Brevet FR2988854A1 — publié le 20131004

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un circuit pour sur- veiller la séparation des potentiels d'un réseau électrique, notamment d'un véhicule automobile entre le réseau haute tension et le réseau basse tension du réseau électrique, reliés à la masse, - le réseau haute tension ayant une première borne pour le premier potentiel d'alimentation et une seconde borne pour le second potentiel d'alimentation d'une source de tension. L'invention se rapporte également à un procédé de sur- veillance de la séparation des potentiels d'un réseau électrique, notam- ment d'un véhicule automobile entre le réseau haute tension et le réseau basse tension du réseau électrique, reliés à la masse, - le réseau haute tension ayant une première borne pour le premier potentiel d'alimentation et une seconde borne pour le second poten- tiel d'alimentation d'une source de tension. Etat de la technique Selon l'état de la technique, on connaît des circuits et des procédés de surveillance de la séparation de potentiels. En particulier dans les véhicules automobiles actuels équipés d'un système d'entrai- nement hybride, le réseau électrique embarqué se compose de deux parties, un réseau haute tension relié à une source de haute tension pour alimenter la machine électrique ou qui reçoit de l'énergie électrique de la machine électrique ainsi qu'une source basse tension pour alimenter la partie traditionnelle du réseau embarqué. Cette partie tradi- tionnelle se compose par exemple de consommateurs, tels que l'éclairage de l'habitacle, l'alimentation de la radio ou du système de navigation. Les normes et la règlementation ainsi que les nécessités fonctionnelles, demandent une séparation des potentiels entre le réseau haute tension et le réseau basse tension. Il faut surveiller cette sépara- tion de potentiel pour garantir le bon fonctionnement du véhicule. On connaît déjà différents procédés pour effectuer cette surveillance, mais ces procédés ont l'inconvénient de ne détecter que des défauts asymétriques de sorte que si l'isolation ou la séparation de potentiel des deux réseaux de tension se détériore dans le même sens, on ne peut détecter cette détérioration. D'autres procédés connus sont compliqués et coû- teux et ne peuvent s'appliquer à un convertisseur en fonctionnement, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent être appliqués qu'avant et après un cycle de fonctionnement, mais non pendant que le réseau électrique est utilisé. Habituellement, les deux réseaux de tension sont reliés à la masse ou à une borne de masse et le réseau haute tension est avantageusement relié à la masse par le côté haute tension et avec un accumulateur d'énergie. Le réseau haute tension comporte à cet effet deux bornes dont la première est reliée au premier potentiel d'alimentation, par exemple le pôle plus et la seconde borne est reliée au second poten- tiel d'alimentation, par exemple le pôle négatif de la source de tension. Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour but de remédier aux incon- vénients des solutions connues et a ainsi pour objet, un circuit caracté- risé par - au moins une résistance variable branchée respectivement entre les bornes et la masse, et - une installation de mesure de tension pour détecter un déplacement de potentiel de la masse par rapport aux potentiels d'alimentation si au moins l'une des résistances est modifiée ainsi qu'une installation d'exploitation qui détermine le bon fonctionnement de la séparation des potentiels en fonction des décalages détectés des potentiels. Le circuit selon l'invention a l'avantage par rapport aux circuits connus d'être robuste et économique et de pouvoir s'appliquer pendant le fonctionnement du réseau électrique, c'est-à-dire du véhi- cule automobile pour détecter un défaut de séparation des potentiels et notamment un défaut symétrique. Dans le circuit selon l'invention tel que défini ci-dessus, entre chaque borne du réseau haute tension et la masse, on a ainsi une résistance variable dont on peut modifier, si besoin, la valeur. L'installa- tion de mesure de tension détecte le décalage des potentiels entre la masse et les bornes, c'est-à-dire des potentiels de la tension d'alimentation appliquée à chacune des bornes sous la forme de tensions, notamment de tensions de sortie lorsqu'au moins l'une des résistances est modifiée. En modifiant la résistance, on produit un décalage des potentiels si la séparation des potentiels fonctionne correctement. Une installation d'exploitation, détermine en fonction du décalage de potentiel détecté, en procédant notamment à la comparai- son avec un décalage prévisible des potentiels, si la séparation des po- tentiels fonctionne correctement. Si le décalage des potentiels détectés diffère du décalage des potentiels prévisible ou s'il en diffère trop, l'installation d'exploitation diagnostique un défaut dans la séparation des potentiels. Le cas échéant, l'installation d'exploitation prend des con- tremesures ou des mesures de sécurité, telles que la coupure du sys- tème. Pour obtenir un résultat significatif, on suppose connue la tension appliquée entre les bornes du réseau haute tension. Comme le réseau haute tension est relié habituellement à une source d'énergie appropriée, on peut soit prévoir la tension, soit la détectée par des moyens de mesure simples. De façon préférentielle, les résistances variables sont constituées chacune par une résistance de mesure ayant une valeur fixe prédéterminée et un interrupteur associé, commandé, pour brancher ou couper la résistance de mesure respective. Au lieu d'utiliser des résistances de mesure coûteuses dont la valeur est variable, l'invention prévoit simplement de brancher ou de couper une résistance de mesure, ce qui constitue une possibilité particulièrement simple et économique pour modifier une valeur de résistance et détecter le décalage de potentiel. De façon particulièrement préférentielle, chaque résis- tance de mesure est fortement ohmique. Il est notamment prévu une valeur de résistance de 5 MOhm pour chaque résistance de mesure. Selon un autre développement préférentiel, l'installation de mesure de tension comporte un diviseur de tension entre l'une des bornes et la masse. Le diviseur de tension permet de déplacer la tension de sortie ou le décalage de potentiel dans une plage qui se mesure avec des composants économiques. De façon préférentielle, l'installation de mesure de ten- sion comporte en plus un amplificateur, notamment sous la forme d'un convertisseur d'impédance ou d'un amplificateur électromètre. L'ampli- ficateur est installé de préférence entre le point de mesure et la prise de la mesure de façon à ne pratiquement pas influencer la mesure par les caractéristiques du circuit. L'invention a également pour objet un procédé de surveil- lance de la séparation des potentiels dans un réseau électrique du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu' - on branche au moins une résistance variable entre les bornes et la masse, et - on modifie au moins l'une des résistances et on détecte le décalage de potentiel de la masse qui en résulte par rapport aux potentiels d'alimentation, et - on détermine l'aptitude au fonctionnement de la séparation des po- tentiels, en fonction du décalage de potentiel. Le procédé selon l'invention défini ci-dessus, compare no- tamment le décalage des potentiels détecté à un décalage prédéfini de potentiels de référence. Si le décalage de potentiel détecté diffère du décalage de potentiel de référence ou en diffère trop, on diagnostic un défaut dans la séparation des potentiels. Le décalage de potentiel de référence est de préférence prédéfini dans une plage dans laquelle on tolère encore un écart sans émission de message de défaut. Selon un développement avantageux, on modifie une première des résistances et ensuite, l'autre résistance et on détecte le décalage de potentiel qui en résulte. De façon avantageuse, le décalage de potentiel comme décrit ci-dessus, est détecté par une installation de mesure de tension comportant un diviseur de tension entre l'une des bornes et la masse et de préférence un amplificateur. Les résistances sont de préférence des résistances de mesure ayant une valeur fixe auxquelles est associé un interrupteur pour brancher ou couper cette résistance. Les résistances sont ainsi modifiées par le simple actionnement de leur interrupteur. Le décalage de potentiel respectif est détecté de préférence comme tension par une installation de mesure de tension. Suivant une autre caractéristique, de préférence à partir des tensions détectées, on forme une différence de tension que l'on compare à une valeur de référence prédéfinie ou une différence de ten- sion de référence. Il y a ainsi comparaison entre le décalage de potentiel détecté et le décalage de potentiel de référence. Si la différence de tension détectée diffère de la différence de tension de référence, on conclut qu'il y a un défaut dans la séparation des potentiels et on émet par exemple un message de défaut. De manière préférentielle, la surveillance de la séparation des potentiels se fait de manière continue, notamment pendant le fonctionnement du réseau électrique du véhicule automobile et en particulier du véhicule hybride en répétant pour avoir un contrôle continu de la séparation de potentiel. Des-A= La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation d'un circuit pour surveiller la séparation des potentiels d'un réseau électrique représenté dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre un système d'entraînement caractéristique d'un véhicule hybride, - la figure 2 est un schéma par blocs du réseau électrique d'un véhicule hybride, - la figure 3 montre le circuit de surveillance de la séparation des po- tentiels, - la figure 4 est un schéma simplifié pour une première évaluation, - les figures 5 à 8 sont des courbes donnant des exemples de résultat de la surveillance. Dert de modes de réalisaVy. de 1'invetic.1 La figure 1 montre de manière simplifiée un dispositif d'entraînement hybride 1 d'un véhicule qui n'est que schématisé. Le dispositif d'entraînement hybride 1 a un moteur thermique 2, classique, dont l'arbre de sortie est relié à une machine électrique 3. La machine électrique 3 est elle-même reliée par un embrayage commandé 4 à une boîte de vitesses 5 dont l'arbre de sortie est relié aux roues motrices du véhicule. Alors que le moteur thermique 2 est alimenté en carbu- rant à partir d'un réservoir 6, la machine électrique 3 est reliée au ré- seau électrique 7 du véhicule. Le réseau électrique 7 se compose d'un réseau haute tension 8 et d'un réseau basse tension 9. Le réseau haute tension 8 est relié à la machine électrique 3 et comporte un accumulateur d'énergie 10 relié à la machine électrique 3 par un onduleur 11. L'accumulateur d'énergie 10 est associé à un système de gestion d'éner- gie 12 qui détecte par exemple l'état de charge de l'accumulateur d'énergie 10 et autorise ou prédéfinit le fonctionnement de la machine électrique 3 comme générateur ou comme moteur en fonction de l'état de charge. Le réseau basse tension 9 comporte également un accu- mulateur d'énergie électrique 13 pour une tension relativement plus basse, notamment pour la tension usuelle du réseau embarqué qui est de 12 V. L'accumulateur d'énergie 13 est relié au réseau haute tension 8 par un convertisseur de tension continue 26. Pour garantir le bon fonctionnement du dispositif d'en- traînement hybride 1, il faut séparer le potentiel du réseau haute ten- sion 8 de celui du réseau basse tension 9. La figure 2 est un schéma d'un tel réseau électrique 7 montrant à gauche l'accumulateur d'énergie 10 du réseau haute tension 8; le réseau haute tension 8 est relié à la première borne T+ du pôle positif de l'accumulateur d'énergie 10 et à la seconde borne T- du pôle négatif de l'accumulateur d'énergie 10, de sorte que les bornes T+ et T-, reçoivent des potentiels d'alimentation différents de l'accumulateur d'énergie 10. La tension entre les bornes T+ et T- selon le présent exemple de réalisation, est de plusieurs 100 V. De façon caractéristique, en utilisant les semi-conducteurs actuels, la différence peut aller jus- qu'à 450 V si l'on ne tient compte que des normes actuelles et même aller jusqu'à 1500 V et en principe à un niveau de tension quelconque. A droite, on a représenté le réseau de haute tension 8 et à côté de celui-ci, le réseau basse tension 9 comme autre bloc relié à la masse 14. Le réseau basse tension 9 et le réseau haute tension 8 sont couplés ou re- liés électriquement par une séparation des potentiels 15 ; les chemins de liaison A et B sont fortement ohmiques selon les normes et la destination, pour assurer la séparation des potentiels. De façon caractéristique, le potentiel de la masse du système basse tension 9 se situe sensiblement au milieu entre T+ et T-. Pour garantir toujours le bon fonctionnement du dispositif d'entraînement hybride 1, il faut surveiller la séparation de potentiel 15. Pour cela, il est prévu de mesurer les décalages de potentiel par une variation active des résistances et de comparer les variations mesurées à une valeur prévisible et ainsi la comparaison donne des informations sur l'état de la résistance d'isolation ou de la séparation des potentiels 15. La figure 3 montre un schéma 16 servant à surveiller le potentiel. Le circuit 16 comporte les branchements T+ et T- du réseau haute tension 8. Les branchements T+ et T- sont reliés à la masse 14 par des condensateurs Cp 1 et Cp2, respectifs. En parallèle aux condensateurs, il y a chaque fois une résistance Ril et Ri2 qui représente les résistances d'isolation à surveiller ou les séparations des potentiels 15 et ainsi elles n'existent pas physiquement comme composants. Les ca- pacités Cpl et Cp2, sont des capacités en parallèle, soit comme élément parasite, soit comme composant exclusif, par exemple comme condensateur Y. On suppose que la tension entre T+ et T- est connue ce qui peut se faire par exemple à l'aide du système de gestion d'énergie 12. Il y a des états symétriques Rsla, Rs lb et Rs2 qui peu- vent théoriquement être supprimés. Les résistances symétriques Rsla, Rs lb et Rs2 sont, de préférence, fortement ohmiques. De manière caractéristique, ces résistances ont une valeur de quelques MOhm, par exemple 5 MOhm. Les résistances de mesure Rm 1 et Rm2 sont en outre branchées en parallèle sur les résistances internes Ri 1 et Ri2 et les ca- pacités Cp 1 et Cp2. Des interrupteurs S 1, S2, respectifs, sont associés aux résistances de mesure. En actionnant le commutateur respectif Si, S2, on pourra brancher ou séparer les résistances de mesure Rm 1 et Rm2. Ainsi, en actionnant l'interrupteur Si, S2, on modifie la résis- tance de la branche respective. Le circuit 16 comporte également une installation de mesure de tension 17 ayant un diviseur de tension 18 avec un point de mesure 19 entre les résistances symétrique Rsla et Rs lb. Le diviseur de tension 18 est branché entre la borne T+ et la masse 14, de sorte que la tension mesurable par le diviseur de tension 18, est placée dans une plage qui se mesure avec des composants économiques. L'installation de mesure de tension 17 détecte la tension U entre la prise du diviseur de tension 18 et la masse 14. En fonction de la tension U, mesurée, on détecte un décalage de potentiel des bornes T+ et T- par rapport à la masse 14. Pour que la mesure influence les propriétés du circuit 16 aussi peu que possible, un amplificateur 20 est branché entre le point de mesure 19 et la sortie. L'amplificateur 20 est notamment un convertisseur d'impédance ou un amplificateur électromètre. Le fonctionnement est le suivant : lorsque les deux inter- rupteurs S1 et S2 sont ouverts, les potentiels pour les résistances symétriques Ru, Ri2 s'établissent de façon que la masse 14 se trouve sensiblement au milieu entre T+ et T-. Cela est également vrai pour des défauts d'isolation symétriques. Pour surveiller la séparation de potentiel, on ferme d'abord l'interrupteur Si et on ouvre l'autre interrupteur S2. Le potentiel ou potentiel d'alimentation est ainsi déplacé de T+ en direction de la masse 14. La tension U 1 se mesure après amortissement des oscillations du système à l'aide de l'amplificateur 20. Ensuite, on ouvre l'interrupteur S1 et on ferme l'interrup- teur 52, si bien que le potentiel se déplace de T- en direction de la masse 14. Après amortissement du système par l'amplificateur 20, on mesure la tension résultante U2. La variation respective occasionnée par le branchement des résistances de mesure Rm 1 et Rm2 est d'autant plus grande, que le sont les autres résistances du système. A l'aide de la différence entre U 1 et U2, on constate très simplement si la résistance d'isolation est sortie d'une plage autorisée, définie, ou si la séparation des potentiels fonctionne parfaitement. Si par exemple la différence entre U 1 et U2 dépasse un seuil défini préala- blement, il y a un défaut d'isolation et ce qui produit une réaction correspondante du système. Si par exemple, une installation d'exploitation non détaillée compare le signal de tension U1 ou U2 fourni par l'installation de mesure de tension à une valeur limite prédéfinie, en cas de constatation d'un défaut d'isolation, l'installation d'exploitation lance la coupure du système ou analogue. L'opération décrite ci-dessus est répétée en continu pour permettre une surveillance permanente également pendant le fonction- nement. La durée du cycle de mesure dépend de préférence de la valeur des résistances utilisées. En outre, on fait en option intervenir les capacités Cp 1 et Cp2 comme composants parasites du circuit ou comme composants explicites. On utilise par exemple des durées de l'ordre de la seconde, par exemple pour une résistance de 5 MOhm et avec des condensateurs Y de 220 nF, on a une constante de temps d'environ 1 seconde. Mais on peut également envisager des cycles de mesure significativement plus longs ou plus courts selon les nécessités de dimensionnement du circuit et/ou du réseau électrique 7. Pour avoir des mesures fiables en fonctionnement, on uti- lise de préférence un ou plusieurs filtres. La figure 4 montre le circuit 16 selon une représentation simplifiée pour évaluer des valeurs de mesure prévisibles donnant les résultats présentés dans les graphiques des figures 5 à 8. Pour cela, on suppose que les résistances de mesure Rm 1 et Rm2 ont chacune une valeur de 5 MOhm. Les autres résistances ont également des valeurs nominales de 5 MOhm. Les figures 5 à 8 montrent des diagrammes représentant, suivant l'axe Y, la tension U cadrée ou normée pour l'état stabilisé. Suivant l'axe X, on a représenté différentes combinaisons de résistances. Sauf indications contraires, la résistance modifiée vers la gauche, est plus grande et a sa valeur nominale pour X = 0 ; pour X = 15 pour un système à 400 V qui est encore juste dans la norme et pour X = 16, on est juste à l'extérieur. La courbe 21 correspond au cas de résistances de mesure Rml et Rm2, séparées. La courbe 22 donne la tension U pour la résistance de mesure Rml, branchée, et la résistance de mesure Rm2, coupée, c'est-à-dire l'interrupteur S1, fermé et l'interrupteur S2, ouvert. La courbe 23 montre la tension pour la résistance de mesure Rml, coupée, et la résistance de mesure Rm2, branchée. La courbe 25 montre la différence à exploiter entre U 1 et U2. Contrairement à la des- cription ci-dessus, la tension est représentée pour T- ce qui ne modifie toutefois pas l'explication de base et le procédé. La figure 5 montre le résultat du circuit de la figure 4 avec une dérive pour la résistance interne Ri 1, si Ri 1 est variable et Ri2 constant. Le résultat de la mesure se situe pour des résistances nomi- nales à 1 / 3 T. Des résistances trop faibles se détectent de manière très nette. Si l'on quitte la limite de la norme, la valeur se situe significativement en dessous de 0,1 T, c'est-à-dire suivant plus d'un facteur 3 sous la valeur d'origine. Ces valeurs peuvent s'écarter significativement dans les réalisations pratiques, mais constituent une bonne indication de la robustesse du procédé proposé ci-dessus. La figure 6 montre le circuit en cas de défaut symétrique si les résistances Ri 1 et Ri2 sont variables. Il s'agit d'un défaut qui, jusqu'à présent, était très difficile à détecter. Les deux résistances d'isola- tion Ri 1 et Ri2, dérivent dans la même direction. Le résultat est le même que ci-dessus : la valeur nominale se traduit par une valeur de mesure de 1 / 3 T. Les résistances trop faibles se prouvent d'une manière très nette. La figure 7 montre le défaut inverse de celui du calcul de la figure 5. Malgré le résultat, en principe, la situation est la même. Si la résistance Ri 1 est constante et la résistance Ri2 varie ou est variable, la valeur nominale conduit à une valeur de mesure de 1/3 T; les résistances faibles peuvent très facilement se prouver. La figure 8 montre le cas des résistances Ri 1 et Ri2 va- riables, mais en sens opposé. Le calcul avec des paramètres variables en sens opposé, montre un comportement très analogue car, dans ce cas, dans les deux directions, chaque résistance Ri 1 ou Ri2 devient trop petite et c'est pourquoi dans les deux directions, on présume que l'isolation est endommagée. Cela s'applique également dans les conditions suivantes : pour des valeurs nominales, on mesure 1/ 3 T pour une va- leur de mesure trop faible, la consigne d'isolation est atteinte. Comme cela apparaît clairement, on a une très grande possibilité pour la conception, de sorte que la solution proposée est très simple, économique et robuste. Les interrupteurs Si et S2, sont réalisables avantageusement comme petits composants mécaniques fabriqués en série pour des tensions allant jusqu'à environ 400 V. Pour des tensions plus élevées, il faut soit développer des composants plus appropriés, soit augmenter la tenue à la tension par un montage en série, approprié. Le montage de résistance intermédiaire fortement ohmique, peiniet même éventuellement un montage en série direct. 10 - NCLAT DES ELE NTS PRI IPAUX 1 dispositif d'entraînement hybride 2 moteur thermique 3 machine électrique 4 embrayage commandé 5 boîte de vitesses 6 réservoir de carburant 7 réseau électrique 8 réseau haute tension 9 réseau basse tension 10 accumulateur d'énergie électrique 11 onduleur 12 système de gestion d'énergie 13 accumulateur d'énergie électrique 14 masse 15 séparation de potentiel 16 circuit 17 installation de mesure de tension 18 diviseur de tension 20 amplificateur T+, T- bornes de potentiel Cpl, Cp2 capacités Ril, Ri2 résistances Rs 1 a, Rs lb, Rs2 résistances symétriques Rml, Rm2 résistances de mesure Sl, S2 interrupteurs30 REVENDICATIONS1°) Circuit (16) pour surveiller la séparation des potentiels d'un réseau électrique (7), notamment d'un véhicule automobile entre le réseau haute tension (8) et le réseau basse tension (9) du réseau électrique (7), - le réseau haute tension (8) et le réseau basse tension (9) étant reliés à la masse (14), et - le réseau haute tension (8) a une première borne (T+) pour le premier potentiel d'alimentation et une seconde borne (T-) pour le second potentiel d'alimentation d'une source de tension (10), caractérisé par - au moins une résistance variable (Rml, Rm2) branchée respective- ment entre les bornes (T+, T-) et la masse (14), et - une installation de mesure de tension (17) pour détecter un dépla- cement de potentiel de la masse (14) par rapport aux potentiels d'alimentation si au moins l'une des résistances (Rml, Rm2) est mo- difiée ainsi qu'une installation d'exploitation qui détermine le bon fonctionnement de la séparation des potentiels en fonction des décalages de potentiel détectés. 2°) Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les résistances variables (Rml, Rm2) sont constituées chaque fois par une résistance de mesure ayant une valeur fixe prédéterminée et un interrupteur (Si, S2) associé, commandé, pour brancher ou couper la résistance de mesure (Rml, Rm2) respective. 3°) Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les résistances de mesure (Rml, Rm2) sont des résistances fortement ohmiques. 4°) Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'installation de mesure de tension (17) comporte un diviseur de tension (18) entre l'une des bornes (T+, T-) et la masse (14).5°) Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'installation de mesure de tension (16) comporte un amplificateur (20), notamment un convertisseur d'impédance ou un amplificateur électro- mètre. 6°) Procédé de surveillance de la séparation de potentiel dans un réseau électrique (7), notamment d'un véhicule automobile entre le réseau haute tension (8) et le réseau basse tension (9) du réseau électrique (7), - le réseau haute tension (8) et le réseau basse tension (9) étant reliés à la masse (14), et - le réseau haute tension (8) ayant une première borne (T+) pour le premier potentiel d'alimentation et une seconde borne (T-) pour le second potentiel d'alimentation d'une source de tension, procédé caractérisé en ce qu' - on branche au moins une résistance variable entre les bornes (T+, T-) et la masse (14), et - on modifie au moins l'une des résistances et on détecte le décalage de potentiel de la masse (14) qui en résulte par rapport aux poten- tiels d'alimentation, et - on détermine l'aptitude au fonctionnement de la séparation de potentiel, en fonction du décalage des potentiels. 7°) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu' on modifie une première des résistances (Rml, Rm2) et ensuite, l'autre résistance (Rm2, Rml) et on détecte le décalage de potentiel qui en résulte. 8°) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu' on détecte le décalage de potentiel comme tension (U). 9°) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'à partir des tensions détectées (U1, U2), on forme une différence que l'on compare à une valeur de référence prédéfmie. 10°) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu' on répète la surveillance de façon continue.10