Brevet FR3022687A1 — publié le 20151225

PROCEDE DE GESTION DE LA TEMPERATURE D'UN CIRCUIT DE COMMANDE D'UN RÉCHAUFFEUR ÉLECTRIQUE La présente invention concerne de manière générale un réchauffeur électrique, et plus particulièrement un procédé de gestion de la température d'un circuit de commande d'un tel réchauffeur. L'invention concerne notamment le domaine des véhicules électriques ou hybrides dans lesquels les réchauffeurs électriques sont conçus pour fonctionner avec deux tensions d'alimentation de valeurs distinctes, typiquement une tension, dite basse, de l'ordre de 12 volts et une tension, dite haute, de l'ordre de 400 volts. La haute tension sert à mettre en fonctionnement le réchauffeur, alors que la basse tension sert à piloter ce fonctionnement (marche, arrêt, puissance, etc.). En général, le réseau basse tension du véhicule comprend une batterie de basse tension à la valeur nominative de 12 V. Ce circuit de basse tension est relié à la carrosserie du véhicule par une des bornes de la batterie de basse tension. Le réseau haute tension du véhicule comprend une batterie de haute tension (- 400 V), aussi appelée batterie de traction. Le circuit de haute tension est maintenu inaccessible aux passagers du véhicule. Les réchauffeurs pour véhicules électriques ou hybrides sont utilisés pour chauffer l'habitacle du véhicule en réchauffant de l'air ou un liquide. Les réchauffeurs comportent un ou plusieurs éléments résistifs chauffants et sont alimentés par un courant électrique, aussi appelé courant de puissance, provenant de la batterie de haute tension du véhicule (- 400 V). L'élément résistif chauffant peut, par exemple, être piloté par un circuit de commande incluant au moins un organe de commutation pouvant par exemple être un transistor de puissance placé en série avec l'élément chauffant sur l'alimentation en courant de puissance. Le transistor comprend une grille qui peut être pilotée par un dispositif de commande de grille dont l'énergie électrique provient du circuit de basse tension du véhicule. La puissance thermique délivrée au fluide par le réchauffeur est modulée en modulation de largeur d'impulsion. Le réchauffeur électrique assure une fonction de chauffage quand le transistor est passant, et il arrête 3022687 2 d'émettre de la puissance quand le transistor est ouvert. Ainsi, sur une période fixe, la puissance est modulée par la présence d'un temps de conduction suivie d'un temps d'ouverture. Par exemple, si la modulation est de 50%, cela signifie que le transistor est fermé la moitié du temps. 5 Or, durant le fonctionnement du réchauffeur électrique, le transistor de puissance est susceptible d'être mis en surchauffe, cela a pour conséquence une usure prématurée dudit transistor au cours du temps. Ainsi, pour garantir aux transistors de puissance une durée de vie conforme à un profil de mission automobile, notamment une durée de 10 fonctionnement, il est important de s'assurer qu'ils ne dépassent pas une température seuil qui pourrait être préjudiciable audit transistor. Un procédé de gestion de la température selon l'invention, est conçu pour maintenir la température d'un transistor appartenant à un circuit de commande d'un réchauffeur électrique, en dessous d'une valeur seuil, de 15 manière à préserver sa durée de vie. L'invention a pour objet un procédé de gestion de la température d'un transistor appartenant à un circuit de commande d'un réchauffeur électrique, par exemple disposé dans d'un véhicule électrique ou hybride, permettant de réchauffer un fluide, ledit transistor étant refroidi par ledit fluide entrant dans 20 ledit réchauffeur. Ainsi, le procédé de gestion selon l'invention comprend les étapes suivantes : - une étape de mesure du courant dans le transistor, - une étape d'estimation de la puissance instantanée du 25 transistor à cette condition de courant, - une étape de mesure de la température du fluide refroidissant le transistor, - une étape d'estimation de la puissance moyenne admissible maximale pour le transistor à cette condition de température 30 du fluide, - une étape d'estimation du rapport cyclique limite à ne pas dépasser, de la puissance moyenne admissible maximale sur la puissance instantanée, 3022687 3 - une étape de gestion de la température du transistor consistant à maintenir ladite température en dessous d'une valeur seuil prédéterminée, cette étape de gestion étant fonction des valeurs estimées, aux étapes précédentes, de la puissance 5 moyenne admissible maximale pour le transistor à cette condition de température du fluide et du rapport cyclique limite à ne pas dépasser et de la puissance moyenne admissible maximale sur la puissance instantanée. De cette manière, l'étape de mesure de courant dans le transistor 10 permet la réalisation de l'étape d'estimation de la puissance instantanée du transistor à cette condition de courant. De même, l'étape de mesure de la température du fluide refroidissant le transistor permet d'effectuer l'étape d'estimation de la puissance moyenne admissible maximale pour le transistor à cette condition de température du fluide. Ainsi, pour chaque période de 15 commutation du transistor, il faut calculer le rapport cyclique limite à ne pas dépasser pour ne pas que la température du transistor n'aille au-delà de la température limite prédéterminée. Ce rapport cyclique est le rapport entre la puissance moyenne maximale admissible déterminée à l'une des étapes précédentes du procédé et la puissance instantanée déterminée à lors d'une 20 autre étape précédente dudit procédé. On notera que le terme « puissance » lorsqu'il se rapporte au transistor fait référence à une puissance électrique. Avantageusement, un procédé de gestion selon l'invention comprend une étape de fixation d'une température maximale seuil, qu'un point du 25 transistor ne doit pas dépasser, l'étape d'estimation du rapport cyclique limite s'effectuant sur la base de cette température maximale seuil. De cette manière, le rapport cyclique limite sera fixé de telle manière que la température d'un point du transistor ne puisse jamais dépasser la température maximale seuil prédéterminée. 30 De façon préférentielle, le transistor comprend une semelle, le point du transistor pour lequel la température ne doit pas dépasser la température seuil maximale étant situé sur ladite semelle. A titre d'exemple, une telle semelle ne devra pas dépasser 100°C. 3022687 4 On notera, par ailleurs, qu'une semelle est une interface conductrice de chaleur disposée par exemple entre un ou plusieurs composants électroniques et le support du ou desdits composants électroniques. Le support du ou desdits composants électroniques est par exemple un circuit 5 imprimé. Préférentiellement, le transistor est de type IGBT (de l'anglais Insulated Gate Bipolar Transistor). Un tel transistor est également dénommé transistor bipolaire à grille isolée et est utilisé comme interrupteur électronique dans les montages de l'électronique de puissance. 10 On notera cependant que le transistor peut aussi être de type MOSFET (de l'anglais Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Un tel transistor est également dénommé transistor à effet de champ à structure métal-oxyde-semi-conducteur et est utilisé comme interrupteur électronique dans les montages de l'électronique de puissance. 15 De façon avantageuse, le réchauffeur est réalisé à partir d'au moins un élément résistif chauffant. Avantageusement, l'étape de mesure du courant dans le transistor consiste à mesurer une tension aux bornes dudit transistor. En effet, puisque la résistance électrique du réchauffeur est constante, la mesure du courant 20 peut s'effectuer par une simple mesure de la tension. De façon préférentielle, le fluide est un liquide. Préférentiellement, l'étape d'estimation de la puissance instantanée du transistor s'effectue à partir des données intrinsèques du transistor, parmi lesquelles une tension de déchet VCE, un courant de collecteur Ic et une 25 tension de pilotage VGE. Le transistor est généralement fourni avec un document précisant les caractéristiques intrinsèques dudit transistor, qui peuvent être présentées sous forme chiffrées ou sous forme d'abaques. De façon avantageuse, la puissance moyenne maximale admissible dans le transistor est fonction du rapport AT/Rth, où AT est l'écart de 30 température entre la température maximale autorisée en un point caractéristique du transistor et la température du fluide participant au refroidissement du transistor, et Rth est la résistance thermique caractérisant l'élévation de la température par unité de puissance entre le point 3022687 5 caractéristique choisi pour le transistor et le fluide participant au refroidissement dudit transistor composant. Avantageusement, l'étape de mesure de la température de fluide est continue. 5 L'invention et les avantages qu'elle procure seront mieux compris au vu de la description suivante d'un exemple non limitatif de mise en oeuvre de l'invention, faite en référence aux figures annexées, dans lesquelles : - la figure 1 représente un schéma simplifié et partiel d'un dispositif de commande d'un réchauffeur électrique, à partir duquel est 10 réalisé un procédé de gestion selon l'invention, - la figure 2 est un logigramme présentant les différentes étapes d'un procédé de gestion selon l'invention. De façon schématique et partielle, un circuit 1 de commande d'un réchauffeur électrique 2 d'un véhicule électrique ou hybride comprend un 15 microcontrôleur 3, un transistor 4 de type IGBT (de l'anglais Insulated Gate Bipolar Transistor) et des éléments résistifs chauffants 5 aptes à réchauffer un fluide, tel qu'un liquide. Lesdits éléments 5 formant ledit réchauffeur thermique 2. Puisque ces éléments résistifs chauffants 5 ont une valeur constante, il suffit de connaitre la valeur de la tension appliquée à ces 20 éléments 5 pour connaitre la puissance délivrée par le réchauffeur 2. Le transistor de type IGBT 4, qui comprend entre autres une semelle de collecteur (aussi appelée collecteur enterré), est un dispositif semiconducteur, qui est utilisé comme un interrupteur électronique, principalement dans les montages de l'électronique de puissance. Selon une variante de 25 réalisation, le transistor 4 est de type MOSFET. Le microcontrôleur 3 est un microprocesseur gérant les phases d'ouverture et de fermeture du transistor 4, pour notamment obtenir une puissance délivrée par le réchauffeur 2 donnée. En effet, la puissance délivrée par le réchauffeur 2 est modulée en modulation de largeur d'impulsion ou 30 PWM (de l'anglais Pulse Width Modulation). La modulation de puissance s'effectue dans le présent exemple à 2Hz. Ainsi, le réchauffeur 2 émet de la puissance pour obtenir le chauffage souhaité, quand le transistor 4 est passant, et il arrête d'émettre de la puissance quand le transistor 4 est ouvert. 3022687 6 Donc, sur une période fixe, la puissance est modulée par la présence d'un temps de conduction suivie d'un temps d'ouverture. A titre d'exemple, si la modulation est de 50%, cela signifie que le transistor 4 est fermé (ou ouvert) la moitié du temps. 5 Pour garantir aux transistors 4 de puissance une durée de vie conforme à un profil de mission automobile, en particulier au niveau de la durée de fonctionnement, il est important de ne pas les placer dans des conditions de surchauffe. Le transistor 4 est refroidi par le fluide qui est amené à être chauffé par le réchauffeur électrique 2. 10 Le réchauffeur électrique 2 est conçu pour fonctionner avec deux tensions d'alimentation de valeurs distinctes, typiquement une tension dite « basse » de l'ordre de 12 volts et une tension dite « haute » de l'ordre de 400 volts. La haute tension sert à mettre en fonctionnement le réchauffeur 2, alors que la basse tension sert à piloter le fonctionnement dudit réchauffeur 2, ledit 15 fonctionnement se caractérisant par une marche, un arrêt, une puissance délivrée, etc. La valeur 6 de la haute tension désirée au niveau du réchauffeur 2 et la température 7 du fluide sont deux données d'entrée du microcontrôleur 3 qui permettent de piloter la phase d'ouverture et de fermeture du transistor 4. 20 Un procédé de gestion de la température selon l'invention, permet de contrôler la température du transistor 4 afin d'éviter qu'elle ne dépasse une valeur seuil maximale, au-delà de laquelle la durée de vie du transistor 4 risquerait d'être réduite significativement. Pour être précis, dans le cadre de cette invention, la température du 25 transistor 4 est constituée par la température en un point particulier dudit transistor 4, qui peut par exemple être situé au niveau de la semelle dudit transistor 4. C'est cette configuration qui est retenue pour la description du présent mode de réalisation. En se référant à la figure 2, un procédé 10 de gestion selon l'invention, 30 comprend les étapes suivantes : - Une étape de mesure 11 du courant dans le transistor 4. En supposant que le fluide réchauffé est de l'eau, et que c'est cette eau qui en entrant dans le réchauffeur électrique 2, refroidit le transistor IGBT 4 de 3022687 7 commande. Puisque le réchauffeur 2 est composé d'une résistance fixe, cette étape de mesure du courant se résume à une étape de mesure de la haute tension aux bornes du réchauffeur 2. Le courant piloté par le transistor 4 sera proportionnel à cette tension. 5 - Une étape d'estimation 12 de la puissance instantanée du transistor 4 à cette condition de courant, c'est-à-dire celle déterminée à l'étape précédente. Puisque le transistor est de type IGBT, la puissance dissipée à un courant de charge donné, est le produit VCE x le avec VCE la tension de déchet et Ic le courant de collecteur, ladite tension VCE étant elle- 10 même une fonction affine de Ic dans la gamme de courant considérée. Les courbes donnant Ic en fonction de VCE pour une tension de pilotage VGE donnée, sont des données intrinsèques du transistor 4 et sont fournies avec celui-ci. Cette tension de pilotage VGE peut par exemple être égale à 15V dans l'exemple traité. Ainsi, quelle que soit la valeur d'IC, on en déduit la valeur de 15 VCE correspondante, ainsi que la valeur du produit VCE x Ic, qui est la puissance instantanée dissipée par le transistor 4 en conduction. Comme il est connu que le courant Ic est proportionnel à la valeur de la haute tension, car la résistance chauffante du réchauffeur électrique 2 est fixe, nous pouvons ainsi construire une table qui, à chaque valeur de tension envisageable, affecte une valeur de 20 puissance consommée par le transistor 4. Par exemple, une table de 256 octets pour parcourir de 0 à 512V par pas de 2V, couvre la plage de tension du réchauffeur électrique 2. - Une étape de mesure 13 de la température 7 du fluide refroidissant le transistor 4 IGBT. La température 7 du fluide est mesurée à 25 chaque instant dans le réchauffeur électrique 2, notamment en début de période de modulation. - Une étape d'estimation 14 de la puissance moyenne admissible maximale pour le transistor 4 à cette condition de température du fluide, c'est-à-dire celle de l'étape précédente. Pour cette étape, il s'agit d'exploiter le 30 calcul thermique suivant : AT=T (semelle du transistor 4 IGBT)-T (fluide)=Rth x Pmoy_max où, T (semelle) est la température maximale de la semelle que l'on autorise. 3022687 8 Dans le cas de l'exemple décrit, cette température peut être fixée à 100°C pour une fiabilité correcte du transistor 4, par rapport au profil de mission de l'application, T (fluide) est la température du fluide correspondant à celle qui a été mesurée lors de l'étape précédente, Rth est le chemin 5 thermique en °C/W liant la semelle du transistor 4 au fluide. On a une première approximation par estimation, qui peut être vérifiée au moyen d'un essai. Cette valeur est une constante, qui est de 2°C/W pour le réchauffeur électrique 2 considéré, Pmoy_max est la puissance moyenne dissipée sur une 10 période qui permet de vérifier l'équation précédente. Au final, on construit ainsi une table Pmoy_max(T) valide pour toutes les températures de fluide. Dans le cas du radiateur électrique 2, cette table peut par exemple comprendre 140 octets, couvrant par pas de 1°C la plage [-40°C ; 100°C]. On 15 peut économiser des octets en ne débutant la table qu'à la température la plus basse, nécessitant une limitation. A titre d'exemple, supposons que la température maximale autorisée en un point situé au niveau de la semelle du transistor 4 soit de 100°C. Supposons que la température du fluide soit de 80°C. Puisque la 20 constante Rth est fixée à 2°/W, alors on en déduit que la puissance moyenne dissipée Pmoy_max est égale à (100°C-80°C) / (2°/W)= 10W. - Une étape d'estimation 15 du rapport cyclique limite à ne pas dépasser, de la puissance moyenne admissible maximale sur la puissance instantanée. 25 Dans cette étape, on cherche précisément le rapport cyclique maximal, qui permet d'atteindre la température maximale admissible au niveau de la semelle du transistor 4, à savoir 100°C. Cette étape n'a de sens que si la puissance dissipée instantanément par le transistor 4 IGBT dépasse la puissance moyenne autorisée à la température de fluide donnée. 30 Dans l'exemple choisi, le procédé de gestion selon l'invention, permet à la semelle du transistor 4 de ne jamais dépasser 100°C. - Une étape de gestion 16 de la température du transistor 4 consistant à maintenir ladite température en dessous d'une valeur seuil 3022687 9 prédéterminée. Cette étape découle directement de l'étape d'estimation 15 précédente, car l'objet d'un procédé selon l'invention demeure le maintien du transistor à une température inférieure à une valeur seuil prédéterminée, pour préserver ledit transistor et lui assurer une durée de vie fonctionnelle la plus 5 longue possible. Cette étape de gestion 16 est donc fonction des valeurs estimées, aux étapes précédentes 14 et 15, de la puissance moyenne admissible maximale pour le transistor à cette condition de température du fluide et du rapport cyclique limite à ne pas dépasser, de la puissance moyenne admissible maximale sur la puissance instantanée. 10 REVENDICATIONS1. Procédé (10) de gestion de la température d'un transistor (4) appartenant à un circuit de commande (1) d'un réchauffeur électrique (2) permettant de réchauffer un fluide, ledit transistor (4) étant refroidi par ledit fluide entrant dans le réchauffeur (2), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes, - une étape de mesure (11) du courant dans le transistor (4), - une étape d'estimation (12) de la puissance instantanée du transistor (4) à cette condition de courant, - une étape de mesure (13) de la température (7) du fluide refroidissant le transistor (4), - une étape d'estimation (14) de la puissance moyenne admissible maximale pour le transistor (4) à cette condition de température du fluide, - une étape d'estimation (15) du rapport cyclique limite à ne pas dépasser, de la puissance moyenne admissible maximale sur la puissance instantanée, - une étape de gestion (16) de la température du transistor (4) consistant à maintenir ladite température en dessous d'une valeur seuil prédéterminée. 2. Procédé de gestion selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de fixation d'une température maximale seuil, qu'un point du transistor (4) ne doit pas dépasser, et en ce que l'étape d'estimation (15) du rapport cyclique limite s'effectue sur la base de cette température maximale seuil. 3. Procédé de gestion selon la revendication 2, caractérisé en ce que le transistor (4) comprend une semelle, le point du transistor (4) pour 3022687 11 lequel la température ne doit pas dépasser la température seuil maximale prédéterminée étant situé sur ladite semelle. 4. Procédé de gestion selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 5 caractérisé en ce que le transistor (4) est de type IGBT. 5. Procédé de gestion selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le transistor (4) est de type MOSFET. 10 6. Procédé de gestion selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le réchauffeur électrique (2) est réalisé à partir d'au moins un élément résistif chauffant (5). 7. Procédé de gestion selon la revendication 6, caractérisé en ce que 15 l'étape de mesure (11) du courant dans le transistor (4) consiste à mesurer une tension. 8. Procédé de gestion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide est un liquide. 20 9. Procédé de gestion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape d'estimation (12) de la puissance instantanée du transistor (4) s'effectue à partir des données intrinsèques du transistor (4), parmi lesquelles une tension de déchet 25 VCE, un courant de collecteur Ic et une tension de pilotage VGE. 10. Procédé de gestion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la puissance moyenne maximale admissible dans le transistor (4) est fonction du rapport AT/Rth, où AT 30 est l'écart de température entre la température maximale autorisée en un point caractéristique du transistor (4) et la température (7) du fluide participant au refroidissement du transistor (4), et Rth est la résistance thermique caractérisant l'élévation de la température par unité de 3022687 12 puissance entre le point caractéristique choisi pour le transistor (4) et le fluide participant au refroidissement dudit transistor (4). 11. Procédé de gestion selon l'une quelconque des revendications 5 précédentes, caractérisé en ce que l'étape de mesure (13) de la température de fluide est continue.