Brevet FR3088494A1 — publié le 20200515

Description Titre de l'invention : DISPOSITIF D'INHIBITION DE LA SORTIE DE COURANT D'UN ÉQUIPEMENT, À ÉLÉMENTS DE COM- MUTATION À FUITE SURVEILLÉE Domaine technique 100011 L'invention concerne les dispositifs d'inhibition qui équipent la sortie de certains équipements (électriques ou électroniques) délivrant un courant électrique. Technique antérieure [0002] Certains équipements (électriques ou électroniques) comprennent une sortie sur laquelle ils délivrent, un courant électrique destiné à alimenter au moins un autre équipement (électrique ou électronique) ou un réseau d'alimentation de plusieurs équipements (électriques ou électroniques). C'est, par exemple et non limitativement, le cas de certaines batteries destinées à équiper certains systèmes, comme par exemple certains véhicules (éventuellement de type automobile). [0003] Afin d'isoler l'équipement lorsqu'il fait, l'objet d'un dysfonctionnement poten- tiellement dangereux ou lorsque l'un au moins des autres équipements qu'il doit alimenter fait l'objet d'un dysfonctionnement, sa sortie est équipée en série d'un dispositif d'inhibition à états ouvert (et passant) et fermé (et non passant). [0004] Généralement, ce dispositif d'inhibition comprend des relais redondants qui ne peuvent présenter qu'un état ouvert et un état fermé, comme décrit, notamment, dans le document brevet FR 2948461. Ce type de dispositif d'inhibition présente un pouvoir de coupure de courant relativement limité, assure un nombre de commutations (et donc d'inhibitions) relativement faible, nécessite une énergie importante pour commander ses relais, et pose des problèmes de fiabilité. [0005] L'invention a donc notamment pour but d'améliorer la situation. Exposé de l'invention [0006] Elle propose notamment à cet effet un dispositif d'inhibition, destiné à inhiber la sortie d'un équipement délivrant un courant électrique, et comprenant : [0007] des premier et second éléments de commutation destinés à être installés en série, tête-bêche, sur la sortie de l'équipement et pouvant chacun être placés dans un état ouvert passant ou un état fermé non passant en l'absence de fuite, un pont diviseur alimenté par une source de tension, couplé aux premier et second éléments de commutation via une diode, et délivrant une tension de sortie soit égale à une tension de référence en l'absence de fuite de l'un des premier et second éléments de commutation placé dans son état fermé, soit différente de cette tension de référence en présence d'une fuite de l'un des I premier et second éléments de commutation placé dans son état fermé, un premier comparateur comparant la tension de sortie du pont diviseur à cette tension de référence et délivrant un premier signal représentatif d'un résultat de cette comparaison, et un contrôleur plaçant les premier et second éléments de commutation soit respectivement dans leurs états fermé et ouvert à des premiers instants choisis, soit respectivement dans leurs états ouvert et fermé à des deuxièmes instants choisis. [0008] L'utilisation d'éléments de commutation pouvant présenter des fuites à la place des relais de l'art antérieur permet d'obtenir un important pouvoir de coupure de courant, un important nombre de commutations, une fiabilité importante, tout en nécessitant une faible énergie de commande. [0009] Le dispositif d'inhibition selon l'invention peut comporter d'autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment : [0010] il peut comprendre un second comparateur comparant la tension de sortie du pont diviseur à une tension seuil que présente la diode en fonctionnement normal, et délivrant un second signal représentatif d'un résultat de cette comparaison lorsque les premier et second éléments de commutation sont placés dans leur état fermé à des troisièmes instants choisis par le contrôleur ; chacun des premier et second éléments de commutation peut comprendre au moins un premier transistor à effet de champ ; [0011] - l'un au moins des premier et second éléments de commutation peut comprendre un second transistor à effet de champ installé en série avec son premier transistor à effet de champ et tête-bêche ; [0012] - il peut comprendre, d'une part, un premier interrupteur ayant une entrée destinée à être connectée à la sortie de l'équipement en amont du premier élément de commutation, une première sortie connectée à une entrée de la diode, et une seconde sortie, et, d'autre part, un second interrupteur ayant une entrée destinée à être connectée à la sortie de l'équipement en aval du second élément de commutation, une première sortie connectée à la seconde sortie du premier interrupteur, et une seconde sortie connectée à l'entrée de la diode. Dans ce cas, le contrôleur peut placer les premier et second interrupteurs soit dans un premier état dans lequel ils couplent chacun leur entrée à leur première sortie, soit dans un second état dans lequel ils couplent chacun leur entrée à leur seconde sortie. [0013] L'invention propose également un équipement comprenant une sortie délivrant un courant électrique, et un dispositif d'inhibition du type de celui présenté ci-avant et installé sur sa sortie. 3 100141 Par exemple, cet équipement peut constituer une batterie. [0015] L'invention propose également un véhicule, éventuellement de type automobile, et comprenant au moins un équipement du type de celui présenté ci-avant. Brève description des dessins [0016] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et du dessin annexé, sur lequel la figure 1 illustre schématiquement. et fonctionnellement un équipement électrique comprenant une sortie équipée d'un exemple de réalisation d'un dispositif d'inhibition selon l'invention. Description des modes de réalisation [0017] L'invention a notamment pour but de proposer un dispositif d'inhibition DI destiné à équiper la sortie de courant SE d'un équipement électrique ou électronique EE [0018] Dans ce qui suit, on considère, à titre d'exemple non limitatif, que le dispositif d'inhibition DI est destiné à équiper la sortie SE d'un équipement électrique ou électronique EE qui constitue une batterie. Mais l'invention n'est pas limitée à cette application. En effet, un dispositif d'inhibition DI, selon l'invention, peut équiper la sortie de n'importe quel équipement électrique ou électronique devant délivrer un courant électrique. [0019] Par ailleurs, on considère dans ce qui suit, à titre d'exemple non limitatif, que la batterie EE est destinée à équiper un véhicule, par exemple de type automobile. Mais l'invention n'est pas limitée à cette application. En effet, la batterie EE (et plus généralement l'équipement) peut faire partie de tout système, appareil (y compris électroménager), installation (éventuellement industrielle), ou bâtiment. Ainsi, la batterie EE (et plus généralement l'équipement) peut faire partie de tout type de véhicule (terrestre, maritime (ou Iluvial), ou aérien). 100201 On notera que la batterie EE peut être, ici, une batterie de servitude (de type basse tension (typiquement comprise entre 12 V et 48 V)), ou bien destinée à fournir de l'énergie électrique pour au moins une machine électrique motrice d'un groupe moto-propulseur du véhicule (et donc de type haute tension ou très haute tension). 100211 On a schématiquement représenté sur la figure 1 un équipement électrique EE (ici une batterie de véhicule) comprenant une sortie SE destinée à délivrer un courant électrique et équipée d'un exemple de réalisation d'un dispositif d'inhibition Dl selon l'invention. Ce dispositif d'inhibition Dl est destiné à inhiber la sortie SE pour qu'elle ne délivre pas son courant (électrique), en cas de besoin (c'est-à-dire lorsque son équipement EE fait l'objet d'un dysfonctionnement potentiellement dangereux ou lorsque au moins un autre équipement que ce dernier (EE) doit alimenter en courant fait l'objet d'un dysfonctionnement. 100221 Comme illustré sur la figure 1, un dispositif d'inhibition Dl, selon l'invention, 4 comprend au moins des premier EC1 et second EC2 éléments de commutation, une diode DD, un pont diviseur PD, une source de tension ST, un premier comparateur CP1 et un contrôleur CT. [0023] Les premier EC1 et second EC2 éléments de commutation sont destinés à être installés en série, tête-bêche (ou de façon opposée), sur la sortie SE de la batterie EE, et peuvent chacun être placés soit dans un état ouvert passant (et donc autorisant le passage de courant), soit dans un état fermé non passant (et donc interdisant le passage de courant en l'absence de fuite). [0024] Par exemple, et comme illustré non limitativement sur la figure 1, chacun des premier EC1 et second EC2 éléments de commutation peut comprendre au moins un premier transistor à effet de champ (ou FET (« Field Effect Transistor »)) T1 j (j = 1 ou 2). Dans cc cas, chaque premier transistor à effet dc champ T1 j peut, par exemple, être de type MOSFET (« Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor » - FET à grille métallique électriquement isolée du substrat par un diélectrique de type SiO2). [0025] L'homme de l'art comprendra que les premier EC1 et second EC2 éléments de com- mutation sont dimensionnés en fonction du courant qui est délivré par la batterie EE sur sa sortie SE. [0026] La source de tension ST est isolée totalement de la batterie EE. Elle est destinée à fournir une tension vref constante. [0027] Lc pont diviseur PD est alimenté par la source dc tension ST avec la tension vref, et est couplé aux premier ECI et second EC2 éléments de commutation via la diode DD. Il comprend, par exemple, deux résistances, éventuellement identiques. De plus, ce pont diviseur PD délivre une tension de sortie ts qui est soit égale à une tension de référence vl en l'absence de fuite de l'un des premier EC1 et second EC2 éléments de commutation placé dans son état fermé (alors que l'autre est dans son état ouvert), soit différente de cette tension de référence vl en présence d'une fuite de l'un des premier EC1 et second EC2 éléments de commutation placé dans son état fermé (alors que l'autre est dans son état ouvert). Comme le sait l'homme de l'art, la tension de référence vl est fonction de la tension vref et des valeurs de ses deux résistances. Lorsque ces dernières sont identiques, la tension de référence vl est égale à la moitié de la tension vref (soit vl = vref/2). [0028] On comprendra que lorsque l'un des premier ECI et second EC2 éléments de com- mutation est placé dans son état fermé et ne fuit pas, tandis que l'autre est placé dans son état ouvert, le pont diviseur PD n'est pas influencé par les premier ECI et second EC2 éléments de commutation, et donc délivre sur sa sortie une tension de sortie ts égale à la tension de référence vl (soit ts = v1). En revanche, lorsque l'un des premier EC1 et second EC2 éléments de commutation est placé dans son état fermé et fuit, tandis que l'autre est placé dans son état ouvert, le pont diviseur PD est influencé par les premier EC1 et second EC2 éléments de commutation, et donc délivre sur sa sortie une tension de sortie qui diffère de la tension de référence vl (soit ts # v1). [0029] A titre d'exemple, le pont diviseur PD peut présenter une impédance d'environ 100 kohms, si l'on veut détecter des fuites inférieures à 1 mA. [0030] Le premier comparateur CP1 est agencé de manière à comparer la tension de sortie ts du pont diviseur PD à la tension de référence vl, et à délivrer un premier signal sl qui est représentatif du résultat de cette comparaison. [0031] On comprendra que si le premier élément de commutation EC1 est placé dans son état fermé et ne fuit pas, et que le second élément de commutation EC2 est placé dans son état ouvert, le premier comparateur CP1 délivre sur sa sortie un premier signal sl qui est représentatif de l'absence de différence entre ts et vl (et donc de l'absence de fuite de EC1). Si le premier élément de commutation EC1 est placé dans son état fermé et fuit, et que le second élément de commutation EC2 est placé dans son état ouvert, le premier comparateur CP1 délivre sur sa sortie un premier signal sl qui est représentatif d'une différence entre ts et vl (et donc de la présence d'une fuite de EC1). Si le second élément de commutation EC2 est placé dans son état fermé et ne fuit pas, et que le premier élément de commutation EC1 est placé dans son état ouvert, le premier comparateur CP1 délivre sur sa sortie un premier signal sl qui est représentatif de l'absence de différence entre ts et vl (et donc de l'absence de fuite de EC2). Si le second élément de commutation EC2 est placé dans son état fermé et fuit, et que le premier élément de commutation EC1 est placé dans son état ouvert, le premier comparateur CP1 délivre sur sa sortie un premier signal sl qui est représentatif d'une différence entre ts et vl (et donc de la présence d'une fuite de EC2). [0032] Le contrôleur CT est agencé de manière à placer les premier ECI et second EC2 éléments de commutation soit respectivement dans leurs états fermé et ouvert à des premiers instants choisis, soit respectivement dans leurs états ouvert et fermé à des deuxièmes instants choisis. [0033] On comprendra que dans chaque premier instant on détermine si le premier élément de commutation ECI fuit (ou non), tandis que dans chaque deuxième instant, on détermine si le second élément de commutation EC2 fuit (ou non). [0034] Par exemple, le contrôleur CT peut être agencé de manière à utiliser comme premier instant de test chaque instant suivant une mise en fonctionnement du véhicule, et comme deuxième instant de test chaque instant suivant la fin d'un test effectué pendant un premier instant. [0035] Une fois les tests des premier EC1 et second EC2 éléments de commutation réalisés, on dispose d'un état de fuite fiable, et en cas de fuite sur l'un des éléments de commutation ECj un calculateur (ne faisant, a priori, pas partie du dispositif d'inhibition DI) peut générer une alerte, ici à destination du conducteur du véhicule, pour lui 6 signaler un besoin urgent d'effectuer un contrôle dans un service après-vente, et ordonner au contrôleur CT de n'utiliser que l'autre élément de commutation ECj' qui ne fuit pas. [0036] On notera que le contrôleur CT peut, par exemple, être de type microcontrôlcur. [0037] On notera également, comme illustré non limitativement sur la figure 1, que le dispositif d'inhibition DI peut aussi comprendre un second comparateur CP2 agencé de manière à comparer la tension de sortie ts du pont diviseur PD à une tension seuil v2 que présente la diode DD en fonctionnement normal. Cc second comparateur CP2 est aussi agencé de manière à délivrer un second signal s2 qui est représentatif du résultat de sa comparaison lorsque les premier EC1 et second EC2 éléments de commutation sont placés tous les deux dans leur état fermé à des troisièmes instants choisis par le contrôleur CT. [0038] On comprendra que si les premier EC1 et second EC2 éléments de commutation sont dans leur état fermé et que la diode DD fonctionne correctement, le second comparateur CP2 délivre sur sa sortie un second signal s2 qui est représentatif de l'absence de différence entre ts et v2. Si les premier EC1 et second EC2 éléments de commutation sont dans leur état fermé et que la diode DD ne fonctionne pas correctement, le second comparateur CP2 délivre sur sa sortie un second signal s2 qui est représentatif d'une différence entre ts et v2. [0039] Par exemple, le contrôleur CT peut être agencé de manière à utiliser comme troisième instant de test chaque instant suivant la fin d'un test effectué pendant un deuxième instant. [0040] On notera également, comme illustré non limitativement sur la figure 1, que l'un au moins des premier EC1 et second EC2 éléments de commutation peut comprendre un second transistor à effet de champ T2j installé en série avec son premier transistor à effet de champ Tlj et tête-bêche (ou de façon opposée). Cette option est destinée à s'affranchir des pannes simples. L'ajout d'un second transistor T2j permet en effet d'assurer qu'en cas de défaillance du premier transistor Tlj associé le second transistor T2j sera là pour isoler la première défaillance. Ainsi la panne simple n'est pas contraire à la sécurité. L'utilisation de deux transistors Tlj et T2j tête-bêche permet de contrôler le courant dans les deux sens de circulation. Les premier Tlj et second T2j transistors à effet de champ sont par exemple commandés par le contrôleur CT au moyen d'un même signal de commande. Dans ce cas, une première commande place les premier Tlj et second T2j transistors à effet de champ respectivement dans leurs états ouvert et fermé, et une seconde commande place les premier Tlj et second T2j transistors à effet de champ respectivement dans leurs états fermé et ouvert. Ce type de test de fuite est préférentiellement effectué lorsque le véhicule est à l'arrêt (de façon périodique, en quelques millisecondes). Bien entendu, en fonctionnement nominal les premier EC1 et 7 second EC2 éléments de commutation sont fermés. [0041] Dans l'exemple illustré non limitativement sur la figure 1, seul le premier élément de commutation EC1 comprend des premier T11 et second T21 transistors à effet de champ, le second élément de commutation EC2 ne comprenant qu'un premier transistor à effet de champ T12. Mais les premier EC1 et second EC2 éléments de commutation pourraient chacun comprendre des premier T1 1 et second T22 transistors à effet de champ, ou bien seul le second élément de commutation EC2 pourrait comprendre des premier T12 et second T22 transistors à effet de champ, le premier élément de commutation EC1 ne comprenant qu'un premier transistor à effet de champ T11. La mise en oeuvre choisie dépend de l'événement redouté dont on souhaite se protéger (si l'on veut se protéger contre les fuites dans les deux sens il faut prévoir des premier EC1 et second EC2 éléments de commutation comportant chacun des premier T11 et second T22 transistors tête-bêche). [0042] On notera également, comme illustré non limitativement sur la figure 1, que le dispositif d'inhibition DI peut aussi comprendre des premier il et second 12 interrupteurs. Le premier interrupteur il a une entrée qui est destinée à être connectée à la sortie de l'équipement EE en amont du premier élément de commutation EC1, une première sortie connectée à l'entrée de la diode DD et une seconde sortie. Le second interrupteur 12 a une entrée qui est destinée à être connectée à la sortie de l'équipement EE en aval du second élément de commutation EC2, une première sortie connectée à la seconde sortie du premier interrupteur II et une seconde sortie connectée à l'entrée de la diode DD. Dans ce cas, le contrôleur CT est agencé de manière à placer les premier Il et second 12 interrupteurs soit dans un premier état dans lequel ils couplent chacun leur entrée à leur première sortie, soit dans un second état dans lequel ils couplent chacun leur entrée à leur seconde sortie. Ces placements se font au moyen de signaux de commande fournis par le contrôleur CT. [0043] On comprendra que lorsque les premier I1 et second 12 interrupteurs sont dans leur premier état, on peut tester les fuites des premier EC1 et second EC2 éléments de commutation selon un premier sens de circulation du courant, tandis que lorsque les premier II et second 12 interrupteurs sont dans leur second état, on peut tester les fuites des premier EC1 et second EC2 éléments de commutation selon un second sens de circulation du courant (opposé au premier). [0044] On notera également, comme illustré non limitativement sur la figure 1, que chaque comparateur CPj du dispositif d'inhibition DI peut être éventuellement associé à un composant optoélectronique COj chargé de transformer le signal sj qu'il délivre sur sa sortie en un autre signal Sj' au niveau de la tension de la batterie EE Cette option est mise en oeuvre lorsque les tests de fuite sont référencés par rapport à la batterie EE, et donc lorsqu'il faut ramener les signaux par rapport à la masse. 8 [0045] On notera également, comme illustré non limitativement sur la figure 1, que le dispositif d'inhibition DI peut éventuellement comprendre un autre composant optoélectronique CO3 chargé de transformer le signal de commande issu du contrôleur CT, au niveau de la tension de la batterie EE, et destiné aux interrupteurs Ij en un autre signal de commande adapté à ces interrupteurs Ij. [0046] La diode DD, le pont diviseur PD, la source de tension ST, le premier comparateur CP1, l'éventuel second comparateur CP2, les éventuels interrupteurs 1], et les éventuels composants optoélectroniques COj et CO3 forment ensemble un dispositif de test DT surveillant les éléments de commutation ECj. [0047] Grâce à l'invention, on utilise désormais des éléments de commutation ECj pouvant présenter des fuites à la place des relais, ce qui permet d'obtenir un important pouvoir de coupure de courant, un important nombre de commutations (et donc d'inhibitions), une fiabilité importante, tout en nécessitant une faible énergie de commande. La possibilité de fuite des éléments de commutation ECj est surveillée par le dispositif de test DT, ce qui permet d'éviter les incidents avant qu'ils ne surviennent et les opérations de maintenance anticipativcs. 9 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5]