Brevet FR3096519A1 — publié le 20201127

Description Titre de l'invention : Dispositif de gestion de masse dans une ar- chitecture bi-réseau [0001] L'invention concerne les circuits électriques dans une architecture bi-réseau, comprenant un dispositif de gestion de masse intégré à un composant de puissance comme par exemple un convertisseur de type DC/DC ou à découpage. Dans certains domaines, comme par exemple celui des véhicules (éventuellement automobiles), on utilise des circuits électriques dans une architecture bi-réseau, avec un premier réseau dit de puissance comprenant par exemple un générateur de courant, comme un moteur électrique ou un alternateur, connecté en parallèle à un premier stockcur d'énergie électrique, et un deuxième réseau dit dc consommation ou encore de signal comprenant au moins un organe consommateur d'énergie électrique et connecté en parallèle à un second stockeur d'énergie électrique, et un convertisseur de type DC/DC monté en série entre, d'une part, le réseau de puissance et le premier stockcur d'énergie électrique, et, d'autre part, le second stockcur d'énergie électrique et le réseau de consommation. [0002] Comme le sait l'homme de l'art, dans une architecture bi-réseau en cas de perte de niasse au niveau du réseau de puissance (par exemple un réseau 48V) ou du réseau de consommation (par exemple un réseau 12V), cela peut impliquer un risque majeur de sûreté dc fonctionnement et de fiabilité des composants dc puissance du réseau de puissance ou de certains composants du réseau de consommation. [0003] Certaines normes imposent une isolation galvanique entre le réseau dc puissance et le réseau de consommation niais une telle isolation galvanique se révèle extrêmement onéreuse et contraignante à mettre en oeuvre dans la mesure où elle nécessite l'utilisation de nombreux circuits spécialisés (pilotes) utilisés pour piloter efficacement les portes de transistors de puissance et pour piloter lc(s) réseau(x). [0004] Lors d'une perte fugitive ou permanente de niasse, le réseau dc puissance n'est plus fonctionnel et ne peut plus communiquer son état. En effet dans cette situation, le réseau de puissance cesse de fournir très rapidement (typiquement entre une dizaine de microsecondes et quelques millisecondes) de la puissance au réseau de consommation. A cet effet, il peut par exemple comprendre, sur son entrée et sur sa sortie, des interrupteurs de sécurité à base de composants MOSFET (Metal Oxide Semicondutor Field Effect Transistor) ou Transistor à effet de champ semi-conducteur d'oxyde métallique selon la terminologie française. [0005] Cette cessation de fourniture de puissance permet d'éviter un endommagement de certains organes consommateurs d'énergie électrique pouvant entraîner un risque de 2 casse voire de départ de feu. Cependant, le véhicule se retrouve subitement avec une perte totale d'alimentation de ses organes consommateurs d'énergie électrique, y compris ceux dits sécuritaires, cc qui peut s'avérer (très) dangereux. On comprendra en effet qu'un arrêt de fonctionnement de l'éclairage extérieur ou de la direction assistée ou du correcteur électronique de trajectoire (ou ESP : Electronic Stabil ity Program ; Contrôle de la stabilité du véhicule selon la terminologie française) ou encore du système de déclenchement des « airbags » peut être dangereux dans certaines circonstances. [0006] Une solution visant à améliorer cette situation a été décrite dans FR-A-3045978. Il est proposé un dispositif de contrôle destiné à faire partie d'un circuit électrique comprenant un générateur de courant connecté en parallèle à un premier stockeur d'énergie électrique, un réseau de consommation comportant au moins un organe consommateur d'énergie électrique et connecté en parallèle à un second stockeur d'énergie électrique, et un convertisseur de type DC/DC monté en série entre, d'une part, le générateur de courant et le premier stockeur d'énergie électrique, et, d'autre part, le second stockeur d'énergie électrique et le réseau de consommation. [0007] Ce dispositif de contrôle comprend des moyens de contrôle agencés: - en cas de détection d'une surtension ou d'une sous-tension dans le circuit électrique, pour faire fonctionner le convertisseur pendant une première durée dans un mode adapté à cette surtension ou sous-tension détectée et dans lequel il délivre une puissance sensiblement identique à une puissance initiale qu'il délivrait avant la détection, et - en cas de poursuite de la surtension ou sous-tension à l'expiration de cette première durée, pour faire fonctionner le convertisseur dans un mode dégradé dans lequel il délivre une puissance strictement inférieure à la puissance initiale. [0008] Avec cette solution, on ne se retrouve pas subitement avec une perte totale d'alimentation électrique du circuit électrique, et les organes consommateurs d'énergie électrique ne risquent pas d'être endommagés [0009] Néanmoins les circuits électroniques proposés jusqu'à maintenant pour la réalisation d'un dispositif de contrôle, tel que présenté dans FR-A-3045978, occupent une place importante sur un circuit imprimé (ou PCB : Printed Circuit Board), ce qui peut poser des problèmes d'implémentation en particulier pour l'intégration sur un design de circuit imprimé existant et sur lequel la place restante est limitée. [0010] L'invention a donc notamment pour but d'améliorer la situation et de proposer un circuit électrique comprenant un dispositif de gestion de masse à occupation réduite pouvant être aisément intégré sur un design existant de circuit imprimé partie d'un circuit électrique d'une architecture bi-réseau. [0011] A cet effet, l'invention concerne un circuit électrique d'une architecture bi-réseau de 3 véhicule comprenant un premier réseau de puissance comprenant au moins un composant de puissance connecté en série à un premier stockeur d'énergie électrique et reliés à une masse de puissance, un deuxième réseau de consommation comprenant au moins un organe consommateur d'énergie électrique connecté en parallèle à un deuxième stockcur d'énergie électrique et reliés à une niasse de signal, un dispositif de gestion de masse connecté en série entre le réseau de puissance et le réseau de consommation, caractérisé en ce que le dispositif de gestion de niasse est un circuit électronique comprenant un premier et un deuxième transistors connectés tête-bêche, avec d'une part le premier transistor connecté entre la masse de puissance et le deuxième transistor et d'autre part le deuxième transistor connecté entre la masse de signal et le premier transistor, ledit circuit électronique étant agencé, en cas de détection d'une perte de masse du composant de puissance, pour faire circuler un courant entre la masse de puissance et la masse de signal pendant une durée prédéterminée suffisante pour diagnostiquer la perte de niasse et, en cas de maintien de la perte de masse après l'expiration de cette durée prédéterminée, d'arrêter la conversion d'énergie entre le réseau de puissance et le réseau de consommation. [0012] L'utilisation d'un couple de transistors connectés tête-bêche comme dispositif de gestion de masse assure d'une part la circulation de courant entre le réseau de puissance et le réseau de consommation en cas de détection d'une perte de masse tout en permettant une intégration compacte sur une plaquette à circuit imprimée existante. [0013] Selon un mode de réalisation, dans lequel ledit au moins un composant de puissance est un composant consommateur de courant de puissance, le circuit électronique est agencé pour faire circuler le courant depuis le réseau de puissance vers le réseau de consommation dans un mode de conversion d'énergie et, en cas de perte de masse du composant consommateur de courant de puissance, pour continuer à circuler le courant depuis le réseau de puissance vers le réseau de consommation pendant la durée prédéterminée. [0014] Ainsi en cas de perte de masse côté réseau de puissance, les composants du réseau de consommation sont protégés, le temps nécessaire pour arrêter la conversion d'énergie entre le réseau de puissance et le réseau de consommation. [0015] Selon un autre mode de réalisation, dans lequel ledit au moins un composant de puissance est un composant générateur de courant de puissance, le circuit électronique est agencé pour faire circuler le courant depuis le réseau de consommation vers le réseau de puissance dans un mode de conversion d'énergie et, en cas de perte de masse du composant générateur de courant de puissance, pour continuer à faire circuler le courant depuis le réseau de consommation vers le réseau de puissance pendant la durée prédéterminée. [0016] Ainsi en cas de perte de masse côté réseau de consommation, la circulation de courant est maintenue le temps nécessaire pour arrêter la conversion d'énergie entre le réseau de consommation et le réseau de puissance. [0017] Selon un autre mode de réalisation, le circuit électronique comprend le premier transistor dont le drain est connecté à la masse de puissance et dont la source est connectée à la source du deuxième transistor, une première diode montée entre le drain et la grille du premier transistor, un second transistor dont le drain est connecté à la niasse de signal, et une deuxième diode montée entre le drain et la grille du second transistor. [0018] Cette configuration de circuit électronique permet non seulement d'obtenir un circuit très compact mais également très peu coûteux. [0019] Selon un autre mode de réalisation, le dispositif de gestion de masse présente une faible impédance ohmique entre les niasses de puissance et de signal. [0020] Selon un autre mode de réalisation, le circuit électronique est monté sur une plaquette à circuit imprimé intégré au dit au moins un composant de puissance. [0021] Selon un autre mode de réalisation, ledit au moins un composant de puissance est choisi parmi un convertisseur DC/DC, un onduleur, un générateur, un moteur, un moto-ventilateur, un réchauffeur. [0022] Selon un autre mode de réalisation, ledit au moins un composant de puissance à une tension de fonctionnement entre 24V et 500V, de préférence 48V et une tension de pilotage entre 12V et 24V strictement inférieure à la tension de fonctionnement. [0023] L'invention propose également un véhicule, éventuellement de type automobile, à ar- chitecture bi-réseau et comprenant au moins un circuit électrique du type de celui présenté ci-avant. [0024] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la des- cription détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels : [0025] [fig.1] illustre schématiquement et fonctionnellement un exemple de réalisation de circuit électrique comprenant un dispositif de gestion de masse selon un mode de réalisation de l'invention. [0026] [fig.2] illustre schématiquement et fonctionnellement la structure interne d'un composant de puissance du circuit électrique équipé d'un dispositif de gestion de masse selon un mode de réalisation de l'invention. [0027] [fig.3] illustre un mode de réalisation préféré du dispositif de gestion de masse. [0028] [fig.4] illustre la circulation du courant dans le circuit électronique du dispositif de gestion de masse en cas de perte de masse. [0029] [fig.5] illustre un diagramme d'évolution temporelle de la tension aux bornes d'un circuit électrique selon l'invention, montrant une surtension « moyenne » passagère. [0030] Dans ce qui suit, on considère, à titre d'exemple non limitatif, que le circuit électrique CE selon l'invention est destiné à équiper un véhicule avec une architecture bi-réseau, éventuellement de type automobile, comme par exemple une voiture. Mais l'invention n'est pas limitée à ce type d'application. En effet, le circuit électrique CE peut équiper n'importe quel type de système à architecture hi-réseau, et notamment les véhicules (terrestres, maritimes (ou fluviaux) et aériens), et les installations, y compris de type industriel (par exemple les systèmes de sauvegarde d'alimentation). [0031] On notera que le véhicule peut, par exemple, être de type hybride ou tout électrique. On entend ici par « véhicule hybride> un véhicule comprenant un groupe moto-propulseur comportant notamment une machine (ou moteur) électrique et un moteur thermique destinés à fournir de la puissance pour le déplacer. Par ailleurs, on entend ici par « véhicule tout électrique » un véhicule comprenant un groupe motopropulseur comportant au moins une machine (ou moteur) électrique destiné(c) à fournir de la puissance pour le déplacer. [0032] On a schématiquement représenté sur la figure 1 un exemple non limitatif de circuit électrique CE comprenant un dispositif de gestion de masse CM selon un mode de réalisation de l'invention. Comme illustré, un tel circuit électrique CE d'une architecture hi-réseau de véhicule comprend un premier réseau de puissance comprenant au moins un composant de puissance CP connecté en série entre un premier stockeur d'énergie électrique SE] et un deuxième réseau de consommation comprenant au moins un organe consommateur OC d'énergie électrique connecté en parallèle à un deuxième stockeur d'énergie électrique SE2. [0033] Le réseau de puissance est relié à une masse de puissance MP et le réseau de consommation est relié à une masse de signal MS, les deux masses étant par exemple reliées à une masse de châssis. [0034] Le circuit électrique CE peut comprendre, comme composant de puissance, un gé- nérateur de courant OC, connecté en parallèle au premier stockeur d'énergie électrique SEI. Dans le cas d'un véhicule, il s'agit par exemple d'un moteur (ou d'une machine) électrique du groupe motopropulseur ou d'un alternateur ou encore d'un altemodémarreur. On notera que si le générateur de courant est un alternateur, alors le circuit électrique CE comprend également un démarreur monté en parallèle de l'alternateur. [0035] Le premier stockeur d'énergie électrique SEI est connecté en parallèle au composant de puissance CP et au générateur de courant. Il s'agit, par exemple, d'une batterie principale, par exemple de type 300 V ou 48 V ou encore 24 V (et plus généralement de 12 V à 500 V), chargée de fournir de l'énergie électrique au réseau de consommation. A titre d'exemple, il peut comprendre plusieurs ultra-condensateurs (par exemple trois ou cinq), montés en série. [0036] Le réseau de consommation comporte au moins un organe OC consommateur d'énergie électrique. A titre d'exemple non limitatif, un organe OC peut être un calculateur, un capteur, un combiné d'affichage, des essuie-glaces, une direction assistée 6 électrique, un système d'éclairage extérieur, un correcteur électronique de trajectoire (ou ESP), un système de déclenchement d'airbags, un turbo compresseur électrique, des suspensions électriques, un moteur (ou machine) électrique, ou un système de gestion des arrêts/démarrages d'un moteur. Le circuit électrique peut comporter n'importe quel nombre d'organes consommateurs d'énergie électrique, dès lors que ce nombre est supérieur ou égal à un (1). [0037] Le second stockeur d'énergie électrique SE2 est, par exemple, une batterie, par exemple de type 12V ou 24V (et plus généralement de 12V à 48 V), chargée de fournir de l'énergie électrique au réseau de consommation RC. A titre d'exemple, il peut comprendre plusieurs ultra-condensateurs (par exemple trois ou cinq), montés en série. [0038] Un calculateur de supervision CS est chargé de superviser le fonctionnement du système (ici un véhicule), et en particulier de son circuit électrique CE. [0039] Ledit composant de puissance CP comprend un dispositif de gestion de masse CM connecté en série entre le réseau de puissance et le réseau de consommation qui sera détaillé ci-après avec les figures 2 à 4. [0040] La figure 2 illustre schématiquement et fonctionnellement la structure interne d'un composant de puissance CP du circuit électrique de la figure 1, équipé d'un dispositif de gestion de masse CM selon un mode de réalisation de l'invention. [0041] Le composant de puissance CP, par exemple un convertisseur de type DC/DC (« courant continu/courant continu ») ou à découpage. Le convertisseur est monté en série entre, d'une part, le réseau de puissance comprenant le premier stockeur d'énergie électrique SEI et éventuellement en parallèle un générateur de courant, et, d'autre part, le second stockeur d'énergie électrique SE2 et le réseau de consommation RC. Le convertisseur DC DC, dans cet exemple comprend plusieurs cellules (Cl, C2, Cn) avec des interrupteurs de puissance « high-side » HS (côté haut) et « low-side » LS (côté bas) commandés par des pilotes. [0042] Le composant de puissance comprend en outre un dispositif de gestion de masse GM qui surveille la tension V mesurée aux bornes du circuit électrique CE, plus précisément en amont et en aval du composant de puissance CP, afin d'intervenir lors de la détection d'une perte de masse, c'est-à-dire lorsqu'une surtension ou une sous-tension est détectée. [0043] Plus précisément, le dispositif de gestion de masse GM est agencé, lorsqu'une perte de masse a été détectée dans le circuit électrique CE, pour faire circuler du courant entre le réseau de puissance et le réseau de consommation, de sorte à faire fonctionner le composant de puissance pendant une durée prédéterminée dans un mode dans lequel il délivre une puissance qui est sensiblement identique à la puissance initiale qu'il délivrait avant cette détection. En cas de poursuite de la surtension ou sous-tension à 7 l'expiration de la durée prédéterminée, le dispositif de gestion de la masse GM est agencé pour arrêter la conversion d'énergie. [0044] Ce mode de fonctionnement imposé par le dispositif de gestion de masse GM, est destiné à laisser du temps au calculateur de supervision CS pour prendre des décisions sécuritaires au sein du circuit électrique CE. Ainsi, le véhicule (ou système) ne se retrouve pas subitement avec une perte totale d'alimentation électrique, puisque l'on garantit un maintien de la puissance initiale pendant une durée prédéterminée, et les organes consommateurs d'énergie électrique OCj ne risquent pas d'être endommagés. [0045] On comprendra que s'il n'y a plus de perte de masse, c'est-à-dire s'il n'y a plus de surtension ou de sous-tension à l'expiration de la durée prédéterminée, le dispositif de gestion de la masse GM est agencé pour faire fonctionner le composant de puissance dans son mode de fonctionnement normal dans lequel il délivre une puissance qui est sensiblement égale à la puissance initiale. [0046] La figure 3 illustre un mode de réalisation préféré du dispositif de gestion de masse. Le dispositif de gestion de niasse est un circuit électronique comprenant un couple de transistors Ml et M2, par exemple de technologie MOSFET, connectés tête-bêche en série entre la masse de signal MS et la masse de puissance MP, le positionnement des niasses étant représenté de manière inversée par rapport aux figures I et 2. [0047] Plus précisément, le circuit électronique comprend un premier transistor WEI dont le drain est connecté à la niasse de signal MS et dont la source est connectée à la source du deuxième transistor M2 et une première diode Di montée entre le drain et la grille du premier transistor Mi ; et le second transistor M2 dont le drain est connecté à la masse de puissance MP, et une deuxième diode D2 montée entre le drain et la grille du second transistor. [0048] Le circuit électronique est agencé, en cas de détection d'une perte de masse du réseau de puissance, pour faire circuler un courant entre la masse de puissance et la masse de signal pendant une durée prédéterminée suffisante pour diagnostiquer la perte de masse et en cas de prolongation de la perte de masse au-delà de la durée prédéterminée, d'arrêter la conversion d'énergie entre le réseau de puissance et le réseau de consommation. [0049] La figure 4 illustre la circulation du courant dans le circuit électronique du dispositif de gestion de masse en cas de perte de masse grâce à cette connectique tête-bêche des transistors MI et M2 et diodes associées Dl et D2. [0050] En cas de détection d'une perte de masse en mode moteur ou en mode conversion entre le réseau de puissance et le réseau de consommation (par exemple conversion 48V vers 12V), le circuit électronique assure la circulation du courant, dans le sens de la flèche El, au travers des transistors M2 puis Mi de sorte à maintenir la circulation de courant entre le réseau de puissance et le réseau de consommation pendant la durée 8 prédéterminée suivant la détection de perte de masse. [0051] En cas de détection d'une perte de masse en mode générateur ou en mode conversion entre le réseau de consommation et le réseau de puissance (par exemple conversion 12V vers 48V), le circuit électronique assure la circulation du courant, dans le sens de la flèche F2, au travers des transistors M1 puis M2 de sorte à maintenir la circulation de courant entre le réseau de consommation et le réseau de puissance pendant la durée prédéterminée suivant la détection de perte de masse. [0052] La figure 5 illustre un diagramme d'évolution temporelle de la tension aux bornes d'un circuit électrique selon l'invention, montrant une surtension « moyenne » passagère en cas de détection de perte de masse. [0053] La courbe en trait pointillés discontinus représente la mesure du courant circulant dans le circuit électronique pendant la durée prédéterminée suite à une détection de perte de masse. [0054] La courbe en trait plein représente la variation de la tension aux bornes du stockcur d'énergie SE2 côté réseau de consommation. Cette tension reste toujours supérieure à au moins 75% (9 volts) de la tension nominale du réseau de consommation (12 volts) assurant une alimentation convenable de tous les organes consommateurs OC. [0055] La courbe en trait pontillés continus représente la variation de la tension interne gé- nérateur qui reste inférieure à 2/3 (+8 Volts) de la tension nominale du réseau de consommation. 9 [Revendication I] [Revendication 2] [Revendication 3] REVENDICATIONSCircuit électrique (CE) d'une architecture hi-réseau de véhicule comprenant - un premier réseau de puissance comprenant au moins un composant de puissance (CP, OC) connecté en série à un premier stockeur d'énergie électrique (SEI ) et reliés à une masse de puissance (MP), - un deuxième réseau de consommation comprenant au moins un organe consommateur (OC) d'énergie électrique connecté en parallèle à un deuxième stockeur d'énergie (SE2) électrique et reliés à une masse de signal (MS), - un dispositif de gestion de masse (GM) connecté en série entre le réseau de puissance et le réseau de consommation, caractérisé en ce que le dispositif de gestion de masse est un circuit électronique comprenant un premier et un deuxième transistors (M1, M2) connectés tête-bêche, avec d'une paille premier transistor connecté entre la masse de puissance et le deuxième transistor et d'autre part le deuxième transistor connecté entre la masse de signal et le premier transistor, ledit circuit électronique étant agencé, en cas de détection d'une perte de masse, pour faire circuler un courant entre la masse de puissance et la masse de signal pendant une durée prédéterminée suffisante pour diagnostiquer la pelle de masse et, en cas de maintien de la perte de masse après l'expiration de cette durée prédéterminée, d'arrêter la conversion d'énergie entre le réseau de puissance et le réseau de consommation. Circuit électrique (CE) selon la revendication 1, dans lequel ledit au moins un composant de puissance (CP) est un composant consommateur de courant de puissance et caractérisé en ce que le circuit électronique est agencé pour faire circuler le courant depuis le réseau de puissance vers le réseau de consommation dans un mode de conversion d'énergie et, en cas de perte de masse du composant consommateur de courant de puissance, pour continuer à faire circuler le courant depuis le réseau de puissance vers le réseau de consommation pendant la durée prédéterminée. Circuit électrique (CE) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit au moins un composant de puissance (CP) est un composant générateur de courant (OC) de puissance et caractérisé en ce que le circuit électronique est agencé pour faire circuler le courant. depuis le réseau de 10 consommation vers le réseau de puissance dans un mode de conversion d'énergie et, en cas de perte de niasse du composant générateur de courant de puissance, pour faire circuler le courant depuis le réseau de consommation vers le réseau de puissance pendant la durée prédéterminée. [Revendication 4] Circuit électrique (CE) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le circuit électronique comprend : - le premier transistor (M1) dont le drain est connecté à la masse de signal (MS) et dont la source est connectée à la source du deuxième transistor (M2), - une première diode (Dl) montée entre le drain et la grille du premier transistor, - le second transistor (M2) dont le drain est connecté à la masse de puissance (MP), et - une deuxième diode (D2) montée entre le drain et la grille du second transistor. [Revendication 5] Circuit électrique (CE) selon l'une des revendications précédentes, ca- ractérisé en ce que le circuit électronique est monté sur une plaquette à circuit imprimé intégré au dit au moins un composant de puissance (CP). [Revendication 6] Circuit électrique (CE) selon l'une (les revendications précédentes, ca- ractérisé en ce que ledit au moins un composant de puissance (CP) est choisi parmi un convertisseur DC/DC, un onduleur, un générateur, un moteur, un moto-ventilateur, un réchauffeur. [Revendication 7] Circuit électrique (CE) selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit au moins un composant de puissance à une tension de fonctionnement entre 24V et 500V, de préférence 48V et une tension de pilotage entre 12V et 24V strictement inférieure à la tension de fonctionnement. [Revendication 8] Véhicule à architecture bi-réseau comprenant au moins un circuit électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes.