Brevet FR3159863A1 — publié le 20250905

L’invention concerne un système électrique (10) comprenant une batterie électrique présentant une borne positive (11) et une borne négative (12), une première ligne positive (L1), une deuxième ligne négative (L2), un premier contracteur (S1) interposé entre la borne positive et la première ligne (L1), un deuxième contracteur (S2) interposé entre la borne négative et la deuxième ligne, une capacité réservoir (CR) interposée entre la première ligne et la deuxième ligne, le système comprenant un circuit de précharge, connecté d'une part à la première ligne et d'autre part à la borne positive, le circuit de précharge comprenant en série une inductance (LPC) et un transistor de commande (T1) configuré pour être commandé par une unité de commande (4), le transistor de commande étant commandé, après avoir fermé le deuxième contacteur et avant de fermer le premier contacteur, selon une commande cyclée de pompage pour charger la capacité réservoir. Figure 1 SYSTEME ELECTRIQUE POUR PRECHARGER UNE CAPACITE AGENCEE ENTRE DES LIGNES POSITIVE ET NEGATIVE CONNECTABLES A UNE BATTERIE L’invention concerne un système électrique pour précharger une capacité agencée entre des lignes, positive et négative, connectables à une batterie. Dans un véhicule électrique, il est prévu une batterie électrique présentant une borne positive et une borne négative. Les bornes de la batterie sont destinées à être raccordées respectivement à une première ligne positive et à une deuxième ligne négative, formant une tête de réseau, par exemple haute tension, dans le contexte de la présente invention. Le raccordement n'est pas permanent, la batterie peut être isolée électriquement des première et deuxième lignes, notamment pour des phases de non-utilisation. A cet effet il est prévu un premier contracteur interposé entre la borne positive et la première ligne, et un deuxième contracteur interposé entre la borne négative et la deuxième ligne. Il est aussi prévu une capacité réservoir interposée entre la première ligne et la deuxième ligne. Cette capacité fait office de filtre pour atténuer les appels de courant qui peuvent intervenir dans les consommateurs électriques branchés sur le réseau aval entre la première ligne et la deuxième ligne. Lorsque l'on souhaite fermer le premier contacteur et le deuxième contacteur pour alimenter les première et deuxième lignes, la mise en charge de cette capacité réservoir génère, sans autre précaution ou dispositif spécifique, un pic de courant appelé sur les bornes de la batterie. Ce pic de courant doit être évité pour maximiser la durée de vie de la batterie et éviter une détérioration des zones de contact électrique des premier et deuxième contacteurs par arc électrique. Pour minimiser ce pic de courant, il a été proposé de disposer, en parallèle du premier contacteur, un circuit résistif à activation sélective, qui est activé après la fermeture du deuxième contracteur et avant la fermeture du premier contracteur. Ainsi, en différant la fermeture du contacteur sur la ligne positive, on laisse le temps à la capacité réservoir de se charger à courant limité, avant d’établir l’alimentation de puissance via les deux contacteurs fermés. Toutefois, le temps de charge de la capacité réservoir doit rester raisonnable, tout au plus quelques centaines de millisecondes. Ainsi dans les solutions connues, on place une résistance capable de supporter des centaines de milliampères, donc une résistance non standard dans la pratique des composants montés en surface CMS. Une autre solution est de placer plusieurs résistances en série pour que les courants s’additionnent. De plus on gaspille de l’énergie électrique par effet Joule dans la résistance (ou les résistances) placée(s) en série sur ce circuit résistif. Les inventeurs ont donc cherché à proposer des nouvelles solutions pour gérer la précharge de la capacité réservoir de manière optimisée. A cet effet, la présente invention propose un système électrique comprenant une batterie électrique présentant une borne positive et une borne négative, une première ligne positive, une deuxième ligne négative, un premier contracteur interposé entre la borne positive et la première ligne, un deuxième contracteur interposé entre la borne négative et la deuxième ligne, au moins une capacité réservoir interposée entre la première ligne et la deuxième ligne, caractérisé en ce que le système comprend un circuit de précharge, connecté d'une part à la première ligne et d'autre part à la borne positive de la batterie, le circuit de précharge comprenant en série au moins une inductance et un transistor de commande configuré pour être commandé par une unité de commande, le transistor de commande étant commandé, après la fermeture du deuxième contacteur et avant de fermer le premier contacteur, selon une commande cyclée de pompage pour charger la capacité réservoir. Avantageusement, on précharge la capacité réservoir en minimisant les pertes par échauffement. En effet, l’utilisation d’une inductance au lieu de résistance(s) permet de diminuer les pertes par effet Joule. On note qu’un des résultats obtenus est d’améliorer les conditions de fermeture des contacteurs pour éviter des phénomènes d’arc électrique sur les contacts au moment de la fermeture des contacteurs (i.e. au moment de l’établissement du courant). De plus, il s’avère que le coût de revient de l’inductance sur le circuit est plus faible que le coût de revient de la ou des résistance(s) de la solution connue. Ainsi le coût de revient de la solution proposée est avantageux par rapport à celui d’une résistance de puissance avec un relais utilisée dans les solutions connues. On remarque que le temps pour charger la capacité réservoir est de l’ordre de quelques dizaines ou centaines de millisecondes. Il faut noter que l’unité de commande peut être typiquement l’unité appelé calculateur de gestion de la batterie (‘BMS’). On remarque que les premier et deuxième contracteurs peuvent être typiquement des relais. Toutefois, il n'est pas exclu d'utiliser d'autres dispositifs électromécaniques ou des semi-conducteurs de puissance pour former les premier et deuxième contracteurs. Selon une réalisation, la commande est cyclée pour que le courant traversant l’inductance reste inférieur à une limite de saturation, ladite limite de saturation étant définie par rapport à une saturation magnétique de l’inductance. On maximise le courant moyen dans l’inductance, sans la saturer, pour diminuer et même minimiser le temps de charge. Selon une réalisation, il est prévu un premier shunt de mesure, apte à permettre une mesure du courant traversant l’inductance. L'unité de commande peut acquérir une lecture de la tension aux bornes dudit premier shunt de mesure, et en déduire directement le courant qui circule à travers l'inductance. Selon une réalisation, il est prévu une diode roue libre, établissant un circuit de retour pour un énergie électromagnétique stockée dans l’inductance. Ce circuit de retour est établi lorsque le transistor de commande est fermé c'est à dire non passant. Grâce à cette diode de roue libre et à ce circuit de retour, l'énergie qui était contenue dans l'inductance est déchargée dans la capacité réservoir. Selon une réalisation, il est prévu un deuxième shunt de mesure, apte à permettre une mesure du courant délivré par la batterie. Ainsi, l'unité de commande peut acquérir une lecture de la tension aux bornes dudit deuxième shunt de mesure, et en déduire le courant qui rentre et qui sort dans la batterie. Ceci permet à l'unité de commande lorsqu'elle est formée par le calculateur de gestion batterie (dit BMS) de calculer en permanence un état de charge courant de la batterie. Ceci permet aussi d'assurer une protection contre des courants trop importants. Selon une réalisation, la tension nominale de batterie est au moins égale à 48 Volts. L'utilité de la présente invention est d'autant plus importante que la tension aux bornes de la batterie est élevée. La création d’un arc à la fermeture des contacteurs est ainsi éliminée. Selon une réalisation, la tension nominale de batterie peut être d’environ 400 V. Selon une réalisation, la tension nominale de batterie peut être d’environ 800 V. Bien entendu, d'autres tensions nominales de batterie sont aussi considérées ici. Même pour des tensions élevées, le circuit de précharge évite la création d'un arc au moment de la fermeture des contacteurs. Selon une réalisation, le transistor de commande peut être un transistor à effet de champ (Mosfet) ou un transistor bipolaire à grille isolée (IGBT). Moyennant quoi, on choisit un composant de bonne disponibilité sur le marché, de coût raisonnable et de bonne fiabilité, et d'une bonne capacité de cyclage pour enchaîner les commandes ON et OFF. Selon une réalisation, il est prévu une diode anti-retour, en série avec l’inductance, protégeant le transistor de commande d’une inversion de polarité. Grâce à quoi, même si une inversion de polarité est pratiquée par inadvertance, le transistor de commande ne sera pas endommagé. Selon une réalisation, l’unité de commande est configurée pour arrêter la commande cyclée du transistor de commande et pour commander la fermeture du premier contracteur dès lors qu’une condition sur la tension aux bornes de la capacité réservoir est vérifiée. En pratique, pour ladite condition on peut choisir un coefficient KS tel que V1 - V2 > KS (VP - VN), avec VP la tension de la borne positive de la batterie, VN la tension de la borne négative de la batterie, V1 la tension sur la première ligne, V2 la tension sur la deuxième ligne. On peut choisir le coefficient KS = 0,97. Autrement dit, il ne reste à établir au plus que 3% de la tension aux bornes de la batterie par la fermeture du premier contacteur. La fermeture du premier contacteur se produit alors sans arc. L'invention concerne en outre un véhicule comprenant un système électrique 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 est une représentation un exemple de schéma électrique du système proposé ; FIG. 2 illustre un chronogramme du processus de précharge de la capacité réservoir. 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. Le système électrique proposé ici peut être installé à bord d'un véhicule automobile. Le véhicule automobile en question peut être un véhicule particulier, un véhicule utilitaire, un camion, un autobus, un véhicule de loisir etc. Il n'y a pas de limitation sur le type de véhicule cible. De même, le système électrique proposé ici peut être installé sur un équipement qui n'est pas un véhicule automobile, il peut s'agir d'un équipement stationnaire, d'un équipement ferroviaire, d'un équipement maritime, d'un équipement aérien. Pour revenir au cas du véhicule électrique, la présente invention est particulièrement pertinente pour le cas d'un véhicule à motricité électrique, qu'il soit hybride ou 100% électrique. Dans ce cas de figure, il est prévu une batterie de stockage d'énergie électrique repérée BATT aux figures. La batterie électrique présente une borne positive 11 au potentiel VP et une borne négative 12 au potentiel VN. La batterie en question présente une tension nominale a ses bornes VP – VN. Selon un mode de réalisation, la tension nominale aux bornes de la batterie peut être de 48 volts, par exemple dans le cas d'un véhicule hybride. Dans le cas d'un véhicule 100% électrique, la tension nominale aux bornes de la batterie peut être aux alentours de 400 volts. Selon un autre mode de réalisation en 100% électrique, la tension nominale aux bornes de la batterie peut être aux alentours de 800 volts. La présente invention fonctionne quelle que soit la tension nominale de la batterie. La capacité de stockage énergétique de la batterie peut être de quelques kilowattheures ou de quelques dizaines de kilowattheures. La technologie électrochimique de la batterie peut être quelconque, par exemple dans la famille des Lithium-ion. La batterie est habituellement associée à un calculateur de gestion de batterie appelé dans le jargon BMS (de l'anglais Battery Management System). Les fonctions de cette unité sont connues en soi et donc non détaillées ici. Le système électrique comprend une unité de commande 4 qui, dans l'exemple présenté, correspond au calculateur BMS, mais il pourrait en être autrement. Le système électrique comprend une première ligne positive L1, une deuxième ligne négative L2. Les première et deuxième lignes L1, L2 forment la tête de réseau du réseau haute tension. Sur ce réseau haute tension peuvent être connectés des consommateurs, tels qu'un onduleur de machine électrique ou un convertisseur DC/DC. Le système électrique comprend un premier contracteur S1 interposé entre la borne positive 11 et la première ligne L1, et un deuxième contracteur S2 interposé entre la borne négative 12 et la deuxième ligne L2. Les premier et deuxième contracteurs S1 et S2 peuvent être typiquement des relais. Toutefois, il n'est pas exclu d'utiliser d'autres dispositifs électromécaniques ou des semi-conducteurs de puissance pour former les premier et deuxième contracteurs S1 et S2. Les premiers et deuxièmes contacteurs permettent d'isoler le réseau haute tension de la batterie. Ainsi bien que la batterie reste sous tension, il est possible d'intervenir sans danger sur les lignes L1 et L2 lorsque les contacteurs S1 et S2 ont été ouverts. Le système électrique comprend une capacité réservoir CR interposée entre la première ligne L1 et la deuxième ligne L2. Dans l'exemple illustré sur la FIG. 1 , une seule capacité réservoir est représentée, mais dans la pratique il peut y avoir plusieurs capacités réservoirs agencées en parallèle. La capacité réservoir unique ou les capacités réservoir en parallèle peut(peuvent) présenter une valeur de capacité comprise entre 500 microFarad et 2000 microFarad. La borne positive de la capacité réservoir est connectée sur la première ligne électrique L1, et la borne négative de la capacité réservoir VK est connectée sur la deuxième ligne électrique L2. La capacité réservoir CR fait office de filtre pour atténuer les appels de courant qui peuvent intervenir dans les consommateurs électriques branchés sur le réseau aval entre la première ligne L1 et la deuxième ligne L2. Mais, lorsque l'on passe d'une situation où les premier et deuxième contacteurs S1,S2 étaient ouverts et que l'on souhaite les refermer, il est prévu d'utiliser un circuit de précharge qui évite aux éléments de contact des contacteurs de subir un arc provoqué par un appel de courant des consommateurs sur le réseau (lesdits consommateurs ont aussi eux-mêmes assez souvent une capacité réservoir locale à charger). Le système électrique comprend donc un circuit de précharge 2. Selon le dispositif proposé, le circuit de précharge 2 se trouve en parallèle du premier contacteur S1 et il est mis à contribution après la fermeture du deuxième contacteur S2 alors que le premier contacteur S1 n'est pas encore fermé. Le circuit de précharge 2 comprend une inductance notée LPC et un transistor de commande noté T1, agencés en série. Le transistor de commande T1 est un transistor à effet de champ (Mosfet) ou un transistor bipolaire à grille isolée (IGBT). Le transistor de commande T1 peut bénéficier le cas échéant d’un circuit d’isolation galvanique permettant d’isoler le transistor T1 par rapport au calculateur BMS. Alternativement, le transistor de commande T1 peut être un transistor bipolaire, un transistor au carbure de silicium (SiC) ou un transistor au nitrure de gallium (GaN). En référence à la FIG. 1 , le courant qui circule dans l'inductance LPC, et dans le transistor de commande T1 lorsqu’il est passant, est noté Ipc. Sur le circuit de précharge 2 se trouve également un premier shunt de mesure noté R1. Le premier shunt de mesure R1 est placé en série avec l'inductance LPC. Il est aussi prévu deux lignes de relecture Ya et Yb qui prélèvent chacune la tension à une des bornes de ce shunt de mesure R1. La mesure de la différence de tension Yb-Ya, divisée par la résistance du shunt R1, permet d'obtenir une image du courant Ipc qui traverse l'inductance. Lorsque le transistor de commande passe de OFF à ON, il autorise le passage du courant Ipc dans l'inductance, et ledit courant augmente graduellement depuis zéro du fait de l'effet de self-inductance de cette inductance ou bobine. Avantageusement, il est prévu que le courant traversant l’inductance reste inférieur à une limite de saturation Isat, ladite limite de saturation étant définie par rapport à une saturation magnétique de l’inductance. De plus, il est prévu une diode roue libre D2, établissant un circuit de retour pour un énergie électromagnétique stockée dans l’inductance. Ce circuit de retour est établi lorsque le transistor de commande T1 est fermé c'est à dire non passant. Grâce à cette diode de roue libre D2 et à ce circuit de retour, l'énergie qui était contenue dans l'inductance est déchargée dans la capacité réservoir CR. De plus, il est prévu une diode anti-retour D1, en série avec l’inductance. Dans l'exemple illustré, la diode anti-retour D1 est interposée entre l'inductance et le transistor de commande T1 mais elle pourrait être en amont du transistor T1. La diode anti-retour D1 protège le transistor de commande d’une inversion de polarité. On remarque qu'il est prévu un fusible F interposé entre la borne positive de la batterie VP et le premier contacteur S1. Sur la deuxième ligne L2, il est prévu un deuxième shunt de mesure noté R2. Le deuxième shunt de mesure R2 permet une mesure du courant délivré par la batterie. Le deuxième shunt de mesure R2 est interposé entre la borne négative VN de la batterie et le deuxième contacteur S2. En alternative, le deuxième shunt de mesure pourrait être agencé sur la première ligne. Il est prévu des lignes de relecture respectivement repérées G1 et G2 pour permettre à l'unité de commande 4 de mesurer la différence de potentiel aux bornes du shunt de mesure et d'en déduire le courant qui passe shunt de mesure R2. La valeur de la résistance de ce shunt R2 en ohm est très faible, e.g. quelques milli-ohms tout au plus. La tension électrique qui prévaut sur la première ligne L1 est notée V1. La tension électrique qui prévaut sur la deuxième ligne L2 est notée V2. La borne positive la capacité réservoir CR est notée VK, son potentiel électrique est égal à la tension V1. La tension V1 est mesurée grâce à la ligne de relecture repérée Yb sur la FIG. 1 . Il faut remarquer que les tensions V1,V2 des premières et deuxième lignes L1,L2 sont généralement flottantes par rapport à la masse électrique du véhicule. L’unité de commande 4 est configurée pour arrêter la commande cyclée du transistor de commande dès lors qu’une condition d’arrêt sur la tension aux bornes de la capacité réservoir (V1- V2) est vérifiée. Simultanément ou peu après, l'unité de commande peut alors commander la fermeture du premier contracteur S1. Pour la condition d’arrêt, on peut choisir un coefficient KS tel que V1- V2 > KS (VP - VN), avec KS = 0,97. Sur le chronogramme de la FIG. 2 , l'instant tt1 correspond à la fermeture du deuxième contacteur S2. La tension V2 devient instantanément égal à la tension négative VN. A l'instant tt1, ou juste après, l’unité de commande 4 active le transistor de commande T1 qui devient passant, alors que la tension V1 est tiré vers le bas par la capacité réservoir CR déchargée à ce moment. Le courant Ipc qui traverse l'inductance s'accroît depuis 0 selon une exponentielle. Au moment où le courant Ipc s'approche du courant de saturation Isat, à la fin de la première période notée 41, à l'instant tt2, l’unité de commande 4 désactive le transistor de commande T1 qui devient bloqué. Pendant la première période notée 41, la tension VK augmente. A partir de l'instant tt2, le courant Ipc décroit vers 0. On note que le courant est redirigé par la diode D2 vers la capacité réservoir CR. Pendant la deuxième période notée 42, la capacité réservoir CR continue à se charger, et la tension VK continue à augmenter. Le cyclage décrit ci-dessus, avec une première période d'activation du transistor 41 et une deuxième période de blocage du transistor 42 est répétée, autant de fois que nécessaire, jusqu'à ce que la charge de la capacité réservoir suffisante ou exprimé autrement jusqu'à ce que là tension V1 soit proche de la tension positive VP de la batterie. En pratique, l’unité de commande 4 est configurée pour arrêter la commande cyclée du transistor de commande T1 et pour commander la fermeture du premier contracteur S1 dès lors qu’une condition sur la tension aux bornes de la capacité réservoir est vérifiée. Selon un exemple de réalisation, pour ladite condition on peut choisir un coefficient KS tel que V1- V2 > KS (VP - VN). Selon un exemple de réalisation, on peut choisir KS = 0,97. Cette condition correspond au seuil repéré Vs à la FIG. 2 . Sur la FIG. 2 , à l'instant tt3, la condition devient vraie, alors l'unité de commande 4 interrompt le cyclage du transistor de commande et le laisse à l’état bloqué, puis il commande la fermeture du premier contacteur S1. À partir de ce moment, le réseau haute tension des lignes L1 et L2 est raccordé totalement (à faible impédance) aux bornes de la batterie VP et VN, le circuit de précharge 2 est court-circuité. On remarque que le premier shunt de mesure R1 permet de mesurer des courants de 3 à 5 ampères. On remarque que les durées des périodes 41 et 42 sont de l’ordre de quelques microsecondes. La fréquence de répétition des périodes 41 et 42 peut être fixe ou adaptée en temps réel en fonction de l’atteinte par Ipc des seuils de courant Isat et 0. Le temps pour charger la capacité réservoir CR est de l’ordre de quelques dizaines ou centaines de millisecondes, par exemple 200 millisecondes. Système électrique (10) comprenant une batterie électrique présentant une borne positive (11) et une borne négative (12), une première ligne positive (L1), une deuxième ligne négative (L2), un premier contracteur (S1) interposé entre la borne positive et la première ligne (L1), un deuxième contracteur (S2) interposé entre la borne négative et la deuxième ligne (L2), au moins une capacité réservoir (CR) interposée entre la première ligne et la deuxième ligne, caractérisé en ce que le système comprend un circuit de précharge, connecté d'une part à la première ligne (L1) et d'autre part à la borne positive (11) de la batterie, le circuit de précharge comprenant en série au moins une inductance (LPC) et un transistor de commande (T1) configuré pour être commandé par une unité de commande (4), le transistor de commande étant commandé, après la fermeture du deuxième contacteur et avant de fermer le premier contacteur, selon une commande cyclée de pompage pour charger la capacité réservoir. Système électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la commande est cyclée pour que le courant (Ipc) traversant l’inductance reste inférieur à une limite de saturation (Isat), ladite limite de saturation étant définie par rapport à une saturation magnétique de l’inductance (LPC). Système électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu’il est prévu un premier shunt de mesure (R1), apte à permettre une mesure du courant (Ipc) traversant l’inductance. Système électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il est prévu une diode de roue libre (D2), établissant un circuit de retour pour un énergie électromagnétique stockée dans l’inductance. Système électrique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’il est prévu un deuxième shunt de mesure (R2), apte à permettre une mesure du courant délivré par la batterie. Système électrique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la tension nominale de batterie est au moins égale à 48 Volts. Système électrique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le transistor de commande (T1) est un transistor à effet de champ (Mosfet) ou un transistor bipolaire à grille isolée (IGBT). Système électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’il est prévu une diode anti-retour D1, en série avec l’inductance, protégeant le transistor de commande d’une inversion de polarité. Système électrique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l’unité de commande est configurée pour arrêter la commande cyclée du transistor de commande et pour commander la fermeture du premier contracteur (S1) dès lors qu’une condition sur la tension aux bornes de la capacité réservoir (V1- V2) est vérifiée. Véhicule automobile électrique comprenant un système électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.