Brevet FR3133797A1 — publié le 20230929

L’invention concerne un module de chargeur (OBCDC) pour batterie (MP, PB) de véhicule automobile, via un circuit à haute tension (HV) connecté à un connecteur de prise de recharge (ST), comprenant : - un chargeur embarqué (OBC) ; - une unité de contrôle de charge, caractérisé par - un moyen pour déterminer si un courant de recharge dépasse un seuil de courant ; et dans l’affirmative, déterminer si une tension du courant de recharge est inférieure à un seuil de tension pendant une durée supérieure ou égale à un seuil de durée ; et dans l’affirmative conclure à un défaut d’isolation ; - un moyen pour arrêter la recharge en cas de défaut d’isolation ; et - un moyen pour isoler électriquement ledit module dudit circuit en cas de défaut d’isolation. L’invention concerne aussi un procédé et un programme sur cette base. Fig. 1 MODULE DE CHARGEUR EMBARQUE POUR VEHICULE, SECURISE VIS-A-VIS DE RISQUES D’ELECTROCUTION, PROCEDE ET VEHICULE SUR LA BASE D’UN TEL MODULE L’invention se rapporte au domaine de la sécurisation des véhicules automobiles vis-à-vis de risques électriques, et plus particulièrement la protection des occupants et des passagers contre le risque de l’électrocution et d’incendie du véhicule lors des opérations de recharge. Actuellement, c’est le contrôleur de la batterie de traction (ou le système de gestion de batterie – BMS pour « battery management system » en langue anglaise), qui est responsable de la surveillance du bon niveau de l’isolation du circuit à haute tension (par abréviation circuit HV – pour « high voltage » en langue anglaise), car c’est la batterie qui fournit le courant au circuit à haute tension du véhicule la majorité du temps. Pourtant, il existe une zone de risque que le système de gestion de batterie peut ne pas voir, en début de charge en mode 2 (à savoir une charge sur une prise de courant) ou en mode 3 (à savoir une charge sur une borne de recharge), le système de gestion de batterie ne sait pas exactement quand le module de chargeur (généralement appelé OBCDC comportant un chargeur embarqué et un convertisseur DC/DC) commence l’envoi de courant et un défaut de court-circuit peut être interne au module de chargeur. Un objectif de la présente invention est de proposer une solution pour mieux détecter des défauts électriques notamment lors de recharges en mode 2 ou 3. Le but est d’éviter que le courant de recharge envoyé par le chargeur embarqué (généralement appelé OBC – pour « on board charger » en langue anglaise) lors de l’opération de recharge en mode 2 ou en mode 3, ne parte pas à la batterie de recharge, mais parte dans la structure du véhicule et risque d’électrocuter les utilisateurs du véhicule ou un passant lors des opérations de recharge, voir crée un incendie du véhicule. Pour atteindre cet objectif, l’invention propose un module de chargeur pour un pack batterie de véhicule automobile, le pack batterie comprenant des modules de puissance d’une batterie dans un circuit à haute tension connecté à un connecteur de prise de recharge et à une machine électrique de traction, le module de chargeur étant connecté au circuit à haute tension pour permettre une transmission d’un courant de recharge issu du connecteur de prise de recharge vers les modules de puissance du pack batterie, le module de chargeur comprenant : - un chargeur embarqué ; - une unité de contrôle de charge connectée au chargeur embarqué, - un moyen pour transmettre le courant de recharge en sortie du module de chargeur vers les modules de puissance ; caractérisé en ce que le module de chargeur comprend en outre : - un moyen de détection de défaut d’isolation pour déterminer si le courant de recharge dépasse un seuil de courant ; et dans l’affirmative, déterminer si une tension du courant de recharge est inférieure à un seuil de tension pendant une durée supérieure ou égale à un seuil de durée ; et dans l’affirmative conclure à un défaut d’isolation ; - un moyen d’arrêt de recharge pour arrêter la procédure de recharge en cas de défaut d’isolation ; et - un moyen d’isolation électrique pour isoler électriquement le module de chargeur du circuit à haute tension en cas de défaut d’isolation Cette invention consiste notamment à surveiller l’isolation du circuit à haute tension par le module de chargeur lors des recharges en mode 2 et en mode 3, et à stopper l’opération de recharge immédiatement si le chargeur embarqué détecte un défaut d’isolation, c’est-à-dire quand le module de chargeur détecte une résistance du circuit en sortie de chargeur trop faible. Ainsi, l’invention permet de réaliser une surveillance de la part du module de chargeur, de l’isolation du courant à haute tension durant les charges en modes 2 et 3, c’est-à-dire quand le module de chargeur envoie du courant dans le circuit à haute tension pour recharger la batterie de traction, sans pour autant compter sur le système de gestion de batterie pour couvrir le début de charge en mode 2 et en mode 3. L’invention permet en particulier de créer une surveillance de l’isolation du circuit à haute tension en sortie du chargeur embarqué ; et sous un certain seuil d’isolation, on met en stand-by la recharge en mode 2 ou en mode 3, et le chargeur embarqué commande l’ouverture de ses Mosfets (transistors à effet de champ à grille isolée, couramment nommés ainsi pour « Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor » en langue anglaise) pour protéger les utilisateurs ou les passants du risque d’électrocution, et l’intégrité du véhicule vis-à-vis du risque d’incendie. Selon une variante, le module de chargeur comprend en outre des transistors à effet de champ à grille isolée dans sa connexion au circuit à haute tension HV, et le moyen d’isolation électrique est configuré pour désactiver lesdits transistors. Cela permet d’isoler rapidement et efficacement le module de chargeur du circuit à haute tension. Selon une variante, le module de chargeur est caractérisé en ce que - le seuil de courant est calibré entre 2A et 6A, de préférence à 4A ; - le seuil de tension est calibré entre 55V et 65V, de préférence à 60V ; et - le seuil de durée, est calibré entre 5ms et 100ms, de préférence à 10ms Cela permet d’avoir une mise en œuvre optimale. Selon une variante, le module de chargeur comprend un moyen pour enregistrer un code défaut en cas de défaut d’isolation. Cela permet de signaler cette information aux services de contrôle. Selon une variante, le moyen d’isolation électrique est configuré pour reconnecter le module de chargeur au circuit à haute tension après un temps de rétablissement suivant la conclusion de défaut d’isolation, et le moyen d’arrêt de recharge est configuré pour rétablir ensuite la procédure de recharge. Cela permet d’optimiser la relance de charge suite à un arrêt de charge. Selon une variante, le module de chargeur comprend un compteur de relances de recharge pour compter un nombre de relances de recharge depuis la connexion du connecteur de prise de recharge à une source de recharge, le moyen d’arrêt de recharge étant configuré pour arrêter la recharge jusqu’à la déconnexion du connecteur de prise de recharge après un seuil de nombre de relances. Selon une variante, le module de chargeur est caractérisé en ce que : - le temps de rétablissement est calibré entre 1s et 10s, de préférence à 5s ; et - le seuil de nombre de relances est calibré entre 10 et 60, de préférence à 40. Cela permet d’avoir une mise en œuvre optimale. L’invention concerne en outre un véhicule automobile comprenant un module de chargeur selon l’invention. L’invention a également trait à un procédé de détection d’isolation au moyen d’un module de chargeur selon l’invention, caractérisé par les étapes suivantes : - déterminer si le courant de recharge dépasse un seuil de courant, - dans l’affirmative, déterminer si une tension du courant de recharge est inférieure à un seuil de tension pendant une durée supérieure ou égale à un seuil de durée, - dans l’affirmative conclure à un défaut d’isolation ; - arrêter la procédure de recharge en cas de défaut d’isolation ; et - isoler électriquement le module de chargeur du circuit à haute tension en cas de défaut d’isolation. Un autre objet de l’invention concerne un programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes du procédé de détection d’isolation selon l’invention, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur. L’invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l’invention, dans lesquelles : - illustre schématiquement un circuit à haute tension de véhicule convenant à l’invention ; et - illustre schématiquement les principales étapes du procédé selon l’invention. Le but de l’invention est à la fois : - de protéger l’intégrité du véhicule vis-à-vis du risque d’incendie pendant les recharges en mode 2 et en mode 3, par le module de chargeur OBCDC ; - de prévenir les services de contrôle d’une défaillance de l’isolation du circuit à haute tension ou du module de chargeur OBCDC ; - et surtout d’éviter l’électrocution des utilisateurs ou des passants lors des opérations de recharges en mode 2 et en mode 3. Une définition d’une charge dite « normale » peut être la suivante : Plus l’utilisateur utilise son véhicule, plus le niveau d’état de charge de la batterie de traction diminue et donc l’autonomie du véhicule diminue. À tout moment, l’utilisateur peut mettre son véhicule à recharger. Pour cela, il suffit qu’il trouve une prise de courant (ce que l’on appelle une charge en mode 2) ou une borne de recharge (ce que l’on appelle une charge en mode 3 ou 4), qu’il branche la prise de recharge sur le socle de prise de recharge ST du véhicule, et qu’il lance la charge au niveau de la borne (si la borne le nécessite). Ainsi, la recharge de la batterie de traction se lance. Une définition de l’état de charge peut être la suivante : L’état de charge d’une batterie (par abréviation SOC pour « state of charge » en langue anglaise) représente le niveau de charge de la batterie. Son unité est le pourcentage. Quand l’état de charge est à 100%, la batterie est dite complétement chargée ; et quand l’état de charge est à 0%, la batterie est dite complétement déchargée. Une définition des modes de recharge peut être la suivante : La charge en mode 2, de la responsabilité du module de chargeur OBCDC, c’est la recharge sur une prise murale classique donc avec un courant de 8A ou 13A par exemple. La charge en mode 3, de responsabilité du module de chargeur OBCDC, c’est la recharge sur une borne murale (« wallbox » en langue anglaise) que l’on peut acheter avec la voiture et qui est à installer sur le compteur du domicile donc avec un courant de 16A ou 32A par exemple. Le mode 3 existe soit en monophasé à 1x16A ou 1x32A ; soit en triphasé à 3x16A. La charge en mode 4, de la responsabilité du système de gestion de batterie, c’est la recharge sur des bornes spéciales en courant DC 450V et qui vont de 40A à 250A. Concernant maintenant le module de chargeur OBCDC, il s’agit d’un organe qui se compose de deux parties : - la partie chargeur embarqué (OBC), qui est le chargeur de courant électrique du véhicule. Le chargeur embarqué comprend un calculateur (ou unité de contrôle) et gère la communication avec les différentes bornes de recharge ; surveille et monitore la recharge électrique du véhicule. Lors des recharges électriques en modes 2 et 3, le convertisseur DC/DC convertit le courant alternatif 220V en courant continu jusque 450V sur certains véhicules spécifiques. - la partie convertisseur DC/DC, qui est responsable de la conversion du courant. Lors des recharges électriques en mode 4, le convertisseur DC/DC n’intervient pas car le courant DC est directement envoyé à la batterie de traction 450V DC. Lors du roulage, le convertisseur DC/DC convertit une partie du courant du pack batterie DC 350V/450V (PB) en courant DC 13,9V pour alimenter le réseau de bord du véhicule électrique et donc recharger la batterie 12V du véhicule électrique. La illustre un circuit à haute tension sur des véhicules spécifiques. Le pack batterie PB de ces véhicules comprend principalement : - des modules de puissances MP qui contiennent l’énergie électrique du pack batterie PB (c’est la partie entourée à gauche en ) ; - un module de pilotage (c’est-à-dire le système de gestion de batterie), qui comprend un calculateur de pilotage du pack batterie ; - un système de refroidissement/réchauffage des modules de puissance ; - une armature de maintien des modules de puissances ; - des contacteurs K1, K2, K3, K4 et K5 pour isoler le pack batterie PB à haute tension de la machine électrique de traction ME ; et pour isoler la batterie à haute tension de la borne de recharge, ou tout au moins de l’embase de recharge ST du véhicule ; et - des capotages inférieur et extérieur pour garantir l’isolation du pack batterie. Globalement tout ce qui est dans le cadre en trait mixte en , est contenu dans le pack batterie PB. Les modules de puissance MP et le module de pilotage, ainsi que le logiciel dans le module de pilotage sont par exemple ceux d’un fournisseur. Le reste peut être assemblé pour obtenir un pack batterie PB. Les différents calculateurs pouvant intervenir dans l’invention sont les suivants : - le calculateur de la batterie HV de traction (BMS) : il gère la batterie HV de traction du véhicule. Il envoie et estime l’état d’énergie (par abréviation SOE pour « state of energy » en langue anglaise) de la batterie, et envoie l’information à un superviseur du groupe motopropulseur (généralement appelé eVCU) ; - le superviseur du groupe motopropulseur (eVCU) : il coordonne, pilote, commande, et supervise des calculateurs de contrôle, dont le module de chargeur OBCDC et le système de gestion de batterie ; - le module de chargeur OBCDC définit plus haut. Concernant spécifiquement l’invention, la stratégie concernant la détection d’un défaut d’isolation en sortie de module de chargeur OBCDC lors de l’opération de recharge en mode 2 ou en mode 3 peut être comme suit : Pour détecter un défaut d’isolation en sortie de module de chargeur OBCDC, nous avons développé le fonctionnel suivant : En début de charge en mode 2 et/ou en mode 3 (étape 1 sur la ), quand de module de chargeur OBCDC commence à envoyer le courant de recharge en sortie du module de chargeur OBCDC, (donc en théorie en entrée de circuit à haute tension) en destination de la batterie de traction (Modules MP), le module de chargeur OBCDC débute la surveillance de l’isolation quand le courant de recharge en sortie de chargeur embarqué dépasse un certain seuil de courant (que l’on appellera ici SIc ). Ainsi, quand le courant de recharge en sortie du chargeur embarqué dépasse ce seuil de courant SIc ), le module de chargeur OBCDC regarde la tension du courant de recharge en sortie du chargeur embarqué OBC, et si cette tension est inférieure à un certain seuil de tension de recharge (que l’on appellera ici SUc ) pendant une durée supérieure ou égale à SD , alors le module de chargeur OBCDC arrête la procédure de recharge (donc le module de chargeur OBCDC arrête la conversion du courant AC en courant DC 400V) on passe le module de chargeur OBCDC en phase de veille (ou « stand-by » en langue anglaise, c’est-à-dire en phase de pause) et le module de chargeur OBCDC ouvre ses Mosfets (pour isoler le module de chargeur OBCDC du circuit à haute tension du véhicule – étape 2 sur la ). Dans les essais, dans cette situation, nous avons calibré le logiciel du module de chargeur OBCDC pour stopper la charge, lors des charges en modes 2 et 3 avec : - SUc calibré pendant la phase de mise au point de la fonction à 60 V ; - SIc calibré pendant la phase de mise au point de la fonction à 4 A ; et - SD calibrée pendant la phase de mise au point de la fonction à 10 microsecondes. A noter concernant SD , que le risque est si important que nous sommes obligés d’arrêter la charge immédiatement si la tension du courant de recharge n’est pas supérieure à SUc dès le début de la phase de recharge. Donc cela revient à dire que lors des recharges en mode 2 et/ou en mode 3, quand le courant de recharge en sortie du chargeur embarqué OBC dépasse le seuil de 4 Ampères, le module de chargeur OBCDC regarde la tension du courant de recharge en sortie du chargeur embarqué OBC, et si cette tension est inférieure à 60 Volts pendant une durée supérieure ou égale à 10 microsecondes, le module de chargeur OBCDC arrête la procédure de recharge (donc le module de chargeur OBCDC arrête la conversion du courant AC en courant DC 400V), le module de chargeur OBCDC passe en phase de veille (en phase de pause), et ouvre ses Mosfets. Quand cette charge en mode 2 et/ou en mode 3 est arrêtée suite à ce défaut, le module de chargeur OBCDC et le superviseur du groupe motopropulseur (eVCU) enregistrent un code défaut et le superviseur envoie à un boîtier central (généralement appelé BSI pour « boitier de servitude intelligent ») son code défaut pour signaler que la charge a été arrêtée suite à un défaut d’isolation en sortie du chargeur embarqué OBC. Ainsi, si l’utilisateur fait un contrôle pour savoir ce qui s’est passé, en consultant les défauts, il aura l’information selon laquelle la charge s’est arrêtée suite à un défaut d’isolation en sortie du module de chargeur OBCDC. Ensuite, le service de contrôle n’a plus qu’à contrôler la sortie du module de chargeur OBCDC et le circuit à haute tension du véhicule pour identifier la localisation du défaut d’isolation, afin d’y remédier. Concernant maintenant la stratégie pour relancer une charge suite à ce type d’arrêt de charge : Ce défaut se rétablit de lui-même au bout d’un temps de rétablissement (que l’on appellera ici TR ). En d’autres termes, au bout de ce temps TR , le module de chargeur OBCDC passe le code défaut d’un état permanent à un état fugitif, c’est-à-dire que le code défaut est toujours mémorisé dans le module de chargeur OBCDC, dans le superviseur du groupe motopropulseur et dans le boîtier central, mais sous l’état « Fugitif ». Cela signifie que le module de chargeur OBCDC a rétabli la situation. Le module de chargeur OBCDC essaie alors de relancer la charge en mode 2 ou en mode 3 au bout de ce temps TR , si l’utilisateur du véhicule n’a pas débranché la prise de recharge du véhicule. Donc, si le pistolet de recharge est toujours présent au niveau du socle de prise du véhicule ST, le module de chargeur OBCDC tente de relancer la charge, mais la surveillance de la tension du courant de recharge est toujours active. Si lors de la relance de charge, la tension du courant de recharge reste inférieure au seuil SUc pendant la durée SD , la charge en mode 2 et/ou en mode 3 est de nouveau stoppée. Ces relances de tentatives de charge en mode 2 et/ou en mode 3 sont faites : - soit jusqu’à ce que la charge se lance sans être arrêtée, c’est-à-dire jusqu’à ce que la tension du courant de recharge finisse par être supérieure au seuil de tension SUc ; - soit jusqu’à ce que l’utilisateur retire le pistolet de recharge du véhicule ; - soit, en variante, on peut imaginer un compteur de relances de recharges, qui compte le nombre de relances de charge depuis l’insertion du pistolet de recharge dans le socle de prise ST par l’utilisateur et quand le compteur arrive à une valeur VR , la charge est arrêtée jusqu’au moment où l’utilisateur retire le pistolet de recharge du socle de prise ST (au moment où l’utilisateur retire le pistolet de recharge du socle de prise, le compteur de relance est DE préférence remis à la valeur de 0 relance). Dans les essais, nous avons calibré le logiciel du module de chargeur OBCDC avec les valeurs suivantes : - TR calibré pendant la phase de mise au point de la fonction à 5 secondes ; - VR calibré pendant la phase de mise au point de la fonction à 40 relances autorisées. Supposons que le problème d’isolation en sortie du chargeur embarqué OBC soit permanent, de sorte que les relances n’ont jamais permis une recharge de la batterie de traction. Ainsi, quand l’utilisateur revient sur le véhicule, il constatera que la charge en mode 2 ou 3 de son véhicule n’est pas complète. Il constatera que l’opération de charge est finie, et pourtant il verra que l’état de charge de sa batterie de recharge n’est pas à 100%. Donc deux solutions s’offrent à lui : - soit il débranche le pistolet et prend son véhicule pour se déplacer ; - soit il désire que l’opération de recharge continue, et donc il n’aura qu’à débrancher le pistolet de recharge et remettre le pistolet de recharge en mode 2 ou 3, pour relancer la procédure de recharge. Ainsi, le compteur de relance est réinitialisé à 0 itération de relance. Cependant si le défaut est toujours présent, la fonction verra toujours une tension du courant de recharge en dessous de SUc et donc la charge en mode 2 et/ou en mode 3 sera toujours arrêtée au bout du temps SD . La seule solution pour que les recharges en mode 2 et en mode 3 soient de nouveau effectives est que le service de contrôle trouve l’origine de la défaillance ou change le module de chargeur OBCDC (en cas de défaillance de celui-ci) pour rétablir les recharges en modes 2 et 3 du véhicule. L’invention s’applique aux véhicules 100% électriques, mais aussi aux véhicules hybrides. Par ailleurs, l’invention s’applique à tout type de véhicules (motos, camions, scooters, avions, bateaux, tracteurs, etc.). Module de chargeur (OBCDC) pour un pack batterie (PB) de véhicule automobile, le pack batterie comprenant des modules de puissance (MP) d’une batterie dans un circuit à haute tension (HV) connecté à un connecteur de prise de recharge (ST) et à une machine électrique de traction (ME), le module de chargeur (OBCDC) étant connecté au circuit à haute tension (HV) pour permettre une transmission d’un courant de recharge (I) issu du connecteur de prise de recharge (ST) vers les modules de puissance (MP) du pack batterie (PB), le module de chargeur (OBCDC) comprenant : - un chargeur embarqué (OBC) ; - une unité de contrôle de charge connectée au chargeur embarqué (OBC), - un moyen pour transmettre le courant de recharge (I) en sortie du module de chargeur (OBCDC) vers les modules de puissance (MP) ; caractérisé en ce que le module de chargeur (OBCDC) comprend en outre : - un moyen de détection de défaut d’isolation pour déterminer si le courant de recharge (I) dépasse un seuil de courant (SIc) ; et dans l’affirmative, déterminer si une tension (U) du courant de recharge (I) est inférieure à un seuil de tension (SUc) pendant une durée (D) supérieure ou égale à un seuil de durée (SD) ; et dans l’affirmative conclure à un défaut d’isolation ; - un moyen d’arrêt de recharge pour arrêter la procédure de recharge en cas de défaut d’isolation ; et - un moyen d’isolation électrique pour isoler électriquement le module de chargeur (OBCDC) du circuit à haute tension (HV) en cas de défaut d’isolation. Module de chargeur (OBCDC) selon la revendication 1, comprenant en outre des transistors à effet de champ à grille isolée dans sa connexion au circuit à haute tension (HV), caractérisé en ce que le moyen d’isolation électrique est configuré pour désactiver lesdits transistors. Module de chargeur (OBCDC) selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que - le seuil de courant (SIc) est calibré entre 2A et 6A, de préférence à 4A ; - le seuil de tension (SUc) est calibré entre 55V et 65V, de préférence à 60V ; et - le seuil de durée (SD), est calibré entre 5ms et 100ms, de préférence à 10ms. Module de chargeur (OBCDC) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il comprend un moyen pour enregistrer un code défaut en cas de défaut d’isolation. Module de chargeur (OBCDC) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen d’isolation électrique est configuré pour reconnecter le module de chargeur (OBCDC) au circuit à haute tension (HV) après un temps de rétablissement (TR) suivant la conclusion de défaut d’isolation, et le moyen d’arrêt de recharge est configuré pour rétablir ensuite la procédure de recharge. Module de chargeur (OBCDC) selon la revendication 5, caractérisé en ce qu’il comprend un compteur de relances de recharge pour compter un nombre de relances de recharge depuis la connexion du connecteur de prise de recharge (ST) à une source de recharge, le moyen d’arrêt de recharge étant configuré pour arrêter la recharge jusqu’à la déconnexion du connecteur de prise de recharge (ST) après un seuil de nombre de relances (VR). Module de chargeur (OBCDC) selon la revendication 6, caractérisé en ce que - le temps de rétablissement (TR) est calibré entre 4s et 6s, de préférence à 5s ; et - le seuil de nombre de relances (VR) est calibré entre 30 et 50, de préférence à 40. Véhicule automobile comprenant un module de chargeur (OBCDC) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7. Procédé de détection d’isolation au moyen d’un module de chargeur (OBCDC) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par les étapes suivantes : - déterminer si le courant de recharge (I) dépasse un seuil de courant (SIc), - dans l’affirmative, déterminer si une tension (U) du courant de recharge (I) est inférieure à un seuil de tension (SUc) pendant une durée (D) supérieure ou égale à un seuil de durée (SD), - dans l’affirmative conclure à un défaut d’isolation ; - arrêter la procédure de recharge en cas de défaut d’isolation ; et - isoler électriquement (2) le module de chargeur (OBCDC) du circuit à haute tension (HV) en cas de défaut d’isolation. Programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes du procédé de détection d’isolation selon la revendication 9, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur.