchant au potentiel de l'extrémité amont. une fois le potentiel de chaque noeud du réseau déterminé, on compare le potentiel aval de chacune des lignes terminales avec la tension minimale de fonctionnement de chacun des appareils et on en déduit si la configuration satisfait au critère chute de tension ou non. 2. Dimensionnement lors d'un court-circuit spécifique Ce critère évalue l'immunité d'une liaison à un court-circuit de résistance maximale rc,, imposée pouvant survenir en n'importe quel point du faisceau. Il est communément 25 admis que le point de court-circuit pire cas est l'extrémité aval de chaque liaison car c'est lorsque la longueur de la ligne est maximale que le courant de court-circuit sera minimal. Or la courbe caractéristique du fusible décroissant plus rapidement que celle du fil dans le plan (courant, temps), le point de courant minimal est celui qui a le plus de 30 chances de se situer à gauche d'une intersection éventuelle. Pour la même raison, la résistance de court-circuit pire cas est la résistance de court-circuit maximale Ainsi, pour chaque ligne électrique extraite de l'arborescence et joignant la protection à l'organe : les conditions pire cas sont : ambiance de chaque fil maximale, tension de batterie minimale, résistance de court-circuit maximale. 5 10 15 20 2908907 -7- on simule la mise en court-circuit de tous les conducteurs mis en série avec les résistances d'épissurage, de connexion, et de court-circuit ; le calcul du courant de ligne s'effectue dans la boucle de simulation : Icc (t) = Erfl /T C(tll + E répissure + r ontact ligne l J/ Au vu des courants que peut débiter une batterie, on choisit de négliger la chute de tension batterie (résistance interne) due au court-circuit. on choisit de simuler le court-circuit en partant de la température ambiante maximale. 10 dès l'instant to où l'un des conducteurs atteint la température de la classe de son isolant, on considère qu'il y a risque thermique. Note : on peut jouer sur la marge de température (car un isolant supporte des températures plus élevées que la température de classe, mais durant des temps inférieurs à 3000h) à condition de pouvoir estimer la durée passée en surchauffe, 15 cumulée sur la vie du véhicule. on calcule le temps d'activation tdw de la protection soumise à un courant tdisi .s2) ù> E i=1 Tout le problème de l'optimisation vient du fait que pour toute configuration donnée il existe plusieurs extréma locaux sur En , mais c'est un extremum global (son unicité n'est d'ailleurs pas assurée) que l'on recherche. La simulation de toutes les combinaisons est 25 illusoire : en effet si l'on estime à A, le temps de vérification d'une configuration, le temps de simulation global sera A,.card" (E). Pour une application où n=8 fils , card(E)=15 , et A, =1sec , on obtient : tsimul = 80ans ce qui semble problématique. Il devient donc nécessaire de casser la complexité pour rendre la procédure de 30 dimensionnement viable. , où E est l'ensemble des sections de fils existantes. 2908907 -9- Dans le cas du dimensionnement des conducteurs en protection totale, la complexité est réduite car on peut simuler chaque fil individuellement et le temps de simulation évolue en O(n.card(E))et non plus en O(card"(E)). Le cas du dimensionnement nominal et/ou en court-circuit nécessite de simuler de 5 façon couplée plusieurs conducteurs, et est de ce fait plus complexe. On décide donc de parcourir seulement certaines ramifications du graphe des possibilités en s'orientant grâce aux résultats déterminés aux étapes intermédiaires de parcours du graphe. La description de la procédure de recherche est plus que complexe dans un cas général (l'arborescence de la topologie étant dynamique) et impose un formalisme lourd, on choisit à cet égard de 10 présenter la procédure de recherche d'un optimum pour un arbre de profondeur 2 (réseau primaires + secondaires). Le raisonnement est extensible à tout arbre dans l'absolu. La procédure de dimensionnement se présente comme suit : initialisation de la configuration étalon aux valeurs de sections maximales pour chaque fil 15 Pour chaque fil primaire : Pour chaque section primaire possible : calcul de la température du primaire en régime permanent - calcul de la résistance du primaire en régime permanent - calcul du potentiel du noeud primaire/secondaire en régime 20 permanent Si la température du primaire est inférieure à sa classe Pour chaque ligne secondaire connectée en aval du primaire en question : Pour chaque section secondaire possible : - calcul de la température du secondaire en régime permanent 25 - calcul de la résistance du secondaire en régime permanent - calcul du potentiel d'alimentation de l'appareil en régime permanent Si la température du secondaire est inférieure à sa classe et que le potentiel d'alimentation de l'appareil est supérieur au minimum requis 30 - calcul des comportements fil et fusible en court-circuit Si le câblage supporte le court-circuit sans brûler - calcul du poids de la configuration Si le poids de la configuration est inférieur à celui de la configuration étalon - la configuration devient la configuration étalon 35 - on cesse d'itérer sur la section secondaire possible 2908907 -10- En adoptant cette façon de procéder, on réduit sensiblement le nombre de configurations effectivement évaluées ; par exemple, dans le cas où l'on a un réseau constitué de trois fils primaires alimentant chacun quatre secondaires, le nombre de configurations testées est majoré par : 5 12.card 2 (E)et non plus card 15 (E). En réalité le nombre de configurations effectivement testées est encore plus réduit car dès qu'un arbre (primaire + secondaires) satisfait aux critères de dimensionnement, on ne simule aucune des configurations ayant un primaire de section identique et des secondaires de sections supérieures. 10 Cet élagage de l'arbre peut sembler quelque peu anecdotique dans la configuration présente mais se révèle primordial dès lors que la profondeur de l'arbre dépasse les deux niveaux. En effet, dans le cas où l'on dispose d'un arbre à p niveaux, chaque fil étant le père de q fils, le majorant du nombre de configurations testées devient q.card (E) . 15 De plus on accélère le calcul en n'effectuant des simulations de court-circuits que sur des configurations ayant subi avec succès les tests nominaux (les simulations de court-circuits étant les plus complexes, donc gourmandes en temps de calcul). A l'issue du procédé de dimensionnement, on dispose d'une protection dimensionnée par les charges alimentées, et d'un faisceau dimensionné au mieux en 20 regard des charges et de la protection choisie. Le choix de la protection est crucial en regard des critères de tenue aux court-circuits et une attention toute particulière doit être portée à ce point pour obtenir un faisceau dimensionné au plus juste. On a représenté sur la figure unique un module de dimensionnement selon 25 l'invention, désigné par la référence générale 10. Le module de dimensionnement 10 comprend un ensemble 12 de données d'entrée et un ensemble 14 de données de sortie. Les données d'entrée sont réparties en cinq catégories : données d'entrée concernant les caractéristiques conducteur 30 16, - données d'entrée concernant les caractéristiques contact 18, - données d'entrée concernant les caractéristiques protection 20, données d'entrée concernant les caractéristiques charge 22, 2908907 -11- - données d'entrée concernant les caractéristiques connectivité 24. Les données d'entrée conducteur 16 peuvent être par exemple : 5 - le type de liaison électrique. Le type de liaison électrique peut être, par exemple, choisi parmi : un fil avec âme en cuivre ou en aluminium, un câble plat, une barrette de conducteurs. Identification de la puissance et du signal ; identification de la liaison électrique : par exemple, le code de liaison, connecteur 1 ou 2 ; 10 la taille du conducteur : par exemple, la section du fil ; la longueur ; - le code de caractéristiques du conducteur : par exemple, la classe de température, le type d'isolation, le nombre de filaments par fil ; la température maximale ambiante ; 15 la configuration du faisceau de conducteurs : par exemple, le nombre de fils par section (profil du courant) ; Les données d'entrée contact 18 peuvent être par exemple : le type de contact : par exemple épissure, borne (en anglais terminal); 20 le code de caractéristiques de contact : par exemple, la taille, le matériau, la résistance, etc. la configuration de l'épissure : le nombre de fils par section. Les données d'entrée protection 20 peuvent être par exemple : 25 le type de protection : par exemple la famille (mini, auto, SmartMos), des caractéristiques électriques ; identification de protection ; la température ambiante. 30 Les données d'entrée charge 22 peuvent être par exemple : - les caractéristiques de charge : courant nominal, courant maximal ; - identification de charge : le code de charge. Les données d'entrée connectivité 24 peuvent être par exemple, la topologie des 35 liaisons électriques de la batterie à la masse. 2908907 -12- Les données de sortie 14 sont, dans cet exemple, le résultat de la vérification du dimensionnement...FT: PROCEDE DE MODELISATION D'UN RESEAU D'ALIMENTATION ELECTRIQUE POUR VEHICULE AUTOMOBILE REVENDICATIONS 1. Procédé de modélisation d'un réseau électrique d'alimentation pour véhicule automobile, caractérisé en ce que : - on prend en compte les équations différentielles décrivant les comportements thermique et électrique du réseau, les équations thermique et électrique étant couplées entre elles par des variables communes, on résout ces équations différentielles à l'aide d'un logiciel de calcul numérique fonctionnant sur le principe des volumes finis. 2. Application au dimensionnement d'éléments constituant un réseau d'alimentation électrique pour véhicule automobile ou à la vérification du dimensionnement d'éléments constituants un réseau d'alimentation électrique pour véhicule automobile. 3. Module de dimensionnement réalisé selon le procédé de modélisation de la revendication 1.15