Brevet FR3103902A1 — publié le 20210604

Dispositif et procédé de mesure de l’intensité du courant électrique parcourant chaque câble d’un groupe de N câbles (10) électriques, avec N un nombre entier naturel supérieur ou égal à 1, dans lequel on dispose au moins N+1 capteurs (20) à effet Hall, avec au moins deux capteurs (20) disposés, autour de chaque câble C i (10), selon une symétrie cylindrique. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 7 Dispositif et procédé de mesure du courant électrique dans un câble L’invention concerne le domaine de la mesure de courants électriques dans des circuits de puissance de véhicules automobiles. Etat de la technique Dans le domaine des véhicules automobiles et notamment des véhicules électriques, hybrides ou hybrides rechargeables, des courants forts peuvent être transmis dans des réseaux de câblage et/ou des circuits électriques de puissance (du véhicule lui-même ou reliés au véhicule) tels que ceux interconnectant entre eux, des éléments tels qu’une borne de recharge, une batterie, un moteur, un convertisseur de tension, etc. Il peut être nécessaire de connaître la valeur de ces courants. A cette fin et d’une manière générale, il est souhaité par les constructeurs automobiles que les dispositifs de mesure de courant, aient un encombrement et un coût aussi faibles que possible, et que ceux-ci soient le plus intégrés possible. Il est proposé ci-dessous une contribution à l’amélioration des dispositifs de mesure de l’intensité de courant électrique, cette contribution visant à apporter une solution au moins partielle à au moins certaines des exigences mentionnées ci-dessus. Ainsi, il est proposé un dispositif de mesure du courant électrique comportant au moins un capteur à effet Hall pour mesurer un courant électrique parcourant N câbles électriques, avec N un nombre entier naturel supérieur ou égal à 1. Plus particulièrement, ce dispositif comporte au moins N+1 capteurs à effet Hall, pour mesurer le courant électrique parcourant un câble C i, avec i=1 à N et au moins deux de ces capteurs sont disposés, autour de chaque câble C i, selon une symétrie cylindrique (par exemple à 180° l’un de l’autre pour deux capteurs disposés autour du câble C i, à 120° l’un de l’autre pour trois capteurs disposés autour du câble C i, à 90° l’un de l’autre pour quatre capteurs disposés autour du câble C i, etc.). En effet, avec une telle symétrie, on peut considérer que la somme vectorielle des composantes du champ magnétique généré par le courant électrique parcourant d’autres câbles, différents des N câbles C i, et mesurées chacune respectivement par chacun de ces capteurs est nulle ou négligeable par rapport à la somme vectorielle des composantes du champ magnétique généré par le courant parcourant le câble C i autour duquel sont disposés ces capteurs et mesurées chacune respectivement par chacun de ces capteurs. Cette approximation repose sur le fait que l’on considère notamment que le champ magnétique généré par le courant électrique parcourant d’autres câbles relativement éloignés – extérieur au groupe de N câbles considérés, est vu comme homogène par les capteurs disposés autour du câble C i. On considère par exemple qu’une somme vectorielle est négligeable par rapport à l’autre si la norme du résultat de cette somme vectorielle est inférieure ou égale, par exemple, à 10% de de la norme de la résultante de l’autre somme. Autrement dit, en disposant les capteurs selon des configurations ayant des symétries adaptées, on peut considérer que la mesure obtenue sur des capteurs situés autour du câble considéré est pratiquement exempte de perturbations provenant du champ magnétique générés par le passage du courant dans des câbles relativement éloignés de celui pour lequel on souhaite mesurer l’intensité du courant qui le parcourt. Ainsi, on peut mesurer les champs magnétiques respectivement générés par différents courant électriques parcourant des câbles voisins les uns des autres (sauf si un capteur est utilisé volontairement pour mesurer le champ produit par le passage d’un courant dans plusieurs câbles par exemple). Ce dispositif comporte également éventuellement l’une et/ou l’autre des caractéristiques suivantes considérées chacune indépendamment l’une de l’autre ou en combinaison d’une ou plusieurs autres : -. les capteurs sont disposés dans un même plan orthogonal à la direction du courant électrique parcourant chacun des câbles C i ; – les capteur sont disposés par groupe, par exemple par groupe de trois capteurs répartis à 120 degrés les uns des autres, autour de chacun des N câbles C i ; - les capteurs d’un groupe sont à équidistance du câble C i autour duquel ils sont répartis ; – les capteurs sont disposés sur un circuit imprimé traversé essentiellement perpendiculairement par chacun des N câbles C i ; - le circuit imprimé comporte des fentes au fond de chacune desquelles est positionné l’un des N câbles C i ; et - le circuit imprimé est logé dans un boîtier comprenant des encoches disposées en coïncidence des fentes du circuit imprimé. Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de mesure de courants électriques parcourant chacun individuellement un câble électrique parmi N, avec N un nombre entier naturel supérieur ou égal à 1, à l’aide de capteurs à effet Hall. Pour mesurer le courant électrique parcourant chacun des câbles C i, avec i=1 à N, on dispose au moins deux capteurs à effet Hall autour de chaque câble C i, selon une symétrie cylindrique. Ce procédé comporte également éventuellement l’une et/ou l’autre des caractéristiques suivantes considérées chacune indépendamment l’une de l’autre ou en combinaison d’une ou plusieurs autres : - pour mesurer le courant électrique parcourant chacun des N câbles C i, on dispose des capteurs à effet Hall, autour de chaque câble C i dans un même plan orthogonal à la direction du courant électrique parcourant chacun des câbles C i ; - pour mesurer le courant électrique parcourant chacun des N câbles C i, on dispose les capteurs à effet Hall par groupe, chacun des capteurs d’un groupe étant à équidistance du câble C i autour duquel ils sont répartis ; - pour mesurer le courant électrique parcourant chacun des N câbles, on dispose au moins trois capteurs à effet Hall autour de chaque câble C i dans un même plan, par groupe de trois capteurs répartis à 120 degrés les uns des autres autour de chacun des N câbles C i, chacun des trois capteurs d’un groupe étant répartis à 120 degrés les uns des autres ; - les N capteurs à effet Hall sont disposés sur un circuit imprimé ; et - la détermination de l’intensité de chaque courant passant par un câble C i repose sur un calcul matriciel. D’autres caractéristiques, buts et avantages du dispositif et du procédé mentionnés ci-dessus apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels : représente schématiquement un exemple de configuration pour la mesure du courant électrique passant par un câble, à l’aide de trois capteurs disposés autour de ce câble ; représente schématiquement les champs magnétiques vus par trois capteurs, un champ magnétique interne étant généré par le passage d’un courant dans un câble disposé au centre d’un triangle aux sommets duquel se trouvent les trois capteurs et un champ magnétique externe étant généré par le passage d’un courant dans un câble situé à l’extérieur de ce triangle, à distance des capteurs : représente schématiquement la somme des composantes vectorielles du champ magnétique externe représenté sur la figure 2, mesurées chacune respectivement par l’un des trois capteurs ; représente schématiquement la somme des composantes vectorielles du champ magnétique interne représenté sur la figure 2, mesurées chacune respectivement par l’un des trois capteurs ; représente schématiquement vu de dessus un exemple de configuration de capteurs sur un circuit imprimé pour mesurer le courant électrique dans cinq câbles ; représente schématiquement vu de dessus un exemple de configuration de capteurs sur un circuit imprimé pour mesurer le courant électrique dans six câbles ; illustre l’exemple de calcul décrit pour la détermination des courants électriques transmis par six câbles, à l’aide de sept capteurs agencés sur un circuit imprimé tel que celui illustré par les figures 6 et 8 ; représente schématiquement vu de dessus un exemple de circuit imprimé pour mesurer le courant électrique dans six câbles ; représente schématiquement en perspective et en vue explosée un exemple de boîtier pour loger un circuit imprimé tel que celui représenté sur la figure 8 ; représente schématiquement en perspective un exemple de boîtier fermé logeant un circuit imprimé tel que celui représenté sur la figure 8 ; et représente schématiquement en perspective le boîtier des figures 9 et 10 autour duquel sont montés six câbles. Description détaillée Selon un exemple de mise en œuvre d’un procédé de mesure du courant électrique passant par un câble électrique 10, on dispose trois capteurs 20 à effet Hall répartis symétriquement à 120 degrés les uns des autres dans un plan perpendiculaire à la direction du courant dans le câble 10. Cet exemple est illustré par la figure 1. Selon cet exemple, chaque capteur 20 est disposé de manière à être traversé perpendiculairement par les lignes du champ magnétique B int générées par le passage du courant i dans le câble 10. La valeur locale du champ B int mesurée par chaque capteur 20 est donc représentée par un vecteur VB int tangent aux lignes du champ B int généré dans le câble 10 situé au centre des trois capteurs 10. Ramené dans un repère attaché à chacun des capteurs 20 considéré individuellement, ce vecteur VB int est donc le même. Par contre, comme illustré par la figure 2, le champ magnétique B ext généré par le passage du courant dans un câble plus lointain est vu différemment par chacun de ces trois capteurs 20. Pour simplifier, on peut faire l’hypothèse que le champ magnétique B ext est homogène au niveau des trois capteurs et donc que les vecteurs VB ext qui représentent le champ magnétique B ext sont orientés sensiblement dans la même direction dans un repère unique commun aux trois capteurs 20, mais à 120 degrés les uns des autres si on ramène en coïncidence les repères de chacun des trois capteurs 20. Ainsi, comme représenté sur la figure 3, la somme des vecteurs VB ext représentant la valeur locale du champ magnétique B ext mesurée par chacun des trois capteurs 20 s’annule pour le champ magnétique B ext généré dans un câble situé à distance des trois capteurs 20, dans une zone extérieure à la surface du triangle qui les relie, et lorsqu’on ramène en coïncidence les repères attachés à chacun des trois capteurs 10. Par contre, comme illustré par la figure 4, les vecteurs VB int représentant la valeur locale du champ magnétique B int mesurée par chacun des trois capteurs 20 s’additionnent (avec une valeur 3Bint) pour le champ magnétique B int généré dans le câble 10 situé au centre des trois capteurs 20, lorsqu’on ramène en coïncidence les repères attachés à chacun des trois capteurs 20. La situation décrite ci-dessus pour la mesure du courant passant au niveau d’un câble 10, peut être étendue à davantage de câbles tout en conservant la même disposition des trois capteurs autour de chacun des câbles 10. La figure 5 illustre une configuration de mesure pour trois câbles 10, avec cinq capteurs 20 montés sur une plaque de circuit imprimé 30. La figure 6 illustre une configuration de mesure pour six câbles 10, avec sept capteurs 20 montés sur une plaque de circuit imprimé 30. Un exemple de calcul du courant pour six câbles est donné ci-dessous. La relation liant un courant I au champ magnétique B qu’il génère est donnée par la loi de Biot-Savart : où - B est la valeur du champ magnétique à une distance d du câble ; - I est l’intensité du courant passant par le câble ; - est la perméabilité du vide. Ainsi, la valeur du champ B en un point dépend du courant I i (i=1 à 6) passant les six câbles (voir figure 7): qui dépend de Par exemple, le champ magnétique mesuré au niveau du capteur S 1 correspond à la somme vectorielle, au niveau de ce capteur S 1, des champs magnétiques générés chacun respectivement par le courant électrique I j, avec j=1 à 6, passant par chacun des câbles 20, auquel s’ajoute un éventuel champ uniforme : En projetant les composantes de ces champs sur des axes orthogonaux X, Y correspondant à des vecteurs et , on obtient : Mais, pour obtenir des matrices inversables et résoudre le système matriciel résultant de la prise en compte de tout les champs , avec k =1 à 7, pour les sept capteurs S k, il est préférable de faire une projection sur les axes T et P à 45 degrés par rapport aux axes X et Y : Avec pour l’axe T et . Il faut alors résoudre, pour l’axe T : . Finalement, on obtient, la matrice de coefficients suivante : Un exemple de circuit imprimé 100 comportant sept capteurs 20 est illustré par la figure 8. Ce circuit imprimé comporte six fentes 110 s’étendant radialement entre une zone centrale 120 et sa périphérie 130. Ces six fentes 110 délimitent ainsi six lobes 140. Un capteur 20 (non-représenté sur la figure 8) est monté sur chacun de ces lobes 140 ainsi qu’au niveau de la zone centrale 120. La profondeur des six fentes 110 est telle que lorsqu’un câble 10 est logé au fond de chacune des fentes 110 il est à équidistance des trois capteurs 20 les plus proches. La distance entre deux capteurs 20 voisins situés aux sommets d’un triangle au centre duquel se trouve un câble 10 est la même. Autrement dit le triangle est équilatéral. L’agencement des capteurs 20 et des câbles 10 correspond à l’agencement illustré par la figure 7. L’un des lobes 140 comporte des moyens de connexion 150 pour connecter, par exemple, par soudure, des fils électriques 160 (voir figure 11) destinés à la collecte des signaux mesurés par chacun des capteurs 20 vers un calculateur adapté pour déterminer la valeur du courant électrique I i passant par chacun des câbles C i, à partir de ces signaux. Comme représenté sur les figures 9 et 10, ce circuit imprimé 100 peut être logé dans un boîtier 200. Ce boîtier 200 comporte deux coquilles 210. Chaque coquille 210 a une paroi 220 de forme essentiellement cylindrique s’étendant longitudinalement parallèlement à un axe central A. Chaque coquille 210 est obturée à l’une de ses extrémités longitudinales par une paroi transversale 230. Chaque coquille 210 comporte six encoches 240 s’étendant radialement dans la paroi transversale 230 et longitudinalement dans la paroi cylindrique 220. Ces encoches 240 se trouvent en coïncidence des fentes 110 lorsqu’un circuit imprimé 100 est logé dans le boîtier 200. Des moyens de fixation de câbles 250 sont prévus sur chacune des parois transversales 230. Par exemple, ces moyens de fixation de câbles 250 ont une forme de champignon s’étendant à partir du centre des parois transversales 230. Le chapeau de ces champignons comporte six rainures 260 radiales pour guider les câbles traversant le boîtier par les encoches 240. Ces moyens de fixation de câbles 250 comportent également une gorge circulaire 270 au niveau du pied du champignon pour le passage d’une attache serre-câble 300 (voir figure 11). Ainsi, le circuit imprimé 100 est placé au fond de l’une des coquilles 210. Le plan dans lequel s’étend le circuit imprimé 100 est perpendiculaire à l’axe central 1 du boitier 200. L’autre coquille 210 est insérée à l’intérieur de la première. Six câbles 10 sont chacun respectivement insérés dans une encoche 240 et guidés dans une rainure 260. Les six câbles 10 sont attachés ensemble autour de chaque pied à l’aide d’un serre-câble 300. Ainsi disposés et fixés, les six câbles 10 s’étendent longitudinalement parallèlement à l’axe central A du boîtier et se trouvent chacun respectivement placé au fond d’une fente 110 du circuit imprimé 100. Dispositif de mesure de courant électrique comportant au moins un capteur (20) à effet Hall pour mesurer un courant électrique parcourant N câbles (10) électriques, avec N un nombre entier naturel supérieur ou égal à 1, caractérisé par le fait qu’il comporte au moins N+1 capteurs (20) à effet Hall, pour mesurer le courant électrique parcourant un câble C i (10), avec i=1 à N, au moins deux capteurs (20) sont disposés, autour de chaque câble C i (10), selon une symétrie cylindrique. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les capteurs (20) sont disposés dans un même plan orthogonal à la direction du courant électrique parcourant chacun des câbles C i (10). Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les capteurs (20) sont disposés par groupe, chacun des capteurs (20) d’un groupe étant à équidistance du câble C i (10) autour duquel ils sont répartis. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel les capteurs (20) sont disposés par groupe de trois capteurs (20) répartis à 120 degrés les uns des autres autour de chacun des N câbles C i (10). Dispositif selon la revendication l’une des revendications précédentes, dans lequel les capteurs (20) sont disposés sur un circuit imprimé (100) traversé essentiellement perpendiculairement par chacun des N câbles C i (10). Dispositif selon la revendication 5, dans lequel le circuit imprimé (100) comporte des fentes (110) au fond de chacune desquelles est positionné l’un des N câbles C i (10). Dispositif selon la revendication 5 ou 6, dans lequel le circuit imprimé (100) est logé dans un boîtier (200) comprenant des encoches (240) disposées en coïncidence des fentes (110) du circuit imprimé. Procédé de mesure de courants électriques parcourant chacun individuellement un câble électrique (10) parmi N, avec N un nombre entier naturel supérieur ou égal à 1, à l’aide d’au moins un capteur (20) à effet Hall, caractérisé par le fait que pour mesurer le courant électrique parcourant un câble C i (10), avec i=1 à N, on dispose au moins deux capteurs (20) à effet Hall autour du câble C i (10), selon une symétrie cylindrique. Procédé selon la revendication 8, dans lequel, pour mesurer le courant électrique parcourant chacun des N câbles C i (10), on dispose des capteurs (20) à effet Hall, autour de chaque câble C i (10) dans un même plan orthogonal à la direction du courant électrique parcourant chacun des câbles C i (10). Procédé selon la revendication 9, dans lequel on dispose les capteurs (20) à effet Hall par groupe, chacun des capteurs (20) d’un groupe étant à équidistance du câble C i (10). Procédé selon la revendication 10, dans lequel on dispose les capteurs (20) à effet Hall par groupe de trois capteurs (20) répartis à 120 degrés les uns des autres autour de chacun des N câbles C i (10). Procédé selon l’une des revendications 8 à 11, dans lequel la détermination de l’intensité de chaque courant passant par un câble C i (10) repose sur un calcul matriciel.