FR2830693A1 - Dispositif d'alimentation en tension d'un reseau embarque de vehicule automobile avec une fonction de protection - Google Patents

Dispositif d'alimentation en tension d'un reseau embarque de vehicule automobile avec une fonction de protection Download PDF

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Abstract

Dispositif d'alimentation en tension (1), notamment pour un réseau embarqué de véhicule automobile, ayant une fonction de protection des composants électroniques contre des surtensions, recevant la tension du réseau d'une source de tension électrique (21), comprenant - une première et une seconde borne de sortie (7, 8),- au moins une installation de limitation de tension (3) reliée à la source de tension électrique (2) et aux bornes de sortie (7, 8) pour limiter les surtensions du réseau,- une installation d'absorption (4) commandée, reliée aux bornes de sortie (7, 8) pour recevoir un courant d'absorbeur et- une installation de surveillance électronique (5) reliée à la source de tension (2) et à l'installation d'absorption (4) pour saisir les valeurs de tension fournies par la source de tension (2) et pour créer un signal de commande pour l'installation d'absorption (4) reposant sur les valeurs de tension détectées.

Description

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Domaine technique
La présente invention concerne un dispositif d'alimentation en tension, notamment pour un réseau embarqué de véhicule automobile, ayant une fonction de protection des composants électroniques contre des surtensions, recevant la tension du réseau d'une source de tension électrique.
Bien qu'applicable à n'importe quel circuit, la présente invention et les problèmes qui en sont la base seront décrits ci-après avec un réseau embarqué qui se trouve à bord d'un véhicule automobile.
Il est connu de manière générale que pour les charges inductives comme les bobines ou moyens analogues, on induit directement ou indirectement des surtensions. Les surtensions particulièrement dangereuses se forment lorsqu'il y a un mauvais contact ou une séparation instantanée de la batterie lorsque le générateur fonctionne (absence de charge). Par exemple dans le domaine des véhicules automobiles, pour une tension d'alimentation de 12V on peut produire des surtensions allant jusqu'à 80V dans un intervalle de temps de 400 millisecondes. Ces effets transitoires peuvent détruire différents circuits électroniques, par exemple des circuits intégrés du véhicule automobile si ces circuits ne sont pas protégés efficacement contre les surtensions.
Il est possible de s'opposer à une destruction des composants électroniques contre les surtensions du réseau embarqué d'un véhicule automobile si les composants correspondants sont conçus chacun suivant le maximum des pointes de tension prévisibles. Mais cela est extrêmement coûteux et n'est pas rentable.
La présente invention a pour but de manière générale de développer un dispositif d'alimentation en tension permettant de mieux protéger, en fonctionnement normal, les composants contre les surtensions du réseau embarqué d'un alternateur.
Des redresseurs à diodes, passifs, avec des diodes Zener conviennent par exemple pour limiter les surtensions générées par le générateur à une valeur souhaitée au-dessus de la tension normalement réglée du réseau embarqué.
Un inconvénient de cette solution est le fait que la tension de limitation par diodes Zener présente une plage de tolérances importantes et dépendant fortement de la température appliquée aux composants. En effet, une sollicitation thermique des diodes Zener conduit à une augmentation correspondante de la couche formant barrière et ainsi à une
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croissance de la tension de rupture de la diode en mode de fonctionnement. Lors du passage par exemple d'une tension de réseau embarqué élevée dans le véhicule, par exemple une tension de 42V comme cela est déjà planifié pour les séries, ces relations de tolérances et/ou de températures peuvent être trop importantes pour une application intéressante.
Le document DE 197 10 073 Al décrit un dispositif de protection contre les surtensions pour protéger les installations électriques contre les surtensions. L'installation comporte un réseau embarqué alimenté par un alternateur et les installations électriques sont reliées au réseau embarqué ; une installation de limitation comporte un seuil audessus de la tension de l'alternateur et du côté de sortie de l'alternateur, en parallèle au réseau embarqué, on a branché une unité qui présente au moins une branche de puissance parallèle au réseau embarqué avec au moins deux composants résistants ; au moins un composant résistant se commande lorsqu'on dépasse le seuil de limitation dans le sens d'une réduction de la résistance.
L'inconvénient de cette proposition est le fait que par le passage de la tension de charge exclusivement dans un module de limitation de tension actif, séparé, on a une séparation complète des fonctions de limitation de tension et de redresseur dans différents ensembles ; pour amortir la puissance en excédent de toute la disparition de charge ce système doit être conçu de manière très compliquée et très coûteuse. De plus, une défaillance du module résultant soit de la défaillance de certains composants du module ou liée à la coupure de l'une de ses bornes sur le pôle + ou le pôle-, ne peut pas se déceler au préalable en fonctionnement normal. Ainsi, avant que se produise une surtension dans le système, on ne peut le faire passer dans un état suffisamment sûr et le risque d'une défaillance de pièce plus grande de l'électronique embarquée est diminué en cas de surtension.
Une autre proposition consiste à limiter la tension résultant de la disparition de charge en ce que lorsque se produit la condition de coupure de charge, toutes les trois bornes de phase des enroulements de stators de l'alternateur sont court-circuitées par les transistors de commutation, supérieurs, d'un redresseur alternatif, en commun, vers un condensateur de sortie par court-circuit. Ainsi, l'ensemble de la puissance en excédent du générateur est fourni en cas de surtension au condensateur de sortie. Pour assurer une ondulation suffisamment faible à la tension de sortie en fonctionnement normal du générateur, le condensateur
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de sortie est de préférence suffisamment grand. La puissance en excédent produite n'aboutit pas dans ces conditions à une augmentation inacceptable de la tension à la sortie de l'alternateur.
Mais l'inconvénient de cette proposition est que ce système ne peut s'utiliser qu'avec un condensateur de sortie suffisamment grand. Toutefois, les tendances vont dans le sens d'une réduction de coût et d'encombrement pour développer un générateur et des systèmes redresseurs à courant alternatif ou à redresseurs actifs, sans grand condensateur de sortie. Il n'est pas intéressant d'augmenter les condensateurs de sortie uniquement pour stocker l'énergie de la charge coupée pour de simples raisons de coût.
Avantages de l'invention
La présente invention concerne un dispositif d'alimentation en tension, caractérisé par - une première et une seconde borne de sortie, - au moins une installation de limitation de tension reliée à la source de tension électrique et aux bornes de sortie pour limiter les surtensions du réseau, - une installation d'absorption commandée, reliée aux bornes de sortie pour recevoir un courant d'absorbeur et - une installation de surveillance électronique reliée à la source de ten- sion et à l'installation d'absorption pour saisir les valeurs de tension fournies par la source de tension et pour créer un signal de commande pour l'installation d'absorption reposant sur les valeurs de tension dé- tectées.
Le dispositif d'alimentation en tension selon l'invention offre l'avantage par rapport aux solutions présentées ci-dessus de pouvoir utiliser les composants de fonctionnement normal du générateur à la fois pour redresser ou lisser la tension en mode normal et pour limiter la tension en cas de défaillance par disparition de charge ; néanmoins, on peut également réaliser une limitation de tension de disparition de charge, à tolérance suffisamment étroite, par exemple pour des réseaux embarqués à 42V.
L'idée à la base de la présente invention est qu'un système d'alternateur dont la capacité de limitation de surtension, intégrée, n'est pas suffisante pour certains états de charge, est prévu avec entre les bornes de sortie de la tension continue, une installation d'absorption d'énergie, supplémentaire, pour recevoir certaines énergies impulsionnel-
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les et cette installation d'absorption est reliée par au moins une ligne de transmission de signaux à l'électronique de commande de l'alternateur.
Selon un développement préférentiel, l'installation de surveillance génère un signal de commande qui fixe l'amplitude du courant absorbé.
Selon un autre développement préférentiel, l'installation d'absorption comporte un puits de courant commandé.
Selon un autre développement préférentiel, l'installation d'absorption comporte une unité de commande logique reliée au puits de courant commandé et qui reçoit le signal de commande.
Selon un autre développement préférentiel, l'unité de commande logique envoie une information d'état concernant le courant d'absorbeur qui passe dans l'installation d'absorption, vers l'installation de surveillance pour la surveillance fonctionnelle.
Selon un autre développement préférentiel, l'installation d'absorption comporte une installation de limitation de tension, supplémentaire, reliée au puits de courant commandé. Cette installation sert de protection supplémentaire qui, en cas de défaillance ou de surcharge de la limitation de tension du redresseur continu alternatif ou en cas de défaillance de la capacité de commande de l'absorbeur de courant, intervient et constitue une protection supplémentaire pour limiter les surtensions dans le réseau embarqué.
De manière préférentielle, cette limitation doit toutefois être dimensionnée de manière suffisante en amplitude pour ne pas intervenir lorsque la limitation de tension du redresseur continu ou alternatif fonctionne correctement.
Selon un autre développement préférentiel, l'installation de surveillance fournit à des intervalles cycliques prédéfinis, à l'installation d'absorption, les valeurs d'intensité à régler pour contrôler le fonctionnement.
Selon un autre développement préférentiel, l'installation de surveillance, en saisissant un état de fonctionnement négatif de l'installation d'absorption, commande la source de tension pour passer dans un état de sécurité déterminé.
Selon un autre développement, le signal de commande est transmis par une ligne de commande réalisée comme ligne de commande bidirectionnelle à un fil.
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Selon un autre développement préférentiel, la source de tension est un alternateur.
Selon un autre développement préférentiel, le limiteur de tension intégré au générateur fait partie d'une installation de redressement.
Selon un autre développement préférentiel, la mise en peuvre de l'absorbeur de courant est telle que la valeur du courant, prédéterminée, à régler par l'installation de surveillance, est dépendante de l'intensité saisie de la sortie de l'alternateur.
Selon un autre développement préférentiel, le limiteur de tension intégré dans le générateur comporte un composant semiconducteur, notamment une diode Zener.
Enfin, selon un autre développement préférentiel, le limiteur de tension intégré au générateur comporte un condensateur de sortie.
Dessin
La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans le dessin annexé dans lequel :
L'unique figure est une vue schématique d'un dispositif de protection selon un exemple de réalisation de l'invention.
Description de l'exemple de réalisation
Le dispositif d'alimentation en tension 1 représenté à la figure est développé pour un réseau embarqué de véhicule automobile et assure une fonction de protection des composants électroniques contre les surtensions.
La référence 2 désigne un alternateur habituel dont les trois lignes de sortie sont reliées à un redresseur 3 qui comporte également une installation de limitation de tension, habituelle. Cette installation limite la surtension pour protéger les composants électroniques d'un réseau embarqué à protéger, relié aux bornes de sortie 7,8.
Le limiteur de tension du redresseur 3 se compose de préférence de composants existants dans le réseau embarqué, par exemple des redresseurs à diode Zener dans le cas d'un redresseur passif ou d'un condensateur de sortie dans le cas d'un redresseur actif.
Ces composants absorbent, en cas de surtension, l'énergie d'amortissement de charge dans la mesure du possible et limitent la tension de sortie maximale en cas d'amortissement de charge. Ces composants sont de préférence conçus en fonction des exigences pour le
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fonctionnement normal, c'est-à-dire que ces composants ne sont pas surdimensionnés pour répondre à des conditions de protection de surtension.
Le limiteur de tension du redresseur 3 est relié à une installation de surveillance 5 ; l'électronique de l'installation de surveillance 5, dans le cas d'une surtension met en oeuvre les états de commutation des transistors de pont, correspondants, nécessaires dans un redresseur actif à courant continu ou alternatif du limiteur de tension pour assurer la limitation de tension. Ainsi, les composants correspondants du limiteur de tension passent de leur mode de fonctionnement normal à un mode de protection contre les surtensions ou sont activés pour le fonctionnement en surtension.
Dans chaque installation de limitation on peut également utiliser des redresseurs alternatifs avec une limitation de surtension passive ou active.
Le limiteur de tension est par exemple relié aux trois bornes de phase des enroulements du stator de l'alternateur 2 par des transistors de commutation d'un redresseur alternatif ou d'un redresseur continu.
Le dispositif d'alimentation en tension 1 comporte en outre une installation d'absorption 4 reliée de préférence par les bornes de sortie 7,8 du redresseur 3 au limiteur de tension, indirectement avec l'alternateur 2. L'installation d'absorption 4 sert à recevoir certaines énergies de surtension et comporte à cet effet un puits de courant, commandé 41, par exemple sous la forme d'un transistor de puissance.
L'installation d'absorption 4 assiste en plus la limitation de surtension du redresseur continu 3 ; l'installation d'absorption 4 est conçue avec une capacité de puissance de façon que dans l'état de fonctionnement en surtension le plus défavorable, elle puisse recevoir un courant de charge ou une énergie de surtension nécessaire pour maintenir la fonction de limitation de surtension du redresseur continu ou alternatif du limiteur de tension ou la tension de sortie maximale du générateur 2 en cas de surtension, en dessous d'une certaine valeur critique. De ce fait, on ne dépasse pas la tension maximale autorisée du réseau embarqué et on n'endommage pas les composants électriques du réseau embarqué et du générateur 2 par de trop fortes impulsions de tension.
L'installation d'absorption 4 possède avantageusement une unité de commande logique interne 40. Cette unité convertit un signal de commande transmis par l'installation de surveillance 5 à la ligne de commande 6 par une conversion en temps et en amplitude du courant de
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l'absorbeur et commande l'ouverture correspondante du puits de courant 41.
Elle émet de préférence également une information d'état par le courant produit dans l'installation d'absorption 4 pour surveiller le fonctionnement, en retour vers l'installation de surveillance 5. Pour cela, on détecte le courant produit dans l'installation d'absorption 4 et on envoie un signal d'état par la ligne de commande 6 à l'installation de surveillance 5. La ligne de commande 6 est réalisée de préférence comme ligne de commande 6 supplémentaire, bidirectionnelle, à un fil.
Le message d'état ou l'information d'état contiennent par exemple des informations indiquant si le courant de sortie de l'installation d'absorption 4 correspond à une intensité correcte selon la consigne ou à une intensité fortement différente, par exemple du fait de la défaillance des composants de puissance ou de la coupure des branchements de puissance de l'installation d'absorption 4.
L'installation d'absorption 4 comporte de préférence une installation supplémentaire de limitation de tension 42 prévue comme sécurité supplémentaire pour limiter les surtensions du réseau embarqué, par exemple si les limitations de tension du redresseur continu ou alternatif du limiteur de courant dans le redresseur sont défaillantes ou surchargées.
Comme le fonctionnement de l'installation de limitation de tension 42 est difficile à contrôler et que seulement pour se protéger contre la défaillance, d'autres mesures sont prévues pour éliminer les surtensions d'amortissement de charge, le dimensionnement est tel que pour un fonctionnement correct de la limitation de tension dans le redresseur 3 et dans les autres parties de l'installation d'absorption 4, il n'y a pas utilisation de cette fonctionnalité.
Comme déjà indiqué, l'installation d'absorption 4 est reliée par la ligne de commande supplémentaire 6 à l'installation de surveillance 5 et cette dernière fait partie de l'alternateur 2 ou est reliée à celui-ci. L'installation de surveillance 5 exécute toutes les fonctions de commande et de surveillance du fonctionnement normal de l'alternateur. A cet effet, l'installation de surveillance 5 enregistre de préférence la valeur instantanée de l'intensité de sortie de l'alternateur ou une valeur de corrélation correspondante, par exemple le rapport commande/travail du courant d'excitation. L'installation de surveillance 5 détecte ainsi la montée en
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tension produite par une surtension à la sortie du générateur et commute les états nécessaires des transistors pour limiter la tension.
Dans le cas d'une surtension détectée, l'installation de surveillance 5 active et commande l'installation d'absorption 4 de façon que celle-ci tire un courant de charge défini entre les bornes de sortie du redresseur 3 et prenne ainsi une énergie de surtension déterminée. Pour cela, le courant de charge de l'installation d'absorption 4 est de préférence donné en fonction du courant de sortie de l'alternateur enregistré avant que ne se produise la surtension par l'installation de surveillance 5 qui le prédéfinit et est maintenu pendant une durée prédéterminée ou jusqu'au passage en dessous d'une tension de sortie de générateur, définie. On évite ainsi de dépasser la tension maximale autorisée pour le réseau embarqué, ce qui évite d'endommager les composants du réseau embarqué par des pointes de surtension.
Pour surveiller le fonctionnement de l'installation d'absorption 4, l'installation de surveillance 5 envoie, de préférence à des intervalles cycliques, un signal prédéfini d'un courant de charge à fixer et vérifie l'information d'état renvoyée par l'installation d'absorption 4. Dans le cas d'une information d'état négative, pendant un tel cycle de contrôle, l'installation de surveillance 5 peut commander l'électronique du générateur 2 dans un état de sécurité prédéfini. On évite ainsi également d'endommager l'électronique du générateur 2 au cas où l'installation d'absorption 4 est défaillante.
La présente invention crée un dispositif de protection puissant, sûr, et économique pour protéger contre les surtensions car les composants de générateurs (composants d'alternateurs) déjà nécessaires et qui fonctionnent normalement, sont utilisés à la fois pour une installation de redressement de tension ou de lissage en fonctionnement normal ainsi que pour limiter la tension en mode de surtension.
Cela permet une conception minimale, mise à l'échelle de l'application, de l'installation d'absorption de puissance, supplémentaire, pour que cette conception soit intéressante du point de vue du volume et des coûts.
En outre, le dispositif de protection selon la présente invention peut également s'utiliser par exemple pour les réseaux embarqués à 42V car une limitation de surtension à tolérance étroite suffisante est envisageable.
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Un contrôle cyclique des composants de limitation de surtension pour éviter des conséquences catastrophiques est également possible. Enfin, le dispositif de protection selon la présente invention assure également en cas de défaillance de l'un des deux éléments de protection activables en parallèle, d'une part, les composants de limitation du redresseur 3, et, d'autre part, les composants de l'installation d'absorption 4 pour une protection en général suffisante contre les surtensions.

Claims (15)

  1. REVENDICATIONS 1 ) Dispositif d'alimentation en tension (1), notamment pour un réseau embarqué de véhicule automobile, ayant une fonction de protection des composants électroniques contre des surtensions, recevant la tension du réseau d'une source de tension électrique (21), caractérisé en ce qu'il comprend - une première et une seconde borne de sortie (7,8), - au moins une installation de limitation de tension (3) reliée à la source de tension électrique (2) et aux bornes de sortie (7,8) pour limiter les surtensions du réseau, - une installation d'absorption (4) commandée, reliée aux bornes de sor- tie (7,8) pour recevoir un courant d'absorbeur et - une installation de surveillance électronique (5) reliée à la source de tension (2) et à l'installation d'absorption (4) pour saisir les valeurs de tension fournies par la source de tension (2) et pour créer un signal de commande pour l'installation d'absorption (4) reposant sur les valeurs de tension détectées.
  2. 2 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'installation de surveillance (5) génère un signal de commande qui fixe la dimension du courant d'absorbeur.
  3. 3 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'installation d'absorption (4) comporte un puits de courant (41) commandé.
  4. 4 ) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'installation d'absorption (4) comporte une unité logique de commande (40) reliée au puits de courant commandé (41), cette unité logique recevant le signal de commande.
  5. 5 ) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que
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    l'unité de commande logique (40) envoie une information d'état concernant le courant d'absorbeur réglé dans l'installation d'absorption (4) vers l'installation de surveillance (5) pour une surveillance de fonctionnement.
    limitation de tension (42) reliée au puits de courant commandé (41).
    Figure img00110001
  6. 6 ) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'installation d'absorption (4) comporte une installation supplémentaire de
  7. 7 ) Dispositif selon au moins l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que l'installation de surveillance (5) prédétermine, à des intervalles cycliques définis, les valeurs de courant que doit régler l'installation d'absorption (4) pour contrôler le fonctionnement.
  8. 8 ) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'installation de surveillance (5), lorsqu'elle saisit un état de fonctionnement négatif de l'installation d'absorption (4), commande la source de tension (2) dans un état de sécurité déterminé.
  9. 9 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal de commande est transmis à une ligne de commande (6) réalisée comme ligne de commande bidirectionnelle à un fil.
  10. 10 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de tension (2) est un alternateur (2).
  11. 11 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'installation de limitation de tension (3) fait partie d'un redresseur.
  12. 12 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'installation de surveillance (5), est reliée à l'installation de limitation de tension (3) pour l'activer en fonction des valeurs de tension détectées.
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  13. 13 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'installation de limitation de tension (3) comporte un composant semiconducteur, notamment une diode Zener.
  14. 14 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'installation de limitation de tension (3) comporte un condensateur de sortie.
  15. 15 ) Application du dispositif selon au moins l'une quelconque des revendications 1 à 14 à un réseau embarqué à 42V d'un véhicule automobile.
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