Brevet FR3032071A1 — publié le 20160729

Circuit électrique comportant une pluralité d'éléments résistifs connectés en parallèle La présente invention concerne de manière générale un circuit 5 électrique comportant une pluralité d'éléments résistifs connectés en parallèle. L'invention concerne en particuliers les réchauffeurs électriques pour véhicules électriques ou hybrides, utilisés pour chauffer l'habitacle du véhicule en réchauffant l'eau du circuit de refroidissement. De tels réchauffeurs comportent en général plusieurs éléments résistifs chauffant connectés en 10 parallèle de manière à être alimentés par un courant de puissance venant de la batterie de haute tension du véhicule (de l'ordre de 400 Volts), appelée batterie de traction. Chaque élément résistif chauffant est classiquement piloté par un circuit de commande incluant un interrupteur électronique placé en série avec chaque élément chauffant de façon à permettre ou empêcher un 15 courant de traverser l'élément résistif associé en fonction de son état fermé ou ouvert. A titre d'exemple, la figure 1 illustre schématiquement un réchauffeur électrique connu comportant trois éléments résistifs chauffant li, 12 et 13 avec leur interrupteur électronique 21, 22, 23 associé en série, connectés en 20 parallèle entre une alimentation haute tension 3 et une masse électrique 4 d'un véhicule automobile. Chaque interrupteur électronique 21, 22, 23 est de préférence un transistor de puissance IGBT. Un circuit de commande (non représenté) permet de piloter sélectivement les interrupteurs électroniques 21, 22, 23 de façon à répondre à une requête visant à obtenir une puissance de 25 chauffage correspondant à une puissance de consigne. Dans l'état de l'art actuel, un réchauffeur électrique tel que celui représenté sur la figure 1 utilise trois éléments résistifs 11, 12 et 13 identiques, aptes à générer chacun la même puissance, par exemple une puissance de 2000 Watts, et le circuit de commande pilote une modulation en puissance à 30 quelques hertz par la technique de modulation de largeur d'impulsion appliquée à la commande des interrupteurs électroniques. Les interrupteurs électroniques 21, 22, 23 sont commutés avec un déphasage de 2H13, de sorte 3032071 2 que les courants I1, 12, 13 dans les éléments résistifs il, respectivement 12 et 13 présentent dans le temps l'allure schématisée sur la figure 2. Comme le courant total Itot correspond à la somme des courants I1, 12 et 13, ceci permet d'ajuster la puissance moyenne de chauffe à la puissance 5 de consigne en mettant successivement en conduction puis en blocage le courant de chaque élément résistif chauffant. L'inconvénient de ce type de pilotage réside dans les appels de courant correspondant à la mise en conduction ou en arrêt d'un élément résistif il, 12 ou 13, lesquels, bien que minimisés par le déphasage de 2H/3 des périodes de 10 commutation entre elles, demeurent importants. Typiquement, à une tension d'alimentation de 250 Volts correspond un courant d'appel de 2000 W/250 V, soit 8 Ampères, ce qui a un impact négatif sur la batterie de traction. En effet, la succession d'à-coups de courants est difficile à supporter pour la batterie, notamment en conditions très froides. 15 La présente invention a pour but de pallier les inconvénients précédents en proposant une architecture de circuit électrique, notamment de réchauffeur électrique, et de ses moyens de pilotage associés permettant d'éviter des appels de courant importants sur la batterie de traction. A cet effet, la présente invention a pour objet un circuit électrique 20 comportant un ensemble d'éléments résistifs connectés en parallèle, un interrupteur électronique en série avec chaque élément résistif dudit ensemble apte à permettre une alimentation sélective des éléments résistifs dudit ensemble par une tension continue, et des moyens de pilotage aptes à déterminer dans ledit ensemble une combinaison finale d'au moins un élément 25 résistif à alimenter par fermeture de l'interrupteur associé pour répondre à une puissance de consigne reçue, caractérisé en ce que les éléments résistifs de l'ensemble ont des valeurs différentes de résistance constituant une progression géométrique de raison 2 entre une valeur de résistance minimum et une valeur de résistance maximum, et en ce que les moyens de pilotage 30 sont aptes à commander plusieurs cycles successifs comprenant chacun la commutation d'un ou de plusieurs interrupteurs électroniques d'un état fermé à un état ouvert ou d'un état ouvert à un état fermé pour correspondre à une 3032071 3 combinaison intermédiaire des éléments résistifs dudit ensemble, jusqu'à l'obtention de ladite combinaison finale, pour atteindre la puissance de consigne par pallier de puissance, chaque pallier de puissance correspondant à chaque cycle étant égal à la valeur de puissance produite par l'élément résistif dudit ensemble possédant ladite valeur de résistance maximum. Selon d'autres aspects possibles : - ladite valeur de résistance minimum est calculée de préférence en fonction d'une puissance maximale que le circuit électrique doit être capable de produire pour une valeur minimale de ladite tension continue ; - ladite valeur R1 de résistance minimum est par exemple calculée selon la relation R1 = 2(Umin)2/Pmax dans laquelle Umin représente ladite valeur minimale de la tension continue et Pmax représente ladite puissance maximale. - ledit ensemble comporte un nombre N d'éléments résistifs, ledit nombre N étant déterminé en fonction d'une valeur maximale de ladite tension continue, d'une valeur prédéfinie de courant d'appel maximal, et d'une valeur prédéfinie de granularité de puissance. - les éléments résistifs dudit ensemble sont des éléments chauffant 20 d'un réchauffeur électrique, aptes à être sélectivement alimentés par une tension continue délivrée par une batterie de traction d'un véhicule automobile électrique ou hybride. L'invention et ses avantages seront mieux compris au vu de la 25 description suivante, faite en référence aux figures annexées, dans lesquelles : - la figure 1, déjà décrite ci-avant, représente schématiquement certains éléments d'un réchauffeur électrique connu ; - la figure 2, également déjà décrite, donne les variations temporelles des courants intervenant dans les éléments du réchauffeur électrique de la 30 figure 1, dans un mode de pilotage connu d'un tel réchauffeur ; 3032071 4 - la figure 3 donne schématiquement un exemple d'éléments intervenant dans un circuit de chauffage électrique conforme à la présente invention ; - les figures 4a et 4b illustrent un exemple de procédure d'activation 5 par cycles successifs pour le circuit de chauffage électrique de la figure 3. Dans la suite de l'exposé, on utilise les notations suivantes pour caractériser le fonctionnement souhaité d'un circuit électrique, notamment un réchauffeur électrique, conforme à la présente invention: 10 - Umin et Umax correspondent aux tensions continues respectivement minimum et maximum délivrées par une alimentation haute tension, en particulier une batterie de traction, et définissent ainsi les limites de la plage de tensions dans laquelle le circuit électrique va fonctionner ; - Pmax représente la puissance maximale que le circuit électrique doit 15 être capable de fournir, et ce, même à la tension minimum Umin. - Pcons correspond à une puissance de consigne reçue par le circuit de électrique ; - P correspond à la puissance délivrée par le circuit électrique en fonction de la puissance de consigne reçue, et s'exprime par la relation : P = Pcons +1- (Pgran/2) dans laquelle P - gran représente la granularité de puissance admise ; - DI est l'appel de courant maximal toléré sur la batterie de traction. Pour fixer les idées mais à titre d'exemple nullement limitatif, on 25 utilisera dans la suite les valeurs suivantes : Umin 250 Volts Umax 450 Volts Pmax 6000 Watts Pgran 100 Watts AI 0,5 Ampère Tableau 1 3032071 5 En référence à la figure 3, un circuit électrique conforme à la présente invention comporte : - une pluralité, ici huit, éléments résistifs chauffant 11, 12...18, connectés en parallèle entre une source d'alimentation haute tension 3 et une 5 masse électrique 4 ; - un interrupteur électronique 21 à 28, en série avec chacun des éléments résistifs chauffant ; - des moyens 5 de pilotage, typiquement un calculateur, apte à piloter sélectivement les différents éléments résistifs via la commutation (fermeture 10 ou ouverture) de leurs interrupteurs électroniques associés. Conformément à l'invention, les éléments résistifs chauffant ne sont pas ici identiques, comme dans l'art antérieur, mais forme un ensemble fini d'éléments résistifs dont les valeurs de résistances constituent une 15 progression géométrique de raison 2. Ainsi, si l'on note R1, R2, ... R8 les valeurs des résistances respectives pour les éléments 11, 12 ...18 de la figure 3, on a l'équation R=2(i-1) R1 pour tout entier i variant de 1 à 8. 20 Le principe de l'invention réside en effet dans le fait qu'on peut obtenir théoriquement une valeur de résistance totale R en connectant en parallèle un nombre infini N de résistances dont la plus petite résistance R1 est le double de la résistance totale R, et dont les résistances R1 à RN varient deux à deux d'un coefficient 2. En effet, pour N résistances connectées en parallèle, on a la relation : 1 1 1 1 1 1 1 22R 21N + + , R R R 1 +R R =2R 2 ± N Soit 3032071 6 1 avec A = -1 + + + , correspondant à la somme d'une suite 2 22 géométrique de raison 1/2 dont la limite tend vers 1 quand N tend vers l'infini. On va montrer dans la suite que l'on peut respecter le cahier des 5 charges indiqué au tableau 1 ci-dessus en utilisant un nombre fini de résistances, ici seulement huit résistances, connectées en parallèle. Tout d'abord, on détermine la résistance R qui permettrait de fournir la puissance Pmax à la tension Umin. Cette résistance est donnée par la relation R = (Umin)2/Pmax 10 Soit, avec les valeurs indiquées dans le tableau 1 : R= 10,4 S2 Pour simplifier, on choisit R égale à 10 S2 permettant de générer un peu plus de puissance. 15 On peut alors montrer qu'avec un nombre limité d'éléments résistifs chauffant, il est possible de respecter la granularité P - gran et d'éviter des appels de courants supérieur à AI. Tout d'abord, pour respecter la granularité, il faut que l'élément chauffant le moins puissant (en l'occurrence, celui de plus forte résistance) 20 génère à la tension Umax une puissance inférieure à P - gran- S'il y a N éléments chauffant, cela se traduit par la relation (Umax)2/(2NX ._) Pgran gran Soit 2N (Umax)2/Pgran X R Soit In[(U max)2,/ '-(P gran X R)]/In(2) 25 Soit, en utilisant les valeurs numériques du tableau 1, N 7,66. Par ailleurs, l'appel de courant maximal AI, consécutif à l'ajout ou au retrait du courant dans la plus grande résistance, est tel que Umax / (2N x R) Soit In[Umax/(R x AI)]/In(2) 3032071 7 Soit, en utilisant les valeurs numériques du tableau 1, N 6,49. On peut donc choisir N=8 R1=2R = 20 S2 5 R2 = 2Ri = 40 S-2 R3 = 2 R2 = 80 52 R4 = 2 R3 = 160 S2 R5 = 2 R4 = 320 S2 R6 = 2 R5 = 640 S2 10 R7 = 2R6 = 1280 52 R8 = 2R7 = 2560 52 On a donc obtenu un circuit comportant un ensemble fini d'éléments résistifs dont la plus petite résistance (Ri) est déterminée en fonction de la 15 puissance maximale Pmax que le circuit doit être capable de produire et de la tension minimale Umin de la batterie de traction, et dont les valeurs de résistances constituent une progression géométrique de raison 2. On a vu ci-dessus que l'on choisissait une valeur de R légèrement inférieure à celle qui produirait la puissance Pmax recherchée (10 S2 au lieu de 20 10,4 S2). Il en résulte qu'en utilisant effectivement huit éléments résistifs comme décrit ci-dessus, on obtiendra finalement une puissance maximale supérieure à la puissance Pmax recherchée au départ. Il en résulte également qu'on peut opter pour utiliser non pas huit éléments résistifs en parallèle, mais seulement au moins les quatre premières résistances R1 à R4. En effet, en 25 omettant les résistances de plus fortes valeurs R5 à R8, on ne perd qu'une petite partie de la puissance. En contrepartie, on gagne dans l'optimisation du coût global du circuit en évitant de multiplier les éléments résistifs, leur interrupteur électronique associés et les connexions. Le fonctionnement du circuit électrique de la figure 3, comportant un 30 ensemble de huit éléments résistifs 11 à 18, va à présent être décrit : Ce fonctionnement s'opère en deux phases : 3032071 8 - une première phase lors de laquelle il faut déterminer, pour une puissance de consigne Pcons reçue, et à la valeur de tension continue U (valeur de tension quelconque comprise entre Umin et Umax) effectivement délivrée par la batterie de traction, quels sont les éléments résistifs dudit ensemble qui 5 vont devoir être activés, par fermeture de leur interrupteur associé ; - une deuxième phase qui consiste à activer effectivement tous les éléments résistifs sélectionnés lors de la première phase, selon une procédure d'activation optimisée pour que les appels de courant soient les plus faibles possibles 10 La mise en oeuvre de la première phase, relative à la sélection des éléments résistifs à activer par fermeture de leur interrupteur électronique associé, est implémentée de préférence de la manière suivante : Lorsqu'une consigne de puissance est reçue, les moyens 5 de pilotage du circuit électrique vont déterminer, lors d'une première étape, la puissance 15 Pgen générée par l'élément résistif de l'ensemble des huit éléments qui a la plus grande résistance, ici l'élément 18 avec une résistance R8 égale à 2560 Q. Cette puissance, qui correspond à l'élément de l'ensemble générant le moins de puissance, peut être déterminée par le calcul en appliquant la relation : Pgen = U2/R8 20 En variante, les moyens 5 de pilotage pourront aller rechercher dans une table (non représentée) indexée à la valeur de tension, dans laquelle on aura pris soin de mémoriser au préalable différentes valeurs de puissance générées par l'élément 18 à différentes tensions. Supposons par exemple que la puissance de consigne soit de 4356 25 Watts, et la valeur de tension délivrée par la batterie de tension soit 382 Volts. On en déduit Pgen=(382)2/2560 = 57 W. Les moyens 5 de pilotage effectuent alors la division de la puissance de consigne par la valeur de Pgen, soit : 4356 W / 57 W = 76,4 30 La valeur approchée entière du résultat est ensuite décomposée en base 2. Ici, la valeur approchée est 77, qui s'écrit en base 2 sous la forme 01001101. Les valeurs à « 1 » correspondent aux éléments résistifs qu'il 3032071 9 faudra activer (fermeture de l'interrupteur électronique associé), et les valeurs à « 0 » correspondent aux éléments résistifs qui ne devront pas être alimentés, comme cela est résumé dans le tableau 2 ci-après : 5 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R5 Charge (û) 20 40 80 160 320 640 1280 2560 0 1 0 0 1 1 0 1 A piloter ? non oui non non oui oui non oui Puissance (W) 0 3648 0 0 456 228 0 57 Puissance 3 648+456+228+57 = 4 389 totale (W) Tableau 2 Le tableau 2 ci-dessus indique que, pour atteindre une puissance proche de la puissance de consigne, les moyens 5 de pilotage devront : - alimenter les éléments résistifs de résistance R2, R5, R6 et R8 en 10 faisant en sorte que leur interrupteur associé soit dans l'état fermé ; - ne pas alimenter les autres éléments résistifs, en faisant en sorte que leur interrupteur associé soit dans l'état ouvert. La phase précédente a permis de montrer comment déterminer le jeu de résistances à activer, c'est-à-dire la combinaison finale des éléments 15 résistifs qu'il convient d'alimenter pour atteindre la puissance de consigne. Dans le fonctionnement du circuit électrique, les consignes successives d'une part, le fait qu'au démarrage il n'y pas de puissance d'autre part, font que la puissance de chauffe évolue. Afin de ne pas générer d'à-coup de courant trop important (ne pas dépasser le DI spécifié), la commutation 20 (ouverture ou fermeture) des interrupteurs des résistances doit se faire de façon progressive, sans brûler d'étape. La deuxième phase du fonctionnement consiste donc à appliquer une procédure d'activation optimisée pour que les appels de courant soient les plus faibles possibles, en l'occurrence pour que ces appels de courant, dûs soit au retrait d'éléments résistifs (par ouverture 25 de leur interrupteur électronique associé) soit à l'ajout d'éléments résistifs (par fermeture de leur interrupteur électronique associé) ne dépassent pas l'appel de courant maximal DI autorisé. 3032071 10 On constate immédiatement, pour la combinaison donnée dans le tableau 2 qu'il ne serait pas possible de respecter cette condition si les moyens 5 de pilotage commandaient simultanément, à partir d'une situation initiale où tous les interrupteurs électroniques 21 à 28 seraient ouverts, la commutation, 5 ici la fermeture, des interrupteurs électroniques associés aux éléments résistifs de résistance R2, R5, R6 et R8. La procédure d'activation réalisée par les moyens 5 de pilotage consiste ainsi avantageusement à atteindre la puissance de consigne par pallier de puissance successif, chaque pallier de puissance étant équivalent à 10 la puissance générée par l'élément résistif qui présente la résistance de plus forte valeur, ici l'élément 18 de résistance égale à 2 560 Q. Les moyens 5 de pilotage vont ainsi commander plusieurs cycles successifs comprenant chacun la commutation d'un ou de plusieurs interrupteurs électroniques d'un état fermé à un état ouvert ou d'un état 15 ouvert à un état fermé pour correspondre à une combinaison intermédiaire des éléments résistifs dudit ensemble, jusqu'à l'obtention de ladite combinaison finale, pour atteindre la puissance de consigne par pallier de puissance. Les figures 4a et 4b illustrent la succession de cycles qu'il faut faire 20 dans le cadre de l'invention pour obtenir, à partir d'un état initial dans lequel aucun des éléments résistifs chauffant n'est alimenté (réchauffeur électrique inactif), la combinaison finale déterminée précédemment (alimentation des éléments résistifs de résistance R2, R5, R6 et R8). Au cycle 1, seul l'élément résistif 18 qui présente la plus grande résistance R8 de 2 560 S2 parmi 25 l'ensemble des huit résistances est alimenté par fermeture de l'interrupteur électronique associé 28. Il en résulte que le passage de l'état initial à la combinaison intermédiaire du cycle 1 a incrémenté la puissance d'un pallier égal à 57 Watts et généré un appel de courant Icydi égal à Icycil = U/R8, soit Icydi = 149 mA pour U=382 Volts 30 Dans la combinaison intermédiaire correspondant au cycle 2, seul l'élément résistif 17, qui présente une résistance R7 de 2 560 S2, est alimenté 3032071 11 par fermeture de l'interrupteur électronique associé 27, alors que l'alimentation de l'élément résistif 18 est arrêtée (par ouverture de l'interrupteur associé 28). La variation de charge reste donc égale à 2 560 Q. Il en résulte que le passage de la combinaison intermédiaire du cycle 1 à la 5 combinaison intermédiaire du cycle 2 a généré un appel de courant Icyd2 égal à Icydi. La puissance générée est à présent de 114 Watts, ce qui correspond bien à un nouveau pallier de 57 Watts par rapport au cycle précédent. Le même raisonnement peut s'appliquer pour chaque succession de cycles, jusqu'au cycle 77 qui correspond à la combinaison finale d'éléments résistifs à 10 activer. Il convient qu'à chaque cycle de commutation, toutes les charges basculent au même instant. Néanmoins, même si le microcontrôleur active ses sorties au même instant (dans la même microseconde), il se peut qu'il existe un léger décalage 15 temporel (par exemple entre une ouverture et une fermeture de transistor). Afin de rendre imperceptible ces décalages, la présence d'une capacité en entrée du circuit électrique permettra de fournir les charges transitoires sans impacter la batterie de traction. 20 Dans le cas du circuit électrique qui vient d'être décrit, avec huit éléments résistifs, le nombre de cycles de commutations peut être important. Au pire, il faut 28, soit 256 cycles, pour passer d'un état sans puissance à un état pleine puissance dans lequel les huit éléments résistifs sont alimentés simultanément. On prévoit de préférence des durées de cycles 25 de l'ordre de 50 ms pour obtenir une durée maximale acceptable de 12 secondes. Dans la pratique, il apparaît que l'utilisation de huit éléments résistifs est un maximum au-delà duquel le nombre de cycles devient trop compliqué à gérer. Des solutions à six voire quatre éléments résistifs peuvent être plus 30 appropriées si l'on accepte une tolérance plus importante sur l'ondulation de courant et la précision de puissance. REVENDICATIONS1. Circuit électrique comportant un ensemble d'éléments résistifs (11, 12, ...18) connectés en parallèle, un interrupteur électronique (21, 22, -.28) en série avec chaque élément résistif (11, 12, ...18) dudit ensemble apte à permettre une alimentation sélective des éléments résistifs dudit ensemble par une tension continue, et des moyens (5) de pilotage aptes à déterminer dans ledit ensemble une combinaison finale d'au moins un élément résistif à alimenter par fermeture de l'interrupteur associé pour répondre à une puissance de consigne reçue, caractérisé en ce que les éléments résistifs de l'ensemble ont des valeurs différentes de résistance constituant une progression géométrique de raison 2 entre une valeur de résistance minimum et une valeur de résistance maximum, et en ce que les moyens (5) de pilotage sont aptes à commander plusieurs cycles successifs comprenant chacun la commutation d'un ou de plusieurs interrupteurs électroniques (21, 22, ...28) d'un état fermé à un état ouvert ou d'un état ouvert à un état fermé pour correspondre à une combinaison intermédiaire des éléments résistifs (11, 12, ...18) dudit ensemble, jusqu'à l'obtention de ladite combinaison finale, pour atteindre la puissance de consigne par pallier de puissance, chaque pallier de puissance correspondant à chaque cycle étant égal à la valeur de puissance produite par l'élément résistif dudit ensemble possédant ladite valeur de résistance maximum. 2. Circuit électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite valeur de résistance minimum est calculée en fonction d'une puissance maximale que le circuit électrique doit être capable de produire pour une valeur minimale de ladite tension continue. 3. Circuit électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite valeur R1 de résistance minimum est calculée selon la relation R1 =2(Umin)2/Pmax 3032071 13 dans laquelle Umin représente ladite valeur minimale de la tension continue et Pmax représente ladite puissance maximale. 4. Circuit électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit ensemble comporte un nombre 5 N d'éléments résistifs, ledit nombre N étant déterminé en fonction d'une valeur maximale de ladite tension continue, d'une valeur prédéfinie de courant d'appel maximal, et d'une valeur prédéfinie de granularité de puissance. 5. Circuit électrique selon l'une quelconque des revendications 10 précédentes, caractérisé les éléments résistifs (11, 12, ...18) dudit ensemble sont des éléments chauffant d'un réchauffeur électrique, aptes à être sélectivement alimentés par une tension continue délivrée par une batterie de traction d'un véhicule automobile électrique ou hybride. 15