Brevet FR3151941A1 — publié le 20250207

Système de protection d’une batterie d’alimentation d’une machine électrique de traction d’un véhicule automobile électrique ou hybride, comportant un dispositif de coupure pyrotechnique (10) du courant délivré par la batterie (2), et un moyen de contrôle déclenchant le dispositif de coupure pyrotechnique (10) pour un courant délivré dépassant un seuil d’intensité, ce moyen de contrôle comportant une temporisation variable avant le déclenchement de la coupure pyrotechnique (10), qui présente une diminution de la durée de temporisation en fonction d’une augmentation du courant délivré. Figure 1 PROTECTION DE BATTERIE DE VEHICULE AUTOMOBILE ELECTRIQUE OU HYBRIDE AVEC COUPURE PYROTECHNIQUE La présente invention concerne un système de protection d’une batterie de véhicule automobile électrique ou hybride, comportant un dispositif de coupure pyrotechnique du courant, ainsi qu’un véhicule automobile équipé d’un tel système de protection. Un type de circuit d’alimentation d’une machine électrique de traction d’un véhicule automobile électrique ou hybride, présenté notamment par le document DE-A1-102013017409, comporte une batterie haute tension délivrant un courant à plusieurs circuits particuliers disposés en parallèle, comprenant chacun un dispositif de sécurité installé en série afin d’interrompre son courant en cas de défaillance entraînant une intensité trop élevée qui est dangereuse. La haute tension est généralement comprise entre 400 et 800V. Un dispositif de coupure pyrotechnique, appelé « pyroswitch » en langue anglaise, installé à l’intérieur de la batterie, comporte un détonateur actionné par un courant électrique de commande délivré par le système de gestion de la batterie, appelé « battery management system » en langue anglaise, « BMS » en abrégé, pour couper une barrette de connexion directement en sortie des éléments électrochimiques délivrant la puissance électrique. Le dispositif de coupure pyrotechnique comporte une très grande réactivité permettant d’intervenir en quelques millisecondes pour ouvrir complètement le circuit intérieur de la batterie haute tension en cas de risque important. Les circuits électriques particuliers haute tension comprennent le circuit d’alimentation de la machine de traction, et généralement des circuits pour d’autres fonctions comme un système de chauffage du fluide d’échange thermique de la machine électrique et de son système de puissance, ou un système de recharge de la batterie basse tension du réseau de bord, passant par un transformateur de courant DC-DC délivrant un courant continu de 12V. Pour ce type de véhicule il est connu de disposer sur chaque circuit électrique particulier une protection adaptée permettant de l’ouvrir lors du passage d’un courant excessif de manière à isoler uniquement ce circuit qui est défaillant, et à conserver l’alimentation des autres circuits disposés en amont ou en parallèle afin de les maintenir en service. La protection peut comporter des fusibles ou des relais commandés. On peut dans certains cas garder ainsi un usage du véhicule avec les circuits en bon état restants, qui est souhaitable pour maintenir le déplacement du véhicule si la sécurité est assurée, avec un niveau de performance et de confort le meilleur possible. Le circuit électrique haute tension du véhicule peut se diviser à différentes reprises en plusieurs branches de circuits particuliers parallèles, recevant chacune une partie de l’intensité du courant, avec à chaque fois une section de passage du courant réduite adaptée à sa consommation. Dans ce cas il est connu de disposer sur chaque départ de nouvelle branche une protection comprenant un calibre réduit pour protéger cette branche. En cas d’intensité qui augmente trop dans une branche précise le calibre plus petit de sa protection propre lui permet normalement de s’ouvrir avant les protections disposées en amont qui sont prévues pour recevoir une intensité plus élevée. Cette disposition des protections réalise une sélectivité des coupures, avec un maintien de l’alimentation en courant des branches disposées en parallèle ou en amont qui restent en service. De plus la remise en état du véhicule se limite avec la réparation de la branche défaillante au remplacement uniquement de la protection de petit calibre qui lui est propre ce qui limite les coûts. Cependant on peut constater dans certains cas des défaillances des dispositifs de coupure. En particulier les relais commandés peuvent s’ouvrir avec un retard dû au fonctionnement du logiciel de contrôle, ou à des défaillances d’autres fonctions, par exemple dans un accident. Les contacts du relais peuvent aussi rester collés après une usure du revêtement qui a subi un certain nombre de manœuvres. Le dispositif de coupure pyrotechnique, disposé en amont de toutes les branches du circuit, déclenché par une détection d’un seuil d’intensité du courant délivré par la batterie qui est effectuée par le système de gestion de cette batterie, présente avec sa grande réactivité une protection ultime qui isolera la branche défaillante comme toutes les autres. On peut notamment établir un seuil d’intensité de 1000 à 1500A, dépassant toute consommation normale maximum, qui signale une défaillance grave nécessitant l’ouverture impérative du circuit électrique. Toutefois la coupure pyrotechnique commandée uniquement par la mesure de l’intensité de courant dans la batterie dépassant le seuil, qui est très réactive, peut se déclencher avant que les dispositifs de protection plus lents installés en aval aient eu le temps de réagir, alors que le système électrique du véhicule n’était pas immédiatement en danger. La réparation du dispositif de coupure pyrotechnique installé à l’intérieur de la batterie entraîne des problèmes de dépose, d’ouverture et de réparation de cette batterie qui prennent du temps, nécessitent un personnel qualifié, sont complexes à réaliser et nécessitent l’échange d’éléments avec un prix élevé. On obtient un temps d’immobilisation du véhicule long et un coût de remise en état important. La présente invention a notamment pour but d’éviter ces problèmes de l’art antérieur. Elle propose à cet effet un système de protection d’une batterie d’alimentation d’une machine électrique de traction d’un véhicule automobile électrique ou hybride, comportant un dispositif de coupure pyrotechnique du courant délivré par la batterie, et un moyen de contrôle déclenchant le dispositif de coupure pyrotechnique pour un courant délivré dépassant un seuil d’intensité, ce système étant remarquable en ce que le moyen de contrôle comporte une temporisation variable avant le déclenchement de la coupure pyrotechnique, qui présente une diminution de la durée de temporisation en fonction d’une augmentation du courant délivré. Un avantage de ce système de protection est que pour éviter un déclenchement trop rapide et peut-être inutile du dispositif pyrotechnique, il donne grâce à la temporisation un délai minimum afin de laisser aux protections en aval le temps de fonctionner, tout en gérant la sécurité du délai grâce à cette temporisation dépendant de l’intensité du courant mesuré qui peut être plus longue si le dépassement de courant est faible et plus courte si le dépassement est important avec des risques élevés. Le système de protection selon l’invention peut comporter de plus une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Avantageusement, à partir du seuil de courant le moyen de contrôle comporte un délai de temporisation présentant une diminution régulière pour atteindre le délai minimum réalisable de déclenchement, avec une valeur toujours inférieure à une courbe de besoin réel de protection. En particulier, le seuil d’intensité du courant peut être compris entre 1000 et 1500A. Avantageusement, le moyen de contrôle comporte un dispositif de mesure instantanée du courant délivré qui prend en compte cette mesure au moment précis de décider du déclenchement de la coupure pyrotechnique. Avantageusement, le moyen de contrôle comporte à l’entrée de la mesure d’intensité du courant délivré un optocoupleur délivrant un niveau d’intensité de ce courant délivré avec une basse tension de 5V. Avantageusement, le moyen de contrôle comporte un circuit analogique qui gère la durée de temporisation. Dans ce cas, avantageusement le circuit analogique comporte un premier amplificateur opérationnel créant un signal de temporisation croissant avec une vitesse dépendant de l’augmentation de l’intensité de courant délivré, qui est appliqué à un deuxième amplificateur réalisant une détection de fin de temporisation par une mesure d’un seuil de ce signal croissant calibré par des résistances. De plus, avantageusement le circuit analogique comporte un troisième amplificateur opérationnel recevant la mesure d’intensité du courant délivré, qui détecte si ce courant délivré est toujours supérieur au seuil d’intensité quand la fin de temporisation arrive. Dans ce cas, avantageusement le signal de fin de temporisation délivré par le deuxième amplificateur et le signal de détection du courant toujours supérieur au seuil délivré par le troisième amplificateur, sont délivrés à une fonction d’addition qui donne le signal final d’activation de la coupure pyrotechnique. L’invention a aussi pour objet un véhicule automobile électrique ou hybride équipé d’une machine électrique de traction et d’une batterie d’alimentation de cette machine, remarquable en ce qu’il comporte un système de protection de la batterie comprenant l’une quelconque des caractéristiques précédentes, comprenant le dispositif de coupure pyrotechnique qui est intégré dans la batterie. L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d’exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels : présente un circuit électrique de véhicule automobile comprenant une traction électrique, équipé d’un système de protection selon l’invention ; est un schéma présentant la temporisation de déclenchement en fonction de différentes intensités du courant, et est un schéma de principe d’un circuit analogique de contrôle du dispositif de coupure pyrotechnique. La présente une batterie 2 d’alimentation d’une machine électrique de traction d’un véhicule automobile, comprenant des cellules électrochimiques 4 reliées entre elles en série qui délivrent par une borne positive 20 et une borne négative 22 un courant à plusieurs circuits particuliers disposés en parallèle 8. Le pôle positif des cellules électrochimiques 4 comporte successivement en série un dispositif de coupure pyrotechnique commandé 10, un relais principal commandé 12 disposé en parallèle d’un circuit de précharge 14 comprenant une résistance et un relais de précharge en série, une résistance avec une mesure de la différence de potentiel à ses bornes formant un capteur de courant 16, puis un fusible principal 18 avant d’arriver sur la borne positive 20. Le pôle négatif des cellules électrochimiques 4 est relié par un contacteur manuel 26 à la borne négative de la batterie 22. Un système de gestion de batterie BMS 6 reçoit des informations des cellules électrochimiques 30, du capteur de courant 16 et de systèmes extérieurs de contrôle du véhicule 32, pour émettre des commandes du dispositif de coupure pyrotechnique 10, du relais principal 12 et du relais du circuit de précharge 14. En particulier lors du démarrage du véhicule à froid, le relais du circuit de précharge 14 est activé et le relais principal 12 est ouvert de manière à assurer pendant un temps court une limitation du courant dans les circuits particuliers 8 pour les protéger. Les circuits particuliers 8 alimentent chacun par un fusible secondaire d’entrée 24 une fonction électrique 26 comprenant la machine électrique, un réchauffage du fluide de régulation thermique de la motorisation ou un chargeur de la batterie du réseau de bord. Chaque fusible secondaire 24 est ajusté suivant la consommation maximum de son circuit particulier 8, de manière à détecter rapidement toute intensité anormale sur ce circuit pour le protéger. Le fusible principal 18, alimentant tous les circuits particuliers 8 disposés en aval, est calibré en fonction de la somme des intensités qu’ils peuvent consommer en même temps. En variante la batterie 2 peut comporter uniquement un dispositif de coupure pyrotechnique 10, sans le fusible principal 18, qui remplit la même fonction que ce fusible. En cas de défaillance d’un circuit particulier 8 entraînant un court-circuit et une augmentation anormale de l’intensité de son courant, de manière prévue son fusible secondaire propre 24 présentant un calibre plus petit que celui du fusible principal 18 s’ouvre en premier ce qui permet d’isoler ce circuit particulier tout en permettant l’utilisation des autres circuits qui restent alimentés. Toutefois le capteur de courant 16 peut mesurer un pic d’intensité très court avant que le fusible secondaire 24 ou le fusible principal 18 ne s’ouvre, qui est suffisant pour envoyer une alerte de sécurité transmise au système de gestion de batterie BMS 6, prévu pour être très réactif, qui peut suivant les conditions commander le dispositif de coupure pyrotechnique 10. On obtient un actionnement du dispositif de coupure pyrotechnique 10 alors que le fusible secondaire 24 du circuit particulier concerné 8 n’a pas eu le temps de s’ouvrir, et que le système électrique n’était pas immédiatement en danger. Le dispositif de coupure pyrotechnique 10 intégré dans la batterie 2 est un élément onéreux qui nécessite la dépose et l’ouverture de cette batterie pour le changer, ce qui entraîne des coûts de réparation importants du véhicule. Pour éviter cela le système de gestion de batterie 6 comporte un contrôle du dispositif de coupure pyrotechnique 10 comprenant une temporisation avant le déclenchement de cette coupure qui dépend de l’intensité du courant mesuré par le capteur de courant 16. En cas de mesure d’une intensité dépassant un seuil de sécurité on active une temporisation afin de laisser le temps au fusible secondaire concerné 24 de s’ouvrir, qui est de plus en plus courte en fonction de l’ampleur de ce dépassement pour assurer la sécurité. La temporisation est prévue pour permettre dans ce délai un pic passager de courant qui reste suffisamment court pour ne pas endommager la batterie 2, dans l’attente de l’ouverture du circuit particulier défaillant 8. En cas de prolongement du pic de courant au-delà du délai de temporisation, la coupure pyrotechnique 10 est activée ce qui assure la sécurité. La est un schéma présentant en fonction de l’intensité du courant I en ampères, présentée sur l’axe horizontal, des délais de temps T avant l’ouverture de différents systèmes de sécurité. Pour les dispositifs de coupure selon l’art antérieur, la courbe de coupure pyrotechnique selon l’art antérieur 40, avec une droite verticale calibrée pour un courant de seuil I1 de 1000A, montre au-dessus de ce seuil un déclenchement systématique de la coupure pyrotechnique 10 qui s’accomplit avec un délai minimum très court de réaction T1. Quatre courbes de fusibles secondaires 24 comportent successivement pour la première 42, la deuxième 44, la troisième 46 et la quatrième courbe 48 des niveaux d’intensité de plus en plus élevés correspondant à la protection nécessaire de leurs circuits particuliers 8. Dans tous les cas la courbe de coupure selon l’art antérieur 40 montre à partir du seuil I1 de courant de 1000A une courbe passant en dessous de celles des fusibles secondaires 42, 44, 46, 48, ce qui donne au-dessus de ce seuil l’actionnement systématique de cette coupure pyrotechnique avant celle du fusible concerné. La courbe 50 présente un besoin minimum réel de protection, comprenant à partir du seuil de 1000A une temporisation T qui est décroissante en fonction de l’augmentation de l’intensité I. La courbe de temporisation de coupure selon l’invention 52 présente la temporisation avant le déclenchement du système de protection, comprenant pour le courant de seuil I1 de 1000A une temporisation T2 légèrement inférieure à la courbe de besoin réel de protection 50, qui ensuite décroît suivant l’augmentation de cette intensité, pour atteindre à une intensité maximum Imax la rapidité de déclenchement la plus grande correspondant au délai minimum de réaction T1 de la coupure pyrotechnique 10. Dans tous les cas la courbe de temporisation selon l’invention 52 reste en-dessous de la courbe de besoin réel 50 pour assurer la sécurité. On note que pour les trois premières courbes de fusible secondaire 42, 44, 46 leur temps de réaction de coupure T en fonction de l’intensité du courant I passe en dessous de la courbe de temporisation selon l’invention 52, ce qui leur donne le temps de s’ouvrir avant le déclenchement de la coupure pyrotechnique 10 qui n’est pas activée. A partir du seuil de courant I1 la quatrième courbe de fusible secondaire 48 passe au-dessus de la courbe de temporisation selon l’invention 52, ce qui déclenche dans ce cas seulement la coupure pyrotechnique 10 avant que ce fusible ne s’ouvre. On note que la coupure pyrotechnique 10 n’est pas activée dans le plus grand nombre de cas. La présente un schéma d’un circuit analogique de commande du dispositif de coupure pyrotechnique 10, comprenant en entrée une information de l’intensité du courant 60 délivré par la batterie 2, donnée par le capteur de courant 16, qui est transmise à un optocoupleur 62 transformant la haute tension de cette information d’entrée en un signal basse tension limité à 5V. Le signal délivré par l’optocoupleur 62 est appliqué par l’intermédiaire d’une première résistance 64 à un premier amplificateur opérationnel 66, comprenant entre son entrée et sa sortie une deuxième résistance 68 disposée en parallèle d’une capacité 80 afin de réaliser par le chargement progressif de cette capacité un intégrateur. L’intégrateur crée un signal de temporisation variable dépendant de la tension du signal d’entrée représentant l’intensité de courant 60. Le signal délivré par le premier amplificateur 66 est appliqué à une entrée négative d’un deuxième amplificateur opérationnel 82, l’autre entrée positive étant reliée à la masse par une troisième résistance 84. L’entrée positive est aussi reliée par une quatrième résistance 86 à la sortie du deuxième amplificateur opérationnel 82. Le deuxième amplificateur 82 réalise à partir du signal croissant du premier amplificateur 66 une détection de fin de temporisation quand ce signal est assez élevé suivant un niveau calibré par la troisième résistance 84 et la quatrième résistance 86, qui donne un signal bas OFF quand le délai n’est pas expiré et un signal haut ON quand il est expiré. Le signal délivré par l’optocoupleur 62 est aussi appliqué en parallèle à un troisième amplificateur opérationnel 88, comprenant comme pour le deuxième amplificateur 82 deux résistances 90, 92, qui détecte si le courant de batterie 60 est toujours supérieur au seuil d’intensité quand la fin de temporisation arrive. Le deuxième amplificateur 82 et le troisième amplificateur 88 délivrent tous les deux leur signal à une fonction d’addition AND 94, qui fait la somme des deux représentant à la fois la temporisation terminée et le courant de batterie 60 dépassant toujours le seuil, pour donner le signal final 96 d’activation de la coupure pyrotechnique 10. La fonction d’addition 94 permet d’éviter l’activation de la coupure pyrotechnique 10 dans le cas ou à la fin de la temporisation, au moment précis de la décision, un autre système de protection du circuit électrique entraînant la chute du courant aurait déjà fonctionné. Le circuit analogique du système de protection permet d’obtenir une commande très réactive, qui n’est pas soumise à des ralentissements ou des risques de fonctionnement de logiciels Le système de protection selon l’invention assure ainsi une optimisation du fonctionnement du dispositif de coupure pyrotechnique 10, en réduisant son occurrence de déclenchement sans pour autant augmenter les risques dus à une défaillance électrique dans le véhicule. Le seuil de détection peut en particulier être compris entre 1000 et 1500A, ce qui couvre largement les besoins des véhicules électriques ou hybrides. Système de protection d’une batterie d’alimentation d’une machine électrique de traction d’un véhicule automobile électrique ou hybride, comportant un dispositif de coupure pyrotechnique (10) du courant délivré par la batterie (2), et un moyen de contrôle déclenchant le dispositif de coupure pyrotechnique (10) pour un courant délivré dépassant un seuil d’intensité (I1), caractérisé en ce que le moyen de contrôle comporte une temporisation variable avant le déclenchement de la coupure pyrotechnique (10), qui présente une diminution de la durée de temporisation en fonction d’une augmentation du courant délivré. Système de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’à partir du seuil de courant (I1) le moyen de contrôle comporte un délai de temporisation présentant une diminution régulière pour atteindre le délai minimum réalisable de déclenchement (T1), avec une valeur toujours inférieure à une courbe de besoin réel de protection (50). Système de protection selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le seuil d’intensité du courant (I1) est compris entre 1000 et 1500A. Système de protection selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de contrôle comporte un dispositif de mesure instantanée du courant délivré au-dessus du seuil d’intensité (I1) qui prend en compte cette mesure au moment précis de décider du déclenchement de la coupure pyrotechnique (10). Système de protection selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de contrôle comporte à l’entrée de la mesure d’intensité du courant délivré (60) un optocoupleur (62) délivrant un niveau d’intensité de ce courant délivré (60) avec une basse tension de 5V. Système de protection selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de contrôle comporte un circuit analogique qui gère la durée de temporisation. Système de protection selon la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit analogique comporte un premier amplificateur opérationnel (66) créant un signal de temporisation croissant avec une vitesse dépendant de l’augmentation de l’intensité de courant délivré (60), qui est appliqué à un deuxième amplificateur (82) réalisant une détection de fin de temporisation par une mesure d’un seuil de ce signal croissant calibré par des résistances (84, 86). Système de protection selon la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit analogique comporte un troisième amplificateur opérationnel (88) recevant la mesure d’intensité du courant délivré (60), qui détecte si ce courant délivré est toujours supérieur au seuil d’intensité (I1) quand la fin de temporisation arrive. Système de protection selon la revendication 8, caractérisée en ce que le signal de fin de temporisation délivré par le deuxième amplificateur (82) et le signal de détection du courant toujours supérieur au seuil délivré par le troisième amplificateur (88), sont délivrés à une fonction d’addition (94) qui donne le signal final (96) d’activation de la coupure pyrotechnique (10). Véhicule automobile électrique ou hybride équipé d’une machine électrique de traction et d’une batterie (2) d’alimentation de cette machine, caractérisé en ce qu’il comporte un système de protection de la batterie (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant le dispositif de coupure pyrotechnique (10) qui est intégré dans la batterie (2).