Brevet FR3147911A1 — publié le 20241018

Titre : Module de contrôle d’un convertisseur de tension L’invention a pour objet un module de contrôle (1) d’un convertisseur de tension (2), le convertisseur de tension (2) étant destiné à connecter une machine électrique tournante (3) à une source de tension continue (4), notamment à un premier réseau électrique de bord, notamment de 48V, le module de contrôle (1) comprenant : • un module de mesure de la tension de la source de tension continue (4), • un module de comparaison de la tension mesurée par le module de mesure à un seuil de sécurité, le module de comparaison étant configuré pour envoyer un signal de surtension si la tension mesurée est supérieure à la tension de sécurité. • une unité de commande configurée pour recevoir le signal de surtension et générer un signal d’auto-démarrage en cas de surtension détectée par le module de comparaison, • un microcontrôleur configuré pour redémarrer le convertisseur de tension (2) et contrôler la tension aux bornes des condensateurs (27) de sorte à éviter une surtension aux bornes des condensateurs (27). Figure pour l’abrégé : Fig. 2 MODULE DE CONTRÔLE D’UN CONVERTISSEUR DE TENSION La présente invention est relative aux systèmes électriques comprenant une machines électriques tournante pour véhicule automobile pilotée par un convertisseur de tension. Elle concerne plus précisément un système de commande d’un convertisseur de tension et un système électrique comprenant une machine électrique tournante et un tel système de commande. Il est connu des convertisseurs de tension comprenant un système de commande et une pluralité de bras de commutation montés en parallèle, chaque bras comprenant un interrupteur de côté haut et un interrupteur de côté bas connectés l’un à l’autre en un point milieu, chaque point milieu étant destiné à être connecté à au moins une phase d’une machine électrique tournante. Les interrupteurs permettent d’alimenter des phases d’un stator, soit dans un mode moteur à partir d’une batterie alimentant électriquement un réseau de bord du véhicule, soit dans un mode alternateur pour alimenter le réseau de bord et recharger une batterie du véhicule. Dans le cas d’une machine électronique comprenant trois phases au stator, le convertisseur de tension comprend trois interrupteurs côtés bas reliés chacun à une des trois phases et à la masse et trois interrupteurs côté haut reliés chacun à une des trois phases et à une borne positive correspondant au réseau de bord du véhicule automobile. Suite à une défaillance d’un équipement électrique du véhicule automobile relié au réseau de bord, il peut se produire une surtension sur le réseau de bord, c’est-à-dire l’apparition d’une tension sur le réseau de bord très supérieure à la tension nominale de ce réseau. Par exemple une telle surtension peut se produite dans le cas d’un défaut de fonctionnement d’un interrupteur du convertisseur de tension qui reste à l’état ouvert ou qui reste à l’état fermé alors que le système de commande le commande respectivement à l’état fermé ou à l’état ouvert. Une telle surtension peut endommager ou réduire la fiabilité non seulement de la machine électrique tournante ou du convertisseur de tension et de son système de commande mais aussi d’éventuelles appareils électriques connectés sur le réseau de bord. Pour limiter ou arrêter la surtension, il est connu que le système de commande de la machine électrique comprenne des dispositifs de détection associés à chacun des interrupteurs. Un tel dispositif de détection permet de détecter et d’identifier un défaut de l’interrupteur auquel il est associé et de commander la fermeture et l’ouverture des autres interrupteurs en fonction du défaut identifié pour limiter ou arrêter la surtension. Cependant, cette méthode nécessite de disposer d’un moyen de commande pour chacun des interrupteurs individuellement, ce qui est relativement couteux. Il est aussi connu par FR3091052 un système de commande d’un convertisseur de tension comprenant un module de commande pour générer une commande de fermeture d’un groupe d’interrupteurs en cas de surtension, ce qui ne nécessite pas de contrôle individuel des interrupteurs. On court-circuite alors activement la machine tournante. Dans le cas d’un court-circuit actif, les condensateurs associés à la machine tournante se trouvent alors chargés à un voltage proche de la valeur maximale admissible par le système, et il est alors nécessaire de réduire la tension aux bornes de ces condensateurs. Dans le cas où le microcontrôleur est allumé, ce dernier peut réactiver un signal PWM (Pulse-Width Modulation, ou modulation de largeur d'impulsion) pour diminuer cette tension. Mais dans le cas où le microcontrôleur n’est pas alimenté, la diminution de la tension n’est pas contrôlée. L’invention a pour but de pallier au moins en partie à ces inconvénients. A cet effet, l’invention concerne un module de commande d’un convertisseur de tension, le convertisseur de tension étant destiné à connecter une machine électrique tournante à une source de tension continue, notamment à un premier réseau électrique de bord, notamment de 48V, le module de contrôle comprenant : Un module de mesure de la tension de la source de tension continue, un module de comparaison de la tension mesurée par le module de mesure à un seuil de sécurité, le module de comparaison étant configuré pour envoyer un signal de surtension si la tension mesurée est supérieure à la tension de sécurité, une unité de commande configurée pour recevoir le signal de surtension et générer un signal d’auto-démarrage en cas de surtension détectée par le module de comparaison, un microcontrôleur configuré pour redémarrer le convertisseur de tension et contrôler la tension aux bornes des condensateurs de sorte à éviter une surtension aux bornes des condensateurs. Ainsi, le module de commande selon l’invention permet de réalimenter le microcontrôleur en cas de surtension, et d’utiliser ce microcontrôleur pour contrôler la diminution de la tension. Selon un aspect de l’invention, la tension mesurée par le module de mesure est la tension entre deux bornes du convertisseur de tension destinées à être connectées à la source de tension continue. Selon un aspect de l’invention, le microcontrôleur est alimenté par un second réseau électrique de bord, notamment un réseau 12V du véhicule, à travers une barrière isolante. Selon un aspect de l’invention, le module de contrôle comprend un transmetteur de signal, notamment un optocoupleur, configuré pour transmettre le signal d’auto-démarrage à travers la barrière isolante à un Convertisseur Analogique/Numérique. Selon un aspect de l’invention, le convertisseur Analogique/Numérique est configuré pour recevoir un signal d’auto-démarrage du transmetteur de signal, notamment de l’optocoupleur, et pour transmettre un signal de réveil à un contrôleur de l’alimentation. Selon un aspect de l’invention, le contrôleur de l’alimentation est configuré pour recevoir un signal de réveil d’un convertisseur analogique/numérique ou un signal de démarrage externe, notamment issu d’un module de contrôle du véhicule, et pour transmettre un signal de pilotage à un transformateur isolé. Selon un aspect de l’invention, le transformateur isolé est configuré pour recevoir le signal de pilotage du contrôleur de l’alimentation, et pour alimenter le microcontrôleur par le second réseau électrique de bord via un signal d’alimentation du microcontrôleur. Selon un aspect de l’invention, le microcontrôleur est alimenté par le second réseau électrique de bord via un signal d’alimentation du microcontrôleur et transmet à un module logique des signaux PWM. Selon un aspect de l’invention, le microcontrôleur transmet à un module logique des signaux PWM permettant de contrôler les interrupteurs du convertisseur de tension par le biais d’un contrôleur, ce contrôle d’interrupteur permettant de diminuer la tension aux bornes des condensateurs et d’éviter une surtension. Selon un aspect de l’invention, le convertisseur de tension comprend une pluralité de bras de commutation montés en parallèle, chaque bras comprenant un interrupteur de côté haut et un interrupteur de côté bas connectés l’un à l’autre en un point milieu destiné à être connecté à ladite machine électrique tournante, les interrupteurs de côté haut formant un groupe haut et les interrupteurs de côtés bas formant un groupe bas, le convertisseur de tension comportant en outre un module de contrôle. L’invention concerne également un système électrique comprenant : une première et une deuxième bornes d’alimentation destinée à être reliées à une source de tension continue, notamment à une batterie d’un véhicule automobile, des condensateurs destinés à être connectés aux bornes d’alimentation, une machine électrique tournante comprenant un stator ayant au moins trois phases, un convertisseur de tension pour alimenter la machine électrique tournante à partie de ladite source de tension continue, le convertisseur de tension comprenant : une pluralité de bras de commutation montés en parallèle, chaque bras comprenant un interrupteur de côté haut et un interrupteur de côté bas connectés l’un à l’autre en un point milieu, chaque point milieu étant connecté à au moins une phase de ladite machine électrique tournante, et un module de contrôle 1 configuré pour contrôler les interrupteurs du convertisseur de tension. L’invention concerne par ailleurs une méthode de contrôle d’un convertisseur de tension comprenant : Une étape de mesure de la tension de la source de tension continue, Une étape de comparaison par le module de comparaison de la tension mesurée à un seuil de sécurité, Une étape de génération par l’unité de commande du module de contrôle du signal d’auto-démarrage en cas de surtension, Une étape de redémarrage par le microcontrôleur du convertisseur de tension permettant d’éviter la surtension des condensateurs. Liste des figures : D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - La représente un schéma de principe d’un système électrique comprenant une unité de commande comprenant un système de commande selon un exemple de mode de réalisation - La représente un schéma de principe d’une unité de commande comprenant un système de commande selon un exemple de mode de réalisation. Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l’ensemble des figures. La représente un schéma de principe d’un système électrique 26 comprenant une première borne d’alimentation B+ et une deuxième borne d’alimentation B- reliées à une source d’alimentation continue 4 en l’occurrence dans cet exemple une source d’alimentation continue 48V, par exemple une batterie d’un véhicule automobile permettant d’alimenter d’autres équipements électriques non représentés du véhicule par le biais d’un réseau de bord. Des condensateurs 27 sont connectés aux bornes d’alimentation B+, B- de la source de tension continue 4. Le système électrique 26 comprend également une machine électrique tournante 3 comprenant un stator ayant au moins trois phases et trois bobines 25a, 25b, 25c bobinées dans le stator. Le système électrique 26 comprend en outre un convertisseur de tension 2 pour alimenter la machine électrique tournante 3 à partie de ladite source de tension continue 4. Le convertisseur de tension 2 comprend une pluralité de bras de commutation 5a, 5b, 5c montés en parallèle entre les bornes B+,B- de la source d’alimentation continue 4. Le convertisseur de tension comprend autant de bras que la machine électrique tournante 3 possède de phases. En l’occurrence, dans l’exemple décrit ici, le convertisseur de tension comprend trois bras de commutation 5a, 5b, 5c. Chaque bras 5a, 5b, 5c comprend un interrupteur de côté haut 6a, 6b, 6c et un interrupteur de côté bas 7a, 7b, 7c, permettant d’alimenter les phases du stator soit dans un mode moteur à partir d’une batterie alimentant électriquement un réseau de bord du véhicule, soit dans un mode alternateur pour alimenter le réseau de bord et recharger une batterie du véhicule. Chaque interrupteur côté haut et côté bas d’un bras sont connectés l’un à l’autre en un point milieu 27a, 27b, 27c. Chaque point milieu 27a, 27b, 27c des bras de commutation 5a, 5b, 5c est connecté à au moins une phase de ladite machine électrique tournante 3. Suite à une défaillance d’un équipement électrique du véhicule automobile relié au réseau de bord, il peut se produire une surtension sur le réseau de bord, c’est-à-dire l’apparition d’une tension sur le réseau de bord très supérieure à la tension nominale de ce réseau. Par exemple une telle surtension peut se produite dans le cas d’un défaut de fonctionnement d’un interrupteur 6a,6b,6c,7a,7b,7c du convertisseur de tension 2 qui reste à l’état ouvert ou qui reste à l’état fermé alors que le module de contrôle 1 (non représenté sur la ) le commande respectivement à l’état fermé ou à l’état ouvert. Le convertisseur de tension 2 comprend en outre un module de contrôle 1 des interrupteurs de côté haut 6a, 6b, 6c et de côté bas 7a, 7b, 7c. Ce module de contrôle comprend donc pour chaque interrupteur une sortie reliée à la commande de l’interrupteur correspondant. Pour ne pas surcharger la , uniquement la liaison entre une sortie du module de contrôle 1 et la commande du troisième interrupteur de côté bas 7c et une autre sortie du module de contrôle et la commande du deuxième interrupteur de côté haut 6b ont été représentées. La représente un schéma de principe du module de contrôle 1 du convertisseur de tension 2. Le module de contrôle 1 comprend comprenant un module de mesure 9 de la tension de la source de tension continue 4. Dans l’exemple décrit ici, le module de mesure 9 mesure une tension V aux bornes B+ et B-. En d’autres termes, dans l’exemple décrit ici, le module de mesure de tension 9 mesure la tension de la source de tension continue 4 ayant une tension nominale de 48 Volts. Le module de contrôle 1 comprend en outre un module de comparaison 10 agencé pour recevoir du module de mesure 9 la tension mesurée V. Le module de comparaison 10 compare la tension V mesurée à un seuil de sécurité U. Le seuil de sécurité U est par exemple stocké dans une mémoire permanente du module de comparaison 10. Dans l’exemple décrit ici, le seuil de sécurité U est compris entre 1.10 et 1.25 fois la tension nominale, par exemple 1.2 fois la tension nominale de la source de tension continue correspondant par exemple à celle du réseau de bord du véhicule. En l’occurrence, dans cet exemple, le seuil de sécurité U est de 56 volts soit environ 1,17 fois la tension nominale de la source de tension continue de 48 volts. Le module de contrôle 1 comprend en outre une unité de commande 8. Dans l’exemple décrit ici, l’unité de commande 8 est réalisée à partir de portes logiques. En variante, l’unité de commande 8 peut être un microcontrôleur. Le module de comparaison 10 est agencé pour transmettre à l’unité de commande 8 un signal de surtension b lorsque la tension mesurée V est supérieure au seuil de sécurité U. L’unité de commande 8 est configurée pour recevoir le signal de surtension c généré par le module de comparaison 10 et pour générer un signal d’auto-démarrage c en cas de surtension. Le module de contrôle comprend également un microcontrôleur 18. Ce microcontrôleur est alimenté par un second réseau électrique de bord e’, ici le réseau 12V du véhicule, à travers une barrière isolante 13. Le rôle du microcontrôleur 18, est de commander le convertisseur de tension 2. Le microcontrôleur peut ainsi, en cas de surtension, réactiver un signal PWM (Pulse-Width Modulation, ou modulation de largeur d'impulsion) pour diminuer cette tension. Cependant, le microcontrôleur peut ne pas être alimenté en permanence. Ainsi, en cas de détection d’une surtension, il est essentiel de réalimenter le microcontrôleur par le signal d’alimentation e’ pour redémarrer le convertisseur de tension 2 et contrôler la tension aux bornes des condensateurs 27. Le module de contrôle 1 comprend ainsi un transmetteur de signal, ici un optocoupleur. Celui-ci est arrangé pour transmettre le signal d’auto-démarrage b à travers la barrière isolante 3 à un Convertisseur Analogique/Numérique 15. Le convertisseur Analogique/Numérique 15 du module de contrôle 1 est arrangé pour recevoir un signal d’auto-démarrage c de l’unité de commande 8 via un transmetteur de signal, notamment l’optocoupleur 14, et pour transmettre un signal de réveil d à un contrôleur de l’alimentation 16. Le contrôleur de l’alimentation 16 du module de contrôle 1 est arrangé pour recevoir un signal de réveil d du convertisseur Analogique/Numérique 15 ou un signal de démarrage externe f, notamment issu d’un module de contrôle du véhicule, et pour transmettre un signal de pilotage d’un transformateur isolé 17. Le transformateur isolé 17 du module de contrôle 1 est arrangé pour recevoir le signal de pilotage du contrôleur de l’alimentation 16, et pour alimenter le microcontrôleur 18 par le second réseau électrique de bord e via un signal d’alimentation du microcontrôleur e’. Ainsi, l’alimentation du microcontrôleur 18 par le signal d’alimentation e’ peut être obtenue : en fonctionnement normal par un signal de démarrage externe f, notamment issu d’un module de contrôle du véhicule; en cas de surtension grâce à la génération d’un signal d’auto-démarrage c puis d’un signal de réveil d. Le microcontrôleur 18 du module de contrôle 1 est ainsi alimenté par le second réseau électrique de bord e via un signal d’alimentation du microcontrôleur e’. Il est arrangé pour recevoir le signal d’auto-démarrage c de l’unité de commande 8 et pour transmettre à un module logique 19 des signaux PWM g1, g2. Les signaux PWM g1, g2 transmis par le microcontrôleur 18 au module logique 19 permettent de contrôler les interrupteurs 6a, 6b, 6c, 7a, 7b, 7c par le biais d’un contrôleur 20, ce contrôle d’interrupteur permettant de diminuer la tension aux bornes des condensateurs 27 et d’éviter une surtension. Le contrôleur 20 contrôle les interrupteurs 6a, 6b, 6c, 7a, 7b, 7c par la transmission de signaux de commande h1, h2, h3, h4, h5, h6. Ainsi, la régulation d’une surtension aux bornes des condensateurs 27 est obtenue par une méthode de contrôle du convertisseur de tension 2 comprenant : Une étape de mesure de la tension de la source de tension continue 4 par un module de mesure 9, Une étape de comparaison par le module de comparaison 10 de la tension V mesurée par le module de mesure 9 au seuil de sécurité U, Une étape de génération par l’unité de commande 8 d’un signal d’auto-démarrage c en cas de surtension, Une étape de redémarrage par le microcontrôleur 18 du convertisseur de tension 2 permettant d’éviter la surtension des condensateurs. Module de contrôle (1) d’un convertisseur de tension (2), le convertisseur de tension (2) étant destiné à connecter une machine électrique tournante (3) à une source de tension continue (4), notamment à un premier réseau électrique de bord, notamment de 48V, le module de contrôle (1) comprenant : un module de mesure (9) de la tension de la source de tension continue (4), un module de comparaison (10) de la tension mesurée (V) par le module de mesure (9) à un seuil de sécurité (U), le module de comparaison étant configuré pour envoyer un signal de surtension (b) si la tension mesurée (V) est supérieure à la tension de sécurité (U). une unité de commande (8) configurée pour recevoir le signal de surtension (b) et générer un signal d’auto-démarrage (c) en cas de surtension détectée par le module de comparaison (10), un microcontrôleur (18) configuré pour redémarrer le convertisseur de tension (2) et contrôler la tension aux bornes des condensateurs (27) de sorte à éviter une surtension aux bornes des condensateurs (27) Module de contrôle selon la revendication 1, dans lequel la tension mesurée (V) par le module de mesure (9) est la tension entre deux bornes (B+, B-) du convertisseur de tension (2) destinées à être connectées à la source de tension continue (4). Module de contrôle selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel le microcontrôleur (18) est alimenté par un second réseau électrique de bord (e), notamment un réseau 12V du véhicule, à travers une barrière isolante (13), via un signal d’alimentation du microcontrôleur (e’). Module de contrôle selon la revendication 3, dans lequel le module de contrôle comprend un transmetteur de signal, notamment un optocoupleur (14), configuré pour transmettre un signal d’auto-démarrage (c) à travers la barrière isolante (3) à un Convertisseur Analogique/Numérique (15). Module de contrôle selon la revendication 4, dans lequel le convertisseur Analogique/Numérique est configuré pour recevoir le signal d’auto-démarrage (c) de l’unité de commande (8) via le transmetteur de signal (14), et pour transmettre un signal de réveil (d) à un contrôleur de l’alimentation (16). Module de contrôle selon la revendication 5, dans lequel le contrôleur de l’alimentation (16) est configuré pour recevoir le signal de réveil (d) du convertisseur analogique/numérique ou un signal de démarrage externe (f), notamment issu d’un module de contrôle du véhicule, et pour transmettre un signal de pilotage (d’) à un transformateur isolé (17). Module de contrôle selon la revendication 6, dans lequel le transformateur isolé (17) est configuré pour recevoir le signal de pilotage (d’) du contrôleur de l’alimentation (16), et pour alimenter le microcontrôleur (18) par le second réseau électrique de bord (e) via le signal d’alimentation du microcontrôleur (e’). Module de contrôle (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le microcontrôleur (18) est configuré pour recevoir le signal d’auto-démarrage (c) de l’unité de commande (8) et transmettre des signaux PWM (g1, g2) à un module logique (19). Module de contrôle (1) selon la revendication 8, dans lequel le microcontrôleur (18) transmet au module logique (19) les signaux PWM (g1, g2) permettant de contrôler des interrupteurs (6a, 6b, 6c, 7a, 7b, 7c) du convertisseur de tension (2) par le biais d’un contrôleur (20), ce contrôle d’interrupteurs permettant de diminuer la tension aux bornes des condensateurs (27) et d’éviter une surtension. Convertisseur de tension (2) comprenant une pluralité de bras (5a, 5b, 5c) de commutation montés en parallèle, chaque bras comprenant un interrupteur de côté haut (6a, 6b, 6c) et un interrupteur de côté bas (7a, 7b, 7c) connectés l’un à l’autre en un point milieu (27a, 27b, 27c) destiné à être connecté à ladite machine électrique tournante, les interrupteurs de côté haut formant un groupe haut (6) et les interrupteurs de côtés bas formant un groupe bas (7), le convertisseur de tension comportant en outre un module de contrôle selon l’une des revendications précédentes, configuré pour contrôler les interrupteurs du convertisseur de tension. Système électrique (26) comprenant : une première et une deuxième bornes d’alimentation (B+, B-) destinée à être reliées à une source de tension continue (4), notamment à une batterie d’un véhicule automobile, des condensateurs (27) destinés à être connectés aux bornes d’alimentation (B+, B-), une machine électrique tournante (3) comprenant un stator ayant au moins trois phases (25a, 25b, 25c), un convertisseur de tension (2) pour alimenter la machine électrique tournante (3) à partie de ladite source de tension continue (4), le convertisseur de tension (2) comprenant : une pluralité de bras de commutation (5a, 5b, 5c) montés en parallèle, chaque bras comprenant un interrupteur de côté haut (6a, 6b, 6c) et un interrupteur de côté bas (7a, 7b, 7c) connectés l’un à l’autre en un point milieu (27a, 27b, 27c), chaque point milieu étant connecté à au moins une phase (25a, 25b, 25c) de ladite machine électrique tournante (3), et un module de contrôle (1) selon l’une des revendications 1 à 9. Méthode de contrôle d’un convertisseur de tension (2) selon la revendication 10, comprenant : Une étape de mesure de la tension de la source de tension continue (4), Une étape de comparaison par le module de comparaison (10) du module de contrôle (1) de la tension mesurée (V) à un seuil de sécurité (U), Une étape de génération par l’unité de commande (8) du module de contrôle (1) du signal d’auto-démarrage en cas de surtension, Une étape de redémarrage par le microcontrôleur (18) du convertisseur de tension (2) permettant d’éviter la surtension des condensateurs (27).