Brevet FR2966642A1 — publié le 20120427

-B-18621-FR DISPOSITIF DE REGULATION D'UNE BOBINE DE RELAIS DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne de manière générale un relais électromécanique permettant la commutation de liaisons électriques et plus particulièrement le dispositif de commande de l'électroaimant ou bobine d'un tel relais. Ces relais sont utilisés notamment dans les systèmes de commutation des véhicules. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE 10 Les architectures électriques des véhicules intègrent de plus en plus de fonctions de sorte que les modules électroniques intégrant ces fonctions doivent gérer et concentrer de plus en plus de puissance dans un volume de plus en plus limité. Il en ressort que certains boitiers électroniques, en 15 particulier sous capot moteur, ont atteints leur limite technologique et thermique. Un exemple de structure standard de relais électromécanique contenu dans de tels boîtiers est fourni à la figure 1. Un microcontrôleur ou circuit de commande 1 permet de commander l'activation d'un commutateur 20 2 au travers d'un électroaimant formé typiquement d'une bobine 3 enroulée autour d'un circuit magnétique. Dans le cadre d'une application dans le domaine de l'automobile, la source d'énergie provient de la batterie 4 du véhicule. Avec une telle structure, on notera que le pilotage des bobines est réalisé en continu sans asservissement. -2 Une telle structure standard présente un certain nombre d'inconvénients. Ainsi, dans un véhicule, la batterie couplée à l'alternateur peut délivrer une large plage de tension d'alimentation (typiquement 5,6V à 18V). Certains relais doivent être fonctionnels sur toute cette plage. Or, d'un point de vue fonctionnel, il est difficile de commander ou de maintenir la commande d'un relais à haute température pendant des phases de tension basse de la batterie, comme par exemple au démarrage ou en cas de batterie sous chargée. Une tension élevée de la batterie peut causer des dommages sur le relais, comme une élévation de la température, pouvant aller jusqu'à dégradation. De plus, d'un point de vue de la consommation énergétique, il est nécessaire de réduire toujours plus les émissions de CO2 du véhicule en particulier pour se conformer aux législations actuelles et futures en la matière. Si l'on prend en compte des études récentes sur le sujet, (catalogue de consommation 2010 du TCS, page 4, http://www.bfe.admin.ch/energieetikette/00886/index.html?lang=fr), on arrive pour un litre de carburant de type Diesel à une production de 2,61 Kg de CO2, ce qui revient pour une consommation par I/100km à une production de 26,1g CO2/km. En outre une autre étude (www.elsevier.com) montre que la consommation de 100 W de puissance nécessite 0,151 sur 100km. Il est donc important de limiter la puissance dissipée autant que possible. Or la puissance dissipée par un relais standard peut s'avérer rapidement non négligeable. En effet, le contact du relais est collé par le biais du champ magnétique crée par le courant circulant dans la bobine. Ce courant est dépendant du niveau de batterie et de la valeur de la résistance de la bobine qui elle-même dépend de la température ambiante. Si l'on considère par exemple, une tension maximum de batterie (Ubat) en fonctionnement nominal de 16V et une résistance de la bobine (Rbob) de l'électroaimant standard automobile de 1200, la puissance dissipée dans la bobine est donnée par la formule suivante : Pbob = Ubat2 / Rbob = 162/120 = 2,13W -3 Sans régulation, le courant peut varier d'un facteur supérieur à 3 du fait de la large plage de tension et de la température automobile. Or la puissance dissipée par le relais est directement liée au courant traversant la bobine et peut atteindre un niveau trop important pour le composant (relais) comme pour le produit (calculateur). On comprend de ce fait qu'une structure standard de relais présente des lacunes en termes de qualité et de sécurité au niveau du diagnostique et de la détection de défaillance des bobines de relais dans la mesure où il n'est pas prévu de moyens de prévention d'échauffements aggravés. En effet, cette puissance dissipée peut être une des causes principales d'échauffement du produit pouvant provoquer emballements thermique et défaillances avec impact sur le fonctionnement et la sécurité du véhicule. RESUME DE L'INVENTION 15 Un but de la présente invention est de répondre aux inconvénients mentionnés ci-dessus en fournissant une structure de commande de bobine de relais électromagnétique dont la puissance dissipée est limitée de sorte à minimiser les risques d'échauffements et de défaillances tout en réduisant 20 la consommation énergétique. Dans ce but, un premier aspect de la présente invention concerne un relais électromécanique comprenant un électroaimant commandé en entrée par un circuit de commande et apte à transmettre lorsqu'il est alimenté, une force à un circuit de commutation pour assurer la commutation en sortie 25 d'un circuit de puissance, caractérisé en ce que le circuit de commande comprend des moyens de régulation du courant traversant l'électroaimant. L'introduction de moyens de régulation permet de réduire le courant traversant la bobine de l'électroaimant et donc d'améliorer les performances en particulier en termes de consommation par limitation du courant 30 consommé par le relais. L'application de ce principe à tous les relais d'un véhicule permet de multiplier les effets obtenus et de faire baisser l'émission globale de CO2 par le véhicule et ainsi de limiter les pénalités aux constructeurs. Une telle structure de relais avec régulation du courant traversant la bobine permet en outre d'améliorer la qualité et la sécurité par la prévention d'échauffements aggravés. Enfin, elle permet une simplification de la conception du module embarqué sous capot moteur en raison de contraintes moins fortes sur le choix des composants du fait de la baisse globale de la température du produit. Selon un mode de réalisation avantageux, les moyens de régulation sont des moyens de régulation à découpage réalisés par asservissement du courant moyen traversant l'électroaimant à un courant de consigne par le biais d'une commande en modulation de largeur d'impulsion. De tels moyens de régulation présentent de nombreux avantages notamment fonctionnels par la commande ou le maintien de la commande des relais pendant des phases de tension basse de la batterie, par ex. au démarrage, ou pour une batterie sous chargée... Cette solution permet également d'améliorer l'entrée des régulateurs (pré-régulation) du produit pendant les phases de tension basse; conformément au principe des alimentations à découpage en utilisant les bobines de relais comme inductances. Selon un autre mode de réalisation avantageux, il est prévu des moyens de mesure du courant traversant l'électroaimant et des moyens de régulation qui ajustent le rapport cyclique de la commande en modulation de largeur d'impulsion en fonction du courant de consigne et de la mesure de courant. Selon un autre mode de réalisation avantageux, un signal de commande de l'électroaimant comprend une première phase de commutation, une deuxième phase de maintien pendant laquelle est appliquée la commande en modulation de largeur d'impulsion et une troisième phase de relâche. Selon un autre mode de réalisation avantageux, il est prévu des moyens de démagnétisation lente de l'électroaimant lors de la deuxième phase de maintien afin de maintenir un courant stable. Selon un autre mode de réalisation avantageux, les moyens de 5 démagnétisation lente sont constitués par une diode mise en parallèle de l'électroaimant pendant la phase de maintien. Selon un autre mode de réalisation avantageux, il est prévu des moyens de démagnétisation rapide de l'électroaimant lors de la troisième phase de relâche afin de ne pas endommager le contact par une ouverture 10 lente. Selon un autre mode de réalisation avantageux, les moyens de démagnétisation rapide sont constitués par une diode Zener mise en parallèle de l'électroaimant pendant la phase de relâche. Selon un autre mode de réalisation avantageux, la fréquence de la 15 commande en modulation de largeur d'impulsion est sélectionnée pour être sensiblement inférieure à la fréquence de commutation du circuit de commande. Selon un autre mode de réalisation avantageux, la fréquence de la commande en modulation de largeur d'impulsion est sélectionnée pour être 20 supérieure aux fréquences audibles pour les animaux. Selon un autre mode de réalisation avantageux, le relais électromécanique est un relais électromécanique monostable conçu pour l'automobile. L'invention selon un deuxième aspect concerne un boîtier de 25 servitude moteur pour véhicule automobile comprenant une pluralité de relais électromécaniques selon le premier aspect. L'invention selon un troisième aspect concerne un procédé de commutation d'un relais électromécanique d'un boîtier de servitude moteur pour véhicule automobile comprenant les étapes consistant à (i) 30 commander un électroaimant (13) en entrée par un circuit de commande (11), (ii) réguler par asservissement du courant moyen (Ibob) traversant l'électroaimant à un courant de consigne par le biais d'une commande en modulation de largeur d'impulsion, (iii) transmettre une force à un circuit de commutation (12), et (iv) commuter en sortie un circuit de puissance, BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit 10 de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1, déjà décrite, représente une structure standard de relais électromécanique ; - la figure 2 représente une structure de relais électromécanique 15 selon un mode de réalisation de la présente invention ; - la figure 3 représente un chronogramme d'activation d'un relais selon un mode de réalisation de la présente invention ; - la figure 4 représente schématiquement la structure d'asservissement d'un relais électromécanique ; 20 - la figure 5 représente la courbe de courant traversant le relais ; - la figure 6 représente l'évolution des pertes de commutation par rapport au signal de commande.5 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L'invention sera décrite ci-après uniquement à titre d'exemples non limitatifs en relation avec les figures 2 à 6. Les hypothèses de calcul seront 5 données à titre purement indicatif afin d'illustrer l'invention. Comme mentionné en introduction, un des objectifs principaux de la présente invention consiste à limiter la puissance dissipée par les composants électromécaniques, par exemple de type relais monostable, commutant des alimentations pour les organes d'un véhicule. Cette 10 puissance dissipée peut être une des causes principales d'échauffement du produit pouvant provoquer emballement thermique et défaillance avec impact sur le fonctionnement et la sécurité du véhicule. La figure 2 représente une structure de relais électromécanique selon un mode de réalisation préféré de la présente invention dans lequel la 15 limitation en puissance est réalisée par une commande de bobines de relais en mode MLI, c'est-à-dire en Modulation de Largeur d'Impulsion, avec un asservissement du courant moyen traversant la bobine du relais. Sur la figure 2, on retrouve un microcontrôleur ou circuit de commande 11 permettant de commander l'activation d'un commutateur 12 20 pour assurer la commutation en sortie d'un circuit de puissance (non représentée) au travers d'un électroaimant formé typiquement d'une bobine 13 enroulée autour d'un circuit magnétique. Le commutateur 12 ou contact du relais est collé par le biais du champ magnétique créé par le courant circulant dans la bobine 13. Dans le cadre d'une application dans le 25 domaine de l'automobile, la source d'énergie provient de la batterie 14 du véhicule. Un étage de commande 15 est placé en sortie du circuit de commande 11 pour assurer la transmission d'une consigne au reste du relais. Cet étage de commande 15 comprend une résistance d'adaptation et 30 un transistor de commande 16. En mode MLI, un filtre RC 17 filtre le signal en modulation de largeur d'impulsion, stockant une composante continue aux bornes du condensateur C et commande en sortie un commutateur, par exemple un transistor 18 de type NPN. Le transistor 18 commande à son tour un autre commutateur, un transistor 19 de type PNP dans cet exemple. De sorte que le circuit équivalent de la structure de relais revient à avoir les diodes 20 et 23 en parallèle de la bobine 13. Les diodes 20 et 23 sont maintenues en parallèle de la bobine 13 tant que le transistor 19 reste conducteur. Ainsi, lorsque le signal de modulation à largeur d'impulsion est à l'état bas, la structure de relais permet une démagnétisation lente au travers des diodes 20 et 23 (pente = Vdiode/L). Lorsque le signal de modulation à largeur d'impulsion est à l'état haut, la structure de relais permet de magnétiser la bobine au travers du transistor 16. Lorsque le signal de modulation de largeur d'impulsion reste à l'état bas pendant au moins 3 périodes, le condensateur C du filtre 17 se décharge, ce qui entraîne l'ouverture du transistor 18 qui entraîne à son tour l'ouverture transistor 19 de sorte que le circuit équivalent de la structure revient à avoir la bobine en parallèle de la chute de tension entre la batterie 4 et la diode Zener 21. Ainsi, la structure de relais permet une démagnétisation rapide au travers des diodes 23 et Zener 21 (pente = (Vbat - Vzenerg)- On notera que la démagnétisation doit être avantageusement lente, ce qui est représenté sur la figure par la flèche A, pour maintenir un courant stable dans la bobine durant le mode MLI mais doit être rapide, ce qui est représenté sur la figure par la flèche B, lors de l'ouverture du contact pour éviter de le détériorer rapidement. L'effet de cette démagnétisation est visible à la figure 5 sur laquelle est représentée la courbe de courant traversant la bobine de relais. La première partie montre que pendant le mode MLI la démagnétisation de la bobine s'opère de manière lente tandis qu'après un arrêt de la fonction (cf. Figure 4), la démagnétisation devient rapide. Considérant de nouveau la figure 2, une résistance 22, de type shunt, est insérée dans la boucle référencée à la masse pour mesurer l'image du courant. La chute de tension dans la résistance doit être assez faible pour limiter son impact sur le courant de saturation du transistor 16 mais doit être néanmoins suffisamment élevée pour mesurer un niveau de tension assez précis par le convertisseur analogique-numérique du microcontrôleur / circuit de commande 11. Ainsi par exemple, on pourra utiliser les critères d'appréciation suivants pour le choix de la résistance. Tout d'abord, la valeur de la résistance sera limitée à une chute de tension de l'ordre du volt, typiquement 1V à 2V maximum pour une tension de commande de 5V du transistor 16, tout en étant suffisamment élevée pour être significative (de préférence de l'ordre de 25%) face à la plage de mesure du convertisseur analogique-numérique (typiquement de 0 à 5V), soit avantageusement une chute de tension maximale de l'ordre de 1,2V. Ensuite, on sélectionnera de préférence une tolérance (initiale + dérive en température) de l'ordre du pourcent pour limiter les erreurs de mesure (1% à 2% max). On pourra encore choisir une résistance dont la puissance dissipée sera faible, de préférence bien inférieure au Watt. Le courant traversant la bobine 13 est dépendant du niveau de batterie 14 et de la valeur de la résistance de la bobine qui elle-même dépend de la température ambiante. La valeur de résistance de la bobine peut être spécifiquement choisie selon les possibilités du fournisseur pour assurer un fonctionnement correct du relais à un niveau de tension minimum et à température maximale. Le choix d'avoir une résistance de mesure de courant pour chaque bobine des différents relais que peuvent comprendre un véhicule, permet d'ajuster à un courant optimum et de façon individuel, relais par relais, et ceci sans considérer le niveau de batterie ni la température de la bobine. Si l'on considère les mêmes conditions que celles prises pour l'exemple avec une structure standard, on constate que la puissance à dissiper pour un relais dont le courant traversant la bobine est régulé à sa -10- valeur optimale de maintien 0.e. à 67mA dans cet exemple), est nettement inférieure : Pbob = Ibob2 X Rbob = 0,0672 x 120 = 0,54W ; Soit dans cet exemple une diminution de 1,59W de la puissance à dissiper dans la bobine. Sachant que dans la plupart des produits, cohabitent plusieurs relais, la diminution en puissance sera d'autant plus importante qu'il y aura un grand nombre de relais. Dans le cas d'une régulation par découpage, le bloc de régulation doit dissiper également les pertes en commutation considérées, ces pertes étant de l'ordre de 10% à 20% maximum de la puissance fournie. Ce qui donne une puissance totale dissipée de l'ordre de 0,59 à 0,65W contre 2,13W pour une structure standard telle que représentée à la figure 1, soit une économie globale de l'ordre de 1,38W. La figure 3 représente un chronogramme d'activation d'un relais en mode MLI. Le signal de commande pour une régulation à découpage par modulation de la largeur d'impulsion comprend trois phases P1 à P3. Une première phase de commutation P1_Com pendant laquelle le signal de commande est maintenu à un niveau haut pendant un laps de temps déterminé pour permettre la commutation du relais avant le début de la commande en mode MLI à proprement parler. Il est en effet nécessaire d'apporter une énergie de commande suffisante pour faire bouger mécaniquement le contact depuis sa position ouverte à sa position fermée. Pour cela, une commande continue de 100ms pourra être réalisée pour permettre la commutation du relais avant la commande MLI. Une deuxième phase de maintien P2_MLI pendant laquelle le signal de commande est en mode MLI pour permettre le maintien de la commande même lorsque la tension de batterie est faible ou lors du démarrage. En effet, une fois la transition mécanique assurée durant la première phase, il n'est plus nécessaire de maintenir ce niveau d'énergie d'où le fonctionnement en commande MLI. Enfin, le signal de commande comprend une troisième phase de relâche P3_Rel pendant laquelle le signal est à un niveau bas pour stopper le contact du commutateur. La fréquence du signal MLI doit être de préférence supérieure aux fréquences audibles (i.e. 35kHz pour les animaux domestiques), et également suffisamment inférieure à la fréquence de transition de l'étage de commande de sorte à limiter les pertes en commutation et les effets de retard entre commande et pilotage de la bobine (cf. figure 6) et à être compatible avec les ressources du microcontrôleur. Selon les recommandations des fournisseurs de relais et des contraintes automobiles/composants, la fréquence doit avantageusement se situer dans une plage allant de 40kHz à 60kHz. Comme indiqué ci-avant, la figure 6 représente l'évolution des pertes de commutation par rapport au signal de commande. Le premier chronogramme représente un exemple du signal de commande V~m du transistor de commande 16. Le deuxième chronogramme représente l'évolution du courant (IT) et de la tension (VT) aux bornes de ce même transistor de commande et en particulier le point de croisement entre les deux. Enfin, le troisième chronogramme représente les pertes dues au découpage en mode MLI. On constate une perte de commutation lors des commandes de fermeture et d'ouverture du transistor et des pertes en conduction pendant le mode MLI. On notera à cet effet que plus la fréquence est grande, plus la partie perte de commutation (invariable) devient importante face à la perte en conduction. En effet, lorsque la fréquence augmente le temps (Ton) pendant lequel le transistor est conducteur diminue. La figure 4 représente schématiquement la structure d'asservissement d'un relais électromécanique. L'asservissement est réalisé par le microcontrôleur à partir de la mesure de la tension aux bornes de la résistance shunt, qui fournit une image du courant (Ibob) traversant la bobine. Selon la consigne (Cons_i) désirée pour un type de relais, le microcontrôleur ajuste le rapport cyclique du signal MLI. A cet effet, le -12- microcontrôleur Calcule le rapport cyclique nécessaire du signal en mode MLI pour faire tendre le courant de bobine mesuré vers la consigne. Si le courant mesut'é est trop faible par rapport à la consigne fixe, le rapport cyclique augmente et inversement. On comprendra que diverses modifications et / ou améliorations évidentes pour l'homme du métier peuvent être apportées aux différents modes de réalisation de l'invention décrits dans la présente description sans sortir du cadre de l'invention défini par les revendications annexées. En particulier, on pourra prévoir une version simplifiée du montage sans mesure du courant traversant la bobine. Cette alternative consiste à n'utiliser que l'information reçue au niveau de la batterie pour l'ensemble des relais afin d'ajuster le rapport cyclique. Une telle version bien qu'économique n'est pas optimale dans la mesure où elle consiste à ne mesurer que le niveau de batterie au travers d'un pont diviseur de résistances pour l'adaptation à la plage de tension d'un convertisseur analogique-numérique, pour calculer le rapport cyclique du signal de commande MLI, rapport cyclique alors commun à tous les relais par exemple. On notera encore que la structure de relais électromécanique s'applique plus particulièrement à des relais monostables, c'est-à-dire dont ~e3 défl ects commutent quand la bobine est excitée et dont le retour à l'état iffirer sé fait quand la bobine n'est plus excitée. REVENDICATIONS1. Relais électromécanique conçu pour l'automobile comprenant un électroaimant (13) commandé en entrée par un circuit de commande (11) et apte à transmettre lorsqu'il est alimenté, une force à un circuit de commutation (12) pour assurer la commutation en sortie d'un circuit de puissance, caractérisé en ce que le circuit de commande comprend des moyens de régulation du courant traversant l'électroaimant. 2. Relais électromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de régulation sont des moyens de régulation à découpage réalisés par asservissement du courant moyen (Ibob) traversant l'électroaimant à un courant de consigne par le biais d'une commande en modulation de largeur d'impulsion. 3. Relais électromécanique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure du courant (22) traversant l'électroaimant (13) et en ce que les moyens de régulation ajustent le rapport cyclique de la commande en modulation de largeur d'impulsion en fonction du courant de consigne et de la mesure de courant. 4. Relais électromécanique selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'un signal de commande de l'électroaimant comprend une première phase de commutation (P1_Com), une deuxième phase de maintien (P2_MLI) pendant laquelle est appliquée la commande en modulation de largeur d'impulsion et une troisième phase de relâche (P3_Rel). 5. Relais électromécanique selon la revendication 4, caractérisé 25 en ce qu'il comprend des moyens de démagnétisation lente (20) de l'électroaimant lors de la deuxième phase de maintien. 6. Relais électromécanique selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de démagnétisation lente sont constitués par deux diodes mises en parallèle de l'électroaimant pendant la phase de maintien.-14- 7. Relais électromécanique selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de démagnétisation rapide (21) de l'électroaimant lors de la troisième phase de relâche. 8. Relais électromécanique selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de démagnétisation rapide sont constitués par une diode Zener mise en parallèle de l'électroaimant pendant la phase de relâche. 9. Relais électromécanique selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la fréquence de la commande en modulation de largeur d'impulsion est sélectionnée pour être sensiblement inférieure à la fréquence des transitions du circuit de commande. 10. Relais électromécanique selon la revendication 9, caractérisé en ce que la fréquence de la commande en modulation de largeur d'impulsion est sélectionnée pour être supérieure aux fréquences audibles pour les animaux. 11. Relais électromécanique selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le relais électromécanique est un relais électromécanique monostable conçu pour des applications automobile. 12. Boîtier de servitude moteur d'un véhicule automobile 20 comprenant une pluralité de relais électromécaniques selon l'une quelconques des revendications précédentes. 13. Procédé de commutation d'un relais électromécanique d'un boîtier de servitude moteur pour véhicule automobile comprenant les étapes consistant à : 25 - commander un électroaimant (13) en entrée par un circuit de commande (11) ; - réguler par asservissement du courant moyen (Ibob) traversant l'électroaimant à un courant de consigne par le biais d'une commande en modulation de largeur d'impulsion ;-15- transmettre une force à un circuit de commutation (12) ; commuter en sortie un circuit de puissance,