Brevet FR2934419A1 — publié le 20100129

Dispositif d'alimentation autonome d'une unité de mesure d'un paramètre de fonctionnement d'un générateur La présente invention concerne un dispositif permettant d'alimenter une unité de mesure de manière autonome, ladite unité permettant de mesurer un paramètre de fonctionnement d'un générateur. L'invention est applicable à tous les domaines dans lesquels sont utilisés des générateurs électriques comportant plusieurs cellules élémentaires, comme par exemple le domaine des piles à combustible, des électrolyseurs, des batteries, des condensateurs ou encore des surcapacités. Certains générateurs électriques, comme par exemple les piles à combustible embarquées dans les véhicules automobiles, comportent une pluralité de cellules élémentaires. Des systèmes électroniques de diagnostic permettent de mesurer la tension aux bornes de ces cellules élémentaires. Ces systèmes de diagnostic doivent eux-même être alimentés en courant électrique, ceci dans un contexte environnemental sévère, notamment un contexte embarqué. De plus, les exigences réglementaires et sécuritaires dans le domaine de l'automobile imposent une isolation galvanique de la pile jusqu'à 1500V. Il s'agit là de l'un des problèmes techniques que la présente invention se propose de résoudre. Certains systèmes de diagnostic embarqués actuels utilisent une source d'alimentation électrique externe comme une batterie 12V et un convertisseur DC/DC. En général, l'isolation galvanique est maîtrisée, même au-delà de 1500°V. La tension délivrée par une source externe permet d'alimenter un système de diagnostic, assurant au moins la lecture et la numérisation des tensions aux bornes des cellules ainsi que la gestion d'une liaison numérique pour communiquer ces informations vers l'extérieur. Cette solution est satisfaisante lorsque le générateur ne comporte que quelques cellules. Mais elle ne l'est plus lorsque le nombre de cellules devient important. En effet, il faut alors ramener les tensions aux bornes des différentes cellules à des niveaux compatibles avec le système de mesure, ceci grâce à des ponts de résistances. Il faut également gérer de nombreux multiplexeurs électromécaniques, avec toutes les difficultés inhérentes à l'acheminement d'un grand nombre d'informations : nombreux potentiels dans le routage, diaphonie, précision, commutations. Il s'agit là encore de l'un des problèmes techniques que la présente invention se propose de résoudre. D'autres systèmes de diagnostic embarqués actuels utilisent une source d'alimentation électrique externe et plusieurs convertisseurs DC/DC, afin de fournir plusieurs sources d'alimentation pour plusieurs systèmes de diagnostic autonomes fonctionnant en parallèle. Cette solution permet de 1 o regrouper les cellules en paquets, chaque paquet étant associé à un convertisseur et au système de diagnostic qu'il alimente. Elle résout également le problème d'isolation galvanique jusqu'à 1500V, même dans le cas d'un grand nombre de cellules. Mais cette solution est pénalisante par son encombrement, notamment dans les domaines embarqués tels que celui 15 de l'automobile.. Il s'agit là encore de l'un des problèmes techniques que la présente invention se propose de résoudre. Cette solution est également pénalisante par le manque de précision et de fiabilité des mesures, qui est essentiellement dû à la complexité des traitements de données. Dans le domaine de l'automobile, la précision sur la mesure des tensions est de 20 l'ordre de 10°mV, ce niveau de précision devant être respecté dans toutes les situations. La précision des mesures ne doit notamment pas être affectée par les fluctuations des tensions d'alimentation. Il s'agit là encore de l'un des problèmes techniques que la présente invention se propose de résoudre. 25 Le brevet français numéro FR 2 866 475 B1 divulgue un système permettant de réguler le niveau d'eau dans les cellules élémentaires d'une pile à combustible, à partir des tensions mesurées aux bornes desdites cellules. Ce brevet décrit un exemple de réalisation, dans lequel un dispositif 30 permet de mesurer les tensions aux bornes des cellules. Il s'agit de l'unité de commande électronique référencée 8 dans les figures annexées audit brevet. Mais le mode d'alimentation de cette unité de commande n'est pas divulgué dans le brevet. La demande internationale numéro WO 2008/017946 A2 divulgue 35 également un système permettant de réguler le niveau d'eau dans les cellules élémentaires d'une pile à combustible, à partir des tensions mesurées aux bornes desdites cellules. Cette demande décrit un exemple de réalisation, dans lequel un dispositif permet de mesurer les tensions aux bornes des cellules. Il s'agit de l'unité de commande référencée 20 dans les figures annexées à la demande. Mais le mode d'alimentation de cette unité de commande n'est pas divulgué dans la demande. L'invention a notamment pour but de pallier les inconvénients précités, en permettant notamment l'alimentation d'un système de diagnostic directement par le générateur qu'il contrôle. Disposer d'une source d'alimentation autonome prise directement sur le générateur permet de concevoir un système de diagnostic dans l'environnement immédiat du générateur, ainsi que de s'affranchir de toute source d'alimentation externe et des fortes contraintes d'isolation qui en découlent. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif permettant d'alimenter une unité de mesure, l'unité permettant de mesurer un paramètre de fonctionnement d'un générateur et l'unité de mesure étant alimentée par ledit générateur. Avantageusement, si le générateur comporte une pluralité de cellules élémentaires connectées en série, l'unité de mesure peut être connectée à une première cellule élémentaire fournissant un référentiel de tension et à une deuxième cellule élémentaire fournissant une tension d'alimentation. L'unité de mesure peut alors être connectée à une troisième cellule élémentaire fournissant la tension à mesurer, cette troisième cellule pouvant par exemple être une des cellules situées entre la première et la deuxième cellule. Par exemple, l'unité de mesure peut mesurer la tension délivrée par une paire de cellules élémentaires contiguës. Dans un mode de réalisation, le dispositif peut comporter un circuit imprimé sur lequel est implantée l'unité de mesure. Si chaque cellule élémentaire du générateur comporte au moins un plot de sortie pour mesurer la tension fournie par ladite cellule, le circuit imprimé peut comporter trois connecteurs, chacun des trois connecteurs pouvant être relié par un fil conducteur à un plot de sortie d'une des trois cellules, chacun des trois connecteurs pouvant être relié à l'unité de mesure par une piste conductrice routée sur le circuit imprimé. L'invention a également pour objet un dispositif permettant d'alimenter une pluralité d'unités de mesure, chaque unité permettant de mesurer un paramètre de fonctionnement du générateur, chaque unité de mesure étant connectée au générateur conformément à ce qui précède. Par exemple, s'il manque des cellules pour alimenter une unité de mesure, alors ladite unité de mesure est fournie en tension d'alimentation par une alimentation locale. Avantageusement, le dispositif peut comporter un module de 1 o traitement permettant de déduire la tension délivrée individuellement par chaque cellule élémentaire du générateur, à partir des tensions délivrées par les paires de cellules élémentaires contiguës mesurées par les unités de mesure. Le circuit imprimé peut être assemblé directement sur le 15 générateur, de manière à minimiser la longueur des fils conducteurs. Le générateur peut être une pile à combustible, par exemple une pile utilisable pour alimenter la chaîne de traction d'un véhicule automobile. 20 L'invention a encore pour principaux avantages qu'elle permet de bénéficier d'un rendement optimum par prélèvement à la source de l'alimentation nécessaire, sans passer par un stockage tampon de l'énergie et par des étages électroniques de conversion. En minimisant le nombre de composants impliqués dans la mesure, l'invention permet également de 25 garantir une excellente sûreté de fonctionnement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui 30 représentent : - la figure 1, par un synoptique, une illustration de l'un des principes de fonctionnement de l'invention, à partir d'un exemple de réalisation permettant de contrôler une pile à combustible utilisable dans un véhicule automobile ; - la figure 2, par un synoptique, une illustration d'un exemple d'agencement des plots de sortie des cellules d'une pile à combustible ; - les figures 3a et 3b, par deux synoptiques, une illustration d'un 5 exemple de branchement aux cellules d'une pile à combustible selon l'invention. La figure 1 illustre par un synoptique l'un des principes de 1 o fonctionnement de l'invention, à partir d'un exemple de réalisation permettant de contrôler une pile à combustible référencée P, la pile P étant utilisable dans un véhicule automobile. La pile P comporte N cellules élémentaires identiques connectées en série les unes aux autres. Sur la figure 1, les N cellules élémentaires sont référencées (Cm)1 La figure 2 illustre par un synoptique un exemple d'agencement 30 des plots de sortie des cellules, à partir du même exemple de réalisation que la figure 1. Dans cet exemple de réalisation, il est possible de mesurer individuellement la tension délivrée par chacune des cellules de la pile P et d'établir un diagnostic d'état de la cellule en comparant la tension mesurée à des seuils de tension. Avantageusement implémenté sous la forme d'une 35 carte électronique, ladite carte doit en outre s'insérer dans un contexte automobile où les exigences en termes de robustesse conditionnent le dimensionnement et l'implantation des divers composants utilisés. Ainsi, chaque cellule ne dispose que de deux plots de sortie P1 et P2, P'1 et P'2, P"1 et P"2 et ainsi de suite. Chaque plot de sortie constitue un point de mesure potentiel, qu'il faut ramener sur la carte de diagnostic. Or, il n'existe pas de connecteur standard permettant de relier P1 et P'1, P'1 et P"1, P2 et P'2, P'2 et P"2 et ainsi de suite. Par conséquent, pour mesurer la tension individuelle d'une cellule, il faut procéder à une lecture croisée de P1 et P'2, de P'1 et P"2 et ainsi de suite. Cela peut conduire à disposer des faisceaux 1 o ramenant de préférence l'ensemble de ces points de mesure d'un seul et même côté de la carte de diagnostic. Dans le cas où la compacité de la pile P ne permettrait pas un accès individuel à chacune des cellules élémentaires, la pile P peut avantageusement être considérée comme deux demi-piles entrelacées, deux 15 plots contigus appartenant alors à deux piles virtuelles distinctes. Cela permet non seulement de limiter les croisements et les accumulations de fils ramenant les points de mesure sur la carte de diagnostic, mais aussi d'éviter un routage trop complexe du circuit imprimé formant la carte. Dans ce cas, la carte de diagnostic peut comporter une pluralité d'unités de mesure 20 identiques à l'unité 7, chaque unité de mesure ne procédant qu'à la lecture d'une paire de cellules contiguës. La détermination de la tension individuelle peut alors être reportée sur des modules de traitement de niveau supérieur. 25 Les figures 3a et 3b illustrent par deux synoptiques un exemple de branchement à des cellules selon l'invention, toujours à partir de l'exemple de réalisation permettant de contrôler la pile P. La figure 3a illustre le branchement aux cellules basses de la pile P, qui sont les cellules les plus proches du référentiel de tension V7 de la pile. La figure 3b illustre le 30 branchement aux cellules hautes de la pile P, qui sont les cellules les plus éloignées du référentiel de tension V7 de la pile. Des unités de mesure (UM) identiques, référencées 1 à 22, sont connectées aux cellules élémentaires d'une première partie de la pile. Des unités de mesure (UM) identiques, référencées 1' à 21', sont connectées aux cellules élémentaires d'une 35 deuxième partie de la pile. Dans l'exemple des figures 3a et 3b, chaque unité de mesure peut être connectée à un lien de référence L5 par le bas, à un lien d'alimentation L3 par le haut et à un lien de mesure L4 latéralement. Dans le présent exemple, chaque unité de mesure peut prendre en compte deux cellules consécutives, ce qui correspond à i°=9+2 pour l'unité de mesure 7 et à j'°=9'+2 pour l'unité de mesure 7'. Chaque unité de mesure est alimentée par une source formée par k-i°=°20 cellules, k-i étant le nombre de cellules nécessaires à l'alimentation des unités de mesure du type utilisé. La tension d'alimentation ainsi délivrée, comprise en mode de fonctionnement de la pile P entre 0,3V*20 (6V) et 1,1 V*20 (22V), permet le fonctionnement permanent 1 o de l'unité de mesure. A partir des plots des cellules élémentaires de la pile P, les liens L3, L4 et L5 peuvent par exemple être formés par des faisceaux de fils, qui relient les plots à des connecteurs répartis de manière régulière sur la carte de diagnostic en regard de l'axe de la pile P. Par exemple, l'implantation de 15 la carte de diagnostic directement contre la pile P peut permettre d'utiliser des faisceaux très courts. Puis, à partir des connecteurs et pour chacune des différentes parties constituant la pile, les liens L3, L4 et L5 peuvent être réalisés sous la forme de pistes conductrices routées sur les différentes couches du circuit imprimé supportant la carte. Cela ne veut pas dire que 20 toutes les unités de mesure 1 à 22 et 1' à 21' sont actives simultanément, mais simplement que les trois données V3, V4 et V5 dont elles ont besoin sont en permanence présentes sur leurs entrées respectives. Il appartient au module de traitement de niveau supérieur d'activer simultanément ou séquentiellement les unités de mesure en fonction de sa capacité de 25 traitement, en particulier pour reconstituer la tension individuelle de chaque cellule élémentaire de la pile P. Par exemple, le milieu de la carte de diagnostic peut être dédié au module de traitement, qui peut être alimenté par la batterie 12V du véhicule. Un réseau de type CAN (� Controller Area Network �) peut assurer l'envoi des données numérisées vers l'extérieur, 30 pour exploitation par des systèmes de supervision par exemple. Il convient de remarquer que les dernières unités de mesure 18 à 22 et 18' à 21' ne sont pas alimentées par k-i cellules selon l'invention, puisque pour ces unités de mesure, il manque des cellules pour pouvoir former une source d'alimentation à k-i cellules. Dans le présent exemple de 35 réalisation, une alimentation locale 6V peut remplacer les cellules manquantes. Elle est connectée aux dernières cellules 18 à 22 et 18' à 21'. Cependant, il existe bien d'autres stratégies pour alimenter les dernières cellules sans déroger aux principes de l'invention. Il faut comprendre que l'alimentation directe par la pile des unités de mesure permet non seulement de garantir l'isolation galvanique, mais également de supprimer les convertisseurs DC/DC et ainsi de limiter considérablement l'encombrement. Par ailleurs, en restreignant l'usage des 1 o faisceaux de fils à l'établissement de liens entre les plots et les connecteurs de la carte et en privilégiant le routage des liens sur le circuit imprimé, la présente invention permet non seulement de limiter encore l'encombrement, mais elle permet également une autonomie totale des unités de mesure et la suppression des multiplexeurs électromécaniques. La robustesse globale de 15 la carte de diagnostic est fortement améliorée, surtout lorsque la fréquence de lecture par le superviseur de la tension aux bornes des cellules est importante. 20 Il est tout à fait envisageable d'étendre les principes de la présente invention à la mesure d'autres paramètres associés à un générateur, comme la température ou le champ magnétique par exemple. Il est même envisageable d'étendre les principes de la présente invention au pilotage d'actionneurs, dès lors que le générateur est maintenu en état de 25 fonctionnement nominal ou au moins contrôlé. L'invention décrite précédemment a encore pour principaux avantages qu'elle s'adapte très facilement au nombre de cellules 30 élémentaires formant le générateur, qu'il s'agisse d'électrolyseurs, d'éléments de batterie, de condensateurs ou encore de supercapacités. Elle peut également permettre de doter le générateur d'un capteur intelligent accessible par l'ensemble des calculateurs à travers un réseau CAN. REVENDICATIONS1. Dispositif comportant un générateur (P) et une unité de mesure ou d'actionneur (7), l'unité permettant de mesurer ou d'agir sur un paramètre de fonctionnement du générateur, le dispositif étant caractérisé en ce que l'unité (7) est alimentée par le générateur. 2. Dispositif selon la revendication 1, le générateur (P) comportant N cellules élémentaires (Cm)1 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'unité (7) est connectée à une troisième cellule élémentaire Cj où 1 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la cellule élémentaire Cj est telle que j est compris entre i et k. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les cellules Ci et Cj sont telles que i j-i =2, de sorte que l'unité (7) mesure la tension 25 délivrée par une paire de cellules élémentaires contiguës. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit imprimé sur lequel est implantée l'unité (7). 30 7. Dispositif selon la revendication 6, chaque cellule élémentaire du générateur (P) comportant au moins un plot de sortie pour mesurer la tension fournie par ladite cellule, le dispositif étant caractérisé en ce que le circuit imprimé comporte :- un premier connecteur relié par un fil conducteur (L5) au plot de sortie de la cellule élémentaire Ci ; un deuxième connecteur relié par un fil conducteur (L3) au plot de sortie de la cellule élémentaire Ck ; un troisième connecteur relié par un fil conducteur (L4) au plot de sortie de la cellule élémentaire Cj. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que chacun des trois connecteurs est relié à l'unité (7) par une piste conductrice routée sur le circuit imprimé. 9. Dispositif selon la revendication 8 comportant une pluralité d'unités de mesure (1 à 22, 1' à 21'), chaque unité permettant de mesurer un paramètre de fonctionnement du générateur (P), le dispositif étant caractérisé en ce que chaque unité de mesure est connectée au générateur (P) conformément à la revendication 8. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que, si une unité de mesure est connectée au générateur (P) de telle sorte que i=N-1 et j=N ou de telle sorte que i=2 et j=1, alors ladite unité de mesure est fournie en tension d'alimentation par une alimentation locale. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte un module de traitement permettant de déduire la tension délivrée individuellement par chaque cellule élémentaire du générateur (P), à partir des tensions délivrées par les paires de cellules élémentaires contiguës mesurées par les unités de mesure (1 à 22, 1' à 21'). 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le circuit imprimé est assemblé directement sur le générateur (P), de manière à minimiser la longueur des fils conducteurs (L3, L4, L5). 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le générateur est une pile à combustible (P).35 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que la pile à combustible (P) est utilisable pour alimenter la chaîne de traction d'un véhicule automobile.