Brevet FR3164580A1 — publié le 20260116

L’invention concerne un circuit de conversion de tension électrique (10) dans un véhicule électrique ou hybride, pour alimenter un premier réseau de bord (LVN) 12 Volt à partir d’un deuxième réseau de bord (HVN) à haute tension, le circuit de conversion de tension comprenant une unité de conversion (5) et au moins deux sources d’alimentation redondantes pour alimenter ladite unité de conversion, les deux sources d’alimentation redondantes comprenant une première source d’alimentation et une deuxième source d’alimentation, l’unité de conversion (5) comprenant au moins une alimentation interne (41) primaire et un bloc de commutation de puissance (6), caractérisé en ce que la première source d’alimentation (1) provient du premier réseau de bord et la deuxième source d’alimentation (2) provient du deuxième réseau de bord, les première et deuxièmes sources d’alimentation étant raccordées par un circuit en OU (3) à l’alimentation interne de l’unité de conversion. Figure 2 ALIMENTATION ELECTRIQUE D’UN CONVERTISSEUR DE TENSION DANS UN VEHICULE ELECTRIQUE L’invention concerne généralement un circuit de conversion de tension électrique utilisé dans un véhicule électrique ou hybride. Dans un tel véhicule électrique ou hybride, on rencontre habituellement un premier réseau de bord, dit de basse tension, qui est utilisé pour alimenter un certain nombre d'équipements électriques. Ce premier réseau de bord a pour référence négative le châssis du véhicule, ou autrement appelé la masse du véhicule, et la tension positive de ce premier réseau de bord est habituellement située dans un intervalle de tension entre 10 volts et 15 volts. Il est habituel d’appeler ce réseau le réseau de bord 12 volts par léger abus de langage. Ce premier réseau de bord est l'héritier historique du réseau de bord généralisé dans les véhicules à moteur à combustion thermique, pour la grande majorité des véhicules produits dans la dernière partie du XXe siècle. Avec l'avènement de l'électrification de la chaîne de traction des véhicules, il est apparu la nécessité d'installer à bord un deuxième réseau de bord à une tension plus élevée. Ce réseau de bord est généralement couplé à une batterie dite batterie de traction qui peut être sollicitée pour déplacer le véhicule dans un mode de déplacement dit à zéro émission carbonée. Dans ce contexte, il est fait appel à un convertisseur de tension pour alimenter le premier réseau de bord à partir du deuxième réseau de bord. Ce convertisseur de tension est obligatoire dans les véhicules purement électriques, il en existe aussi le plus souvent dans les véhicules hybrides qui comprennent encore un moteur à combustion interne. La tension nominale de ce deuxième réseau de bord peut aller de 48 volts dans certains cas de véhicules hybrides, jusqu'à 400 volts ou même plus, pour certains véhicules purement électriques. Par ailleurs, il faut remarquer que le premier réseau de bord alimente des calculateurs impliqués dans les fonctions de sécurité passive et de sécurité active comme par exemple le calculateur ABS/ESP ou le calculateur airbag. Le premier réseau de bord alimente aussi le plus souvent la signalisation et l'éclairage extérieur du véhicule qui contribuent, entre autres fonctions, à la sécurité du véhicule. Au moins pour les raisons exposées ci-dessus, il est requis un taux de disponibilité très élevé pour la fonction de conversion de tension qui alimente le premier réseau de bord à partir du deuxième réseau de bord. Il faut également noter que le premier réseau de bord peut être couplé à une batterie auxiliaire, héritière de la batterie 12 volts des véhicules à architecture électrique antérieure. Dans les critères et exigences relative au taux de disponibilité requis pour la fonction de convertisseur de tension, nous nous intéressons ici à l'alimentation électrique nécessaire au fonctionnement du convertisseur de tension, plus précisément l'alimentation électrique de logique de commande et non pas l'alimentation électrique de puissance qui elle provient du deuxième réseau de bord. Un convertisseur de tension tel que décrit ci-dessus peut être également utilisé dans une configuration de chargeur embarqué, c'est-à-dire d'un appareillage qui permet de prendre en entrée une puissance électrique sous une certaine tension et de la délivrer en sortie sous une autre tension. Un chargeur embarqué de véhicule électrique, qui peut se connecter à diverses bornes de recharge, comporte généralement un tel convertisseur de tension. Il est connu d'utiliser d'une part la tension de batterie du premier réseau comme première alimentation du convertisseur de tension et d'utiliser d'autre part la sortie du convertisseur de tension, qui généralement est régulée à une tension voisine de 14 volts, et de réinjecter la tension de sortie du coté entrée comme seconde alimentation. Il s'avère toutefois que, dans certaines configurations de tension dégradée sur le premier réseau de bord, par exemple suite à une période de stockage longue du véhicule sans utilisation, ou à une défaillance de la batterie auxiliaire de premier réseau, le démarrage du convertisseur de tension n'est pas satisfaisant, le convertisseur peut démarrer dans un mode dégradé voir le démarrage peut même échouer. Dans le contexte exposé ci-dessus, les inventeurs ont cherché à proposer une solution pour améliorer encore le taux de disponibilité du convertisseur de tension et paré à certaines défaillances du premier réseau de bord. À cet effet, la présente invention propose un circuit de conversion de tension électrique dans un véhicule électrique ou hybride, pour alimenter un premier réseau de bord 12 Volt à partir d’un deuxième réseau de bord à haute tension, le circuit de conversion de tension comprenant une unité de conversion et au moins deux sources d’alimentation redondantes pour alimenter ladite unité de conversion, les deux sources d’alimentation redondantes comprenant une première source d’alimentation et une deuxième source d’alimentation, l’unité de conversion comprenant au moins une alimentation interne primaire et un bloc de commutation de puissance, caractérisé en ce que la première source d’alimentation provient du premier réseau de bord et la deuxième source d’alimentation provient du deuxième réseau de bord, les première et deuxièmes sources d’alimentation étant raccordées par un circuit en OU à l’alimentation interne de l’unité de conversion. Exprimé autrement, l'alimentation interne de l'unité de conversion est alimentée en parallèle par deux sources de tension totalement indépendantes électriquement. Grâce aux dispositions promues ci-dessus, même si le premier réseau de bord est dans une situation dégradée au moment où il est souhaitable de démarrer le convertisseur de tension, alors astucieusement c'est une tension qui provient du deuxième réseau de bord qui va suppléer la possible défaillance liée au premier réseau de bord, et le démarrage du convertisseur de tension va pouvoir se produire dans de bonnes conditions. Le terme premier réseau de bord désigne le réseau de bord connu habituellement sous l'appellation réseau de bord 12 volts. Il s’agit du réseau à tension nominale 12 volts, dont la tension est généralement comprise entre 11,5 Volt et 14 Volt suivant différents paramètres de fonctionnement et notamment le recours à une recharge depuis la batterie principale via le convertisseur de tension. Sous le terme « circuit en OU », il faut comprendre un circuit électrique logique correspondant à une logique OU similaire à une porte OU. Comme il sera vu plus loin, plusieurs solutions sont possibles pour réaliser un tel circuit logique en OU. Selon une réalisation, le circuit en OU comprend deux diodes. Plus précisément les cathodes de ces diodes sont reliées entre elle et couplées à l’alimentation interne du convertisseur de tension. Moyennant quoi, ce circuit est très simple, il fonctionne en mode passif, il ne nécessite pas d'être commandé. On constate simplement une légère chute de tension occasionnée par la présence du circuit en relation avec les jonctions des diodes. Le taux de défaillance d'un tel circuit est infinitésimal. Selon une réalisation alternative, le circuit en OU peut comprendre au moins une porte commandée ou plus généralement un commutateur à deux positions. Ceci permet d'introduire une logique de priorité à savoir de privilégier l'une des deux sources d'alimentation lorsque la porte n'est pas commandée et basculer sur l'autre lorsque la porte est commandée. Selon une réalisation, la première source d’alimentation fournit un tension voisine de 14 volts. Cette valeur correspond à la tension qui prévaut sur un réseau conventionnel de 12V lorsque l'alternateur entraîné par un moteur à combustion interne délivre une tension de régulation voisine de 14 volts. Cette valeur correspond aussi à la sortie du convertisseur de tension lorsque le convertisseur de tension fonctionne et délivre de la tension au premier réseau de bord. Dans le présent contexte, le terme « voisin » ou « voisine » doit être compris comme une proximité à plus ou moins 5% de la valeur nominale. Selon une réalisation, la deuxième source d’alimentation fournit un tension voisine de 14 volts. On choisit cette valeur de manière arbitraire sachant que l'alimentation à découpage peut être programmée pour délivrer une tension quelconque à partir de la tension élevée fournie par le deuxième réseau de bord. Selon une réalisation, la tension délivrée par la deuxième source d’alimentation est voisine voire identique à la première source d’alimentation. Avantageusement, que l'alimentation interne du convertisseur de tension soit alimentée par l'une ou l'autre, c'est la même tension qui va prévaloir à l'intérieur des circuits logiques de commande du convertisseur de tension. Lorsqu'on bascule de l'une à l'autre, il n'y a pas de saut de tension. Par ailleurs, il peut être prévu moyennant le circuit en OU à diodes que cela soit la tension la plus élevée des deux qui prévaut et fournit l’énergie pour faire fonctionner la logique de commande du convertisseur de tension. Selon une réalisation, l’unité de conversion comprend une ou plusieurs alimentations internes secondaires flottantes. Une alimentation interne secondaire flottante permet d'alimenter en énergie les circuits logiques de commande des transistors « high-side » qui se trouvent dans le bloc de commandes de puissance, qui doivent être en mode flottant et qui ne doivent pas pouvoir être mis en couplage même indirect avec la masse du véhicule. Selon une réalisation, le bloc de commutation de puissance comprend des commutateurs de puissance et un circuit de commande de régulation. Parmi les commutateurs de puissance, certains sont des commutateurs « high-side » qui doivent être commandés par une logique de commande flottante. Selon une réalisation, le premier réseau de bord pour référence négative un élément structurel du véhicule, alors que le deuxième réseau de bord présente des pôles positif et négatif qui sont flottants, isolés des éléments structurels du véhicule. Selon une réalisation, le deuxième réseau de bord est couplé à une batterie de traction et le premier réseau de bord est couplé à et une batterie auxiliaire. Selon une réalisation, il est prévu deux relais d’isolation de la batterie de traction, la deuxième source provenant d’une portion du deuxième réseau de bord en aval des relais d’isolation. Lorsque les relais sont ouverts, le deuxième réseau de bord n'alimente pas le convertisseur de tension et il n'y a pas donc de consommation électrique associée au circuit qui alimente les circuits logiques du convertisseur de tension à partir du deuxième réseau de bord. Toutefois, généralement, le convertisseur de tension n'est sollicité que lorsque les relais d'isolation de la batterie d'attractions sont déjà collés. On remarque aussi que les seuils de collage de ces relais sont plus bas que les seuils permettant un fonctionnement correct des circuits logiques du convertisseur de tension L'invention concerne en outre un véhicule électrique ou hybride comprenant au moins un circuit de conversion de tension tel que décrit précédemment. 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 : FIG. 1 illustre, en vue schématique, un exemple de système de réseau électrique dans un véhicule, dans lequel la présente invention est mise en œuvre ; FIG. 2 montre un exemple de schéma d’un circuit de conversion de tension électrique selon la présente invention. Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. Pour des raisons de clarté de l'exposé, certains éléments ne sont pas nécessairement représentés à l'échelle. On illustre à la FIG. 1 un système de distribution électrique dans un véhicule électrique. On entend ici par véhicule électrique un véhicule équipé d'une chaîne de traction électrique capable de déplacer le véhicule en mode zéro émission. Ainsi, dans le contexte du présent document, le terme véhicule électrique englobe les véhicules hybrides comprenant une chaîne de traction électrique et un moteur à combustion interne. Le véhicule comprend un premier réseau de bord noté LVN, dit de basse tension, qui est utilisé pour alimenter un certain nombre d'équipements électriques. Ce premier réseau de bord a pour référence négative le châssis du véhicule, ou autrement appelé la masse du véhicule (symbole GND), et la tension positive de ce premier réseau de bord est habituellement située dans un intervalle de tension entre 10 volts et 15 volts. Dans une logique assez fréquente, on retiendra une tension cible entre 13,5 volts et 14 volts pour la tension nominale du premier réseau de bord LVN. Par ailleurs, le véhicule peut comprendre une batterie 12 volts appelée ici batterie auxiliaire et repérée 8. La batterie auxiliaire 8 est couplée au réseau basse tension du véhicule LVN. Il faut remarquer qu’au sens de la présente invention, la présence de la batterie auxiliaire est optionnelle. Le premier réseau de bord LVN alimente des calculateurs impliqués dans les fonctions de sécurité passive et de sécurité active comme par exemple le calculateur airbag ou le calculateur ABS/ESP. Le premier réseau de bord alimente aussi le plus souvent la signalisation et l'éclairage extérieur du véhicule qui contribuent, entre autres fonctions, à la sécurité du véhicule. Parmi ces équipements desservis par le premier réseau de bord, on compte d’autres équipements accessoires comme le système multimédia (dont l’autoradio recevant les émissions radiodiffusées) utile aux occupants du véhicule et au conducteur lorsque le véhicule est en stationnement, les prises de recharge pour appareils nomades. Les équipements précités sont alimentés électriquement depuis le réseau basse tension 12 volts, lequel n’est alimenté que par la batterie 12 volts 8 lorsque le convertisseur de tension est inactif. La batterie 12 volts peut être sollicitée de manière très significative alors que la batterie principale (discutée plus loin) est isolée et que le convertisseur de tension est lui aussi inactif. On comprend dès lors que la tension de la batterie 12 volts peut baisser et se retrouver substantiellement en dessous de 12 volts. Par ailleurs, le véhicule comprend une batterie de traction, qualifiée de batterie principale et notée 7. Cette batterie principale est aussi appelée dans le jargon ‘pack batterie’. Cet organe est considéré connu en soi et donc non décrit en détail ici. La batterie principale comprend un calculateur de gestion batterie aussi appelé dans le jargon pratique ‘BMS’ (de l'anglais Battery Management System), qui contient un contacteur d'isolation 71, 72 sur chacune des lignes principales positive et négative. Le terme haute tension HVN couvre ici des tensions depuis 48 volts jusqu’à plus de 800 volts. Le réseau haute tension HVN alimente notamment un onduleur 91 qui commande les phases d’une machine électrique de traction 90 sous les impulsions d’un contrôleur de machine non représenté. Les conducteurs 20 du réseau haute tension HVN sont isolés, notamment isolés mécaniquement pour empêcher tout contact direct ou indirect par l’action d’un opérateur humain. En outre, Les conducteurs 20 du réseau haute tension HVN sont agencés dans un schéma électrique adéquat pour éviter tout couplage direct ou indirect avec un élément structurel du véhicule. C'est ainsi que les pôles positif et négatif du réseau haute tension HVN sont dits ‘flottants’. La batterie de traction peut avoir une capacité de stockage d'énergie électrique comprise entre 1,5 kWh pour les véhicules hybrides et plusieurs dizaines de kilowattheures pour les véhicules électriques à long rayon d'action. Dans le cadre de la présente invention, il est prévu un circuit de conversion de tension 10 pour alimenter le premier réseau de bord LVN à partir de la batterie de traction 7. De plus, dans un véhicule 100% électrique et dans un véhicule hybride rechargeable, la batterie principale peut être rechargée depuis une borne extérieure au véhicule via un équipement appelé chargeur de bord (non représenté), supposé connu en soi, et donc non décrit en détail ici. Le réseau haute tension HVN est raccordé à la batterie principale 7 et au chargeur de bord (non représenté). Le circuit de conversion de tension 10 comprenant une unité de conversion 5 et deux sources d’alimentation redondantes pour alimenter ladite unité de conversion. L’unité de conversion 5 comprend une alimentation interne 41 primaire et un bloc de commutation de puissance 6. L’unité de conversion 5 comprend une ou plusieurs alimentations internes secondaires flottantes 42. Le bloc repéré 4 à la FIG. 2 regroupe les alimentations nécessaires pour faire fonctionner la logique de commande de type signal c'est-à-dire à faible puissance, à l'opposé du bloc de commutation de puissance 6 discuté ci dessous. Le bloc de commutation de puissance 6 est un organe considéré connu en soi et donc non décrit en détail ici. Il faut retenir que le bloc de communication de puissance comprend des transistors de puissance low-side reliés au pôle négatif du réseau de bord haute tension et des et des transistors high-side reliés au pôle positif du réseau de bord haute tension. Dans un exemple de réalisation, les circuits de commande des bornes ‘gate’ des transistors sont flottants vis-à-vis de la masse du véhicule, au moins pour les transistors high-side mais ce peut être le cas aussi pour les transistors de puissance du côté low-side. Les termes high-side et low-side sont très utilisés dans le métier, ils désignent respectivement un transistor ou commutateur relié à une tension positive et un transistor ou commutateur relié à une tension négative ou de référence. Les deux sources d’alimentation redondantes sont formées par une première source d’alimentation notée 1 et une deuxième source d’alimentation notée 2. La première source d’alimentation 1 provient du premier réseau de bord LVN par la ligne repérée 81. La première source d’alimentation 1 fournit un tension voisine de 14 volts lorsque le convertisseur de tension est en fonctionnement. On remarque que la première source d'alimentation fournit généralement une tension plus basse lorsque le convertisseur de tension n'est pas encore en fonctionnement. La phase de démarrage du convertisseur de tension est alors alimentée par la deuxième source d'alimentation 2. Dans un exemple de réalisation, le bloc repéré 11 ne contient que des éléments de protection. Autrement dit, on utilise quasiment directement la tension qui prévaut sur le premier réseau de bord. La deuxième source d’alimentation 2 provient du deuxième réseau de bord, par la ligne repérée 82. La deuxième source d’alimentation fournit un tension voisine de 14 volts. Pour rappel, le terme « voisin » ou « voisine » doit être compris comme une proximité à plus ou moins 5% de la valeur nominale. Toutefois, en pratique, la tension de sortie est régulée avec une plus grande précision. Dans le bloc repéré 21 à la FIG. 2 , est représentée un exemple de schéma de principe qui permet de délivrer une tension voisine de 14 volts à partir du d'un réseau haute tension flottant. Ce genre de schéma à base d’inductance est connu en soi donc non décrit en détail ici, il fait appel à des inductances et des éléments de commutation. La ligne en trait mixte symbolise le couplage des inductances qui permet d'avoir un secondaire isolé galvaniquement du primaire. On remarque que la partie de gauche est flottante (entre HV+ et HV-) alors que la partie de droite est référencée à la masse du véhicule GND. La logique de commande est représentative du signal numérique appliqué sur la base du transistor et repéré CD2. L'électronique qui génère cette commande peut être elle aussi isolée galvaniquement de la base du transistor à commander. Les première et deuxièmes sources d’alimentation sont raccordées par un circuit en OU 3 à l’alimentation interne 41 de l’unité de conversion. Dans l'exemple illustré, le circuit en OU 3 comprend deux diodes, une première diode 31 et une deuxième diode 32. Les cathodes des deux diodes sont reliées ensemble. La chute de tension au passage de chaque diode est modérée, i.e. inférieure à 0,6 volt. La ligne en trait mixte symbolise le couplage des inductances qui permet d'avoir un ou plusieurs secondaires isolés galvaniquement du primaire. La logique de commande est représentative du signal sur la base du transistor et repéré CD4. L'électronique qui génère cette commande peut être elle aussi isolée galvaniquement de la base du transistor à commander Les alimentations internes secondaires flottantes 42 permettent de générer des tensions utilisées par les circuits de commande qui attaquent le bloc de commutation de puissance 6. Il peut s’agir par exemple de tensions de +3 volts et -3 volts, de +5 volts et -5 volts, de +12 volts et -12 volts de +15 volts et -15 volts. Le nombre d'alimentations internes secondaires, flottantes ou non, dépend du besoin d'alimentation en tension régulée pour gérer la commande en puissance. Ce nombre peut aller de 1 à 6 dans des exemples de réalisation type. On remarque que grâce au schéma proposé, même si le premier réseau de bord est dans un état très défavorable, avec une de tension inférieure à 10 volts, ou même inférieure à 9 volts, il suffit que les relais d'isolation 71,72 de la batterie de traction 7 collent pour que la tension du deuxième réseau HVN parvienne jusqu'au circuit de conversion de tension électrique 10 (via la ligne 82), et fournissent une tension d'alimentation suffisante sur l'anode de la diode 31. Alors la logique de commande de l'unité de conversion peut se mettre à fonctionner normalement. On peut ainsi récupérer d'une situation problématique sur le premier réseau de bord. On remarque que l'utilisation de la deuxième source d’alimentation à partir du réseau de bord haute tension permet d'avoir toujours la même séquence de démarrage du convertisseur de tension. Par ailleurs, l'utilisation en redondance de la première source d'alimentation à partir du premier réseau de bord couplé à la batterie auxiliaire, permet de parer à tout incident sur le réseau de bord haute tension par exemple une défaillance indésirable d'un des relais d'isolation de la batterie. Dans une telle éventualité, même si la chaîne de traction est en défaut, les fonctions de sécurité du véhicule sont maintenues en état de marche adéquat grâce au fonctionnement intact du convertisseur de tension. Circuit de conversion de tension électrique (10) dans un véhicule électrique ou hybride, pour alimenter un premier réseau de bord (LVN) 12 Volt à partir d’un deuxième réseau de bord (HVN) à haute tension, le circuit de conversion de tension comprenant une unité de conversion (5) et au moins deux sources d’alimentation redondantes pour alimenter ladite unité de conversion, les deux sources d’alimentation redondantes comprenant une première source d’alimentation et une deuxième source d’alimentation, l’unité de conversion (5) comprenant au moins une alimentation interne (41) primaire et un bloc de commutation de puissance (6), caractérisé en ce que la première source d’alimentation (1) provient du premier réseau de bord et la deuxième source d’alimentation (2) provient du deuxième réseau de bord, les première et deuxièmes sources d’alimentation étant raccordées par un circuit en OU (3) à l’alimentation interne de l’unité de conversion. Circuit de conversion de tension selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit en OU (3) comprend deux diodes. Circuit de conversion de tension selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la première source d’alimentation (1) fournit un tension voisine de 14 volts. Circuit de conversion de tension selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la deuxième source d’alimentation (2) fournit un tension voisine de 14 volts. Circuit de conversion de tension selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l’unité de conversion (5) comprend une ou plusieurs alimentations internes secondaires flottantes (42). Circuit de conversion de tension selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le bloc de commutation de puissance comprend des commutateurs de puissance (6) et un circuit de commande de régulation. Circuit de conversion de tension selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le premier réseau de bord (LVN) pour référence négative un élément structurel du véhicule, alors que le deuxième réseau de bord (HVN) présente des pôles positif et négatif qui sont flottants, isolés des éléments structurels du véhicule. Circuit de conversion de tension selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le deuxième réseau de bord est couplé à une batterie de traction (7) et le premier réseau de bord (LVN) est couplé à et une batterie auxiliaire (8). Circuit de conversion de tension selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu’il est prévu deux relais d’isolation (71,72) de la batterie de traction (7), la deuxième source provenant d’une portion du deuxième réseau de bord (HVN) en aval des relais d’isolation. Véhicule électrique ou hybride comprenant au moins un circuit de conversion de tension selon l'une des revendications 1 à 9.