FR3097086A1 - Procede de commande d’un commutateur mos d’un systeme electrique de vehicule pour l’alimentation d’un reseau de bord - Google Patents
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Abstract
La présente invention a pour objet un procédé de commande d’un système électrique de véhicule automobile, notamment la commande d’un interrupteur à commutateur MOS lors de la reconnexion d’une batterie au réseau de bord. Selon l’invention, le procédé comporte les étapes successives suivantes: préalablement à une reconnexion de l’ensemble d’alimentation au réseau de bord, le pilotage d’un signal de commande pour configurer le commutateur MOS (3) en régime de fonctionnement linéaire durant une phase de transition prédéterminée de sorte à augmenter la tension du stockeur d’énergie électrique progressivement durant la phase de transition, en cas de détection de la fin de la phase de transition prédéterminée, le pilotage du signal de commande pour configurer le commutateur MOS (3) dans un état de fermeture de sorte à reconnecter l’ensemble d’alimentation (30) au réseau de bord (20). Figure 1
Description
Le domaine de l’invention concerne un procédé de commande d’un système électrique de véhicule automobile pour alimenter un réseau de bord du véhicule.
Typiquement, un véhicule automobile comporte un système électrique comprenant un réseau de bord constitué d’équipements électriques et électroniques. Ce réseau peut être généralement alimenté en énergie électrique par un convertisseur de tension (continu/continu par exemple), par un stockeur d’énergie électrique, tel une batterie ou un supercondensateur ou bien encore par un générateur électrique.
Une architecture électrique connue de véhicule automobile comprend un convertisseur de tension apte à fournir de l’énergie électrique et relié électriquement au réseau de bord, ainsi qu’un premier ensemble d’alimentation comprenant une batterie principale (12V par exemple), un générateur d’énergie électrique (générateur, ou alterno-démarreur) relié électriquement à la batterie et un interrupteur apte à connecter sélectivement ce premier ensemble d’alimentation au réseau de bord. Il peut être prévu un second ensemble d’alimentation comportant une batterie auxiliaire (12V par exemple) et un second interrupteur apte à connecter sélectivement ce second ensemble d’alimentation au réseau de bord. Une unité de commande du véhicule est configurée pour piloter le ou chaque interrupteur et chaque générateur d’énergie afin d’assurer la stabilité de tension du réseau de bord.
En particulier, lors d’une procédure de démarrage d’un moteur thermique du véhicule, l’interrupteur permet d’isoler électriquement le démarreur du réseau de bord pour éviter une chute de tension sur le réseau de bord du fait de l’importante demande d’énergie pour cette procédure. Une chute de tension peut provoquer un arrêt ou une réinitialisation intempestive des équipements électroniques. Pour éviter cela, l’unité de commande est alors configurée selon deux phases.
Lors d’une première phase hors d’une procédure de démarrage du moteur thermique, l’interrupteur est fermé. Le générateur principal d’énergie électrique du système électrique est le convertisseur de tension qui fournit à la fois l’énergie électrique au réseau de bord et recharge si besoin les batteries.
Lors d’une deuxième phase durant une procédure de redémarrage du moteur, le moteur thermique est redémarré grâce à un démarreur (ou alterno-démarreur) alimenté par la batterie du premier ensemble d’alimentation. L’interrupteur est ouvert de sorte que l’ensemble d’alimentation se trouve isolé des autres organes électriques par l’interrupteur. Ainsi la chute de tension générée par le démarreur ne se propage pas sur le reste du réseau de bord. Le cas échéant, l’interrupteur du second ensemble d’alimentation est fermé. Le réseau de bord est alors alimenté par le convertisseur de tension et la batterie auxiliaire.
Cependant, lors de la transition de reconnexion du premier ensemble d’alimentation, de la deuxième phase vers la première phase, la reconnexion de la batterie sur le réseau de bord peut provoquer une chute de tension sur le réseau de bord.
En effet, lors de la deuxième phase le courant de la batterie principale est presque nul car une fois le redémarrage finalisé il n’y a plus de consommation électrique sur la batterie principale. La tension de la batterie principale est environ de 13V pour des conditions de température d’environ 20°C et un état de charge d’environ 80% de la capacité totale. Du côté du réseau de bord, le convertisseur de tension est piloté pour imposer une tension de régulation d’environ 14.5V et fournit un courant de 100A qui correspond à la consommation électrique du réseau de bord.
Lors de la reconnexion de la batterie principale sur le réseau de bord, la fermeture de l’interrupteur génère un appel de courant provoqué par la batterie principale. En effet, le convertisseur de tension impose une tension supérieure à celle de la batterie, une tension proche de 14V, et cette dernière se met donc à se charger. L’appel de courant de la batterie avoisine les 150A, ce qui se traduit par une chute de tension sur le réseau de bord à 13V.
On connait de l’état de la technique le document FR2996692A1 décrivant un procédé de gestion électrique consistant à empêcher une chute de tension lors de la désactivation d’un convertisseur de tension. Selon ce procédé, une fois que le générateur est connecté au réseau de bord, ce dernier ou le convertisseur de tension, est piloté pour que le générateur fournisse progressivement une tension supérieure à celle du convertisseur avant sa désactivation. Néanmoins, le système électrique présenté dans ce document n’enseigne aucune solution technique pour résoudre le problème de chute de tension pour la reconnexion de la batterie principale à un réseau de bord configuré pour rester alimenté par le convertisseur de tension.
Il existe donc un besoin de proposer un procédé de commande d’un système électrique amélioré permettant de palier les problèmes précités. En particulier, l’invention cherche à stabiliser la tension électrique du réseau de bord lors de la reconnexion d’une batterie suite à une procédure de redémarrage.
Plus précisément, l’invention concerne un procédé de commande d’un système électrique de véhicule automobile, le système comprenant un réseau de bord constitué d’équipements électriques, un convertisseur de tension relié électriquement au réseau de bord, un ensemble d’alimentation comprenant un stockeur d’énergie électrique, un générateur d’énergie électrique relié électriquement audit stockeur et un interrupteur composé d’un commutateur MOS apte à connecter sélectivement l’ensemble d’alimentation au réseau de bord, la tension de grille du commutateur MOS étant pilotée par un signal de commande, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- l’alimentation du réseau de bord par une première tension fournie par le convertisseur de tension,
- le pilotage du signal de commande pour configurer le commutateur MOS dans un état d’ouverture de sorte à déconnecter électriquement l’ensemble d’alimentation du réseau de bord.
Selon l’invention, le procédé comporte en outre les étapes successives suivantes :
- préalablement à une reconnexion de l’ensemble d’alimentation au réseau de bord, le pilotage du signal de commande pour configurer le commutateur MOS en régime de fonctionnement linéaire durant une phase de transition prédéterminée de sorte à augmenter la tension du stockeur d’énergie électrique progressivement durant la phase de transition,
- en cas de détection de la fin de la phase de transition prédéterminée, le pilotage du signal de commande pour configurer le commutateur MOS dans un état de fermeture de sorte à reconnecter l’ensemble d’alimentation au réseau de bord.
Selon une variante, le signal de commande est un signal de tension piloté à une valeur de palier prédéterminée durant la phase de transition lors du passage depuis la valeur commandant l’état d’ouverture à la valeur commandant l’état de fermeture.
Selon une variante, la valeur de palier est constante durant la phase de transition.
Selon une variante, la fin de la phase de transition est détectée lorsque la tension du stockeur d’énergie électrique atteint un seuil de tension prédéterminé.
Selon une variante, le procédé comporte en outre, lorsque l’ensemble d’alimentation est déconnecté du réseau de bord, la commande d’une procédure de démarrage d’un moteur thermique du véhicule.
Selon une variante, le pilotage du signal de commande pour configurer le commutateur MOS en régime de fonctionnement linéaire est déclenché en cas de détection de la fin de la procédure de démarrage du moteur thermique.
Selon une variante, le procédé comporte en outre, lorsque l’ensemble d’alimentation est déconnecté du réseau de bord, l’alimentation d’un stockeur d’énergie auxiliaire par le convertisseur de tension.
Selon une variante, la tension du convertisseur de tension reste constante entre l’étape de commande d’ouverture de l’interrupteur pour déconnecter le système d’alimentation et l’étape de commande de fermeture de l’interrupteur.
L’invention concerne également un véhicule automobile comprenant une unité de commande apte à piloter un système électrique du véhicule, lequel système comprend un réseau de bord constitué d’équipements électriques, un convertisseur de tension relié électriquement au réseau de bord, un ensemble d’alimentation comprenant un stockeur d’énergie électrique, un générateur d’énergie électrique relié électriquement audit stockeur et un interrupteur composé d’un commutateur MOS apte à connecter sélectivement l’ensemble d’alimentation au réseau de bord, la tension de grille du commutateur MOS étant pilotée par un signal de commande. Selon l’invention, l’unité de commande est configurée pour mettre en œuvre l’une quelconque des modes de réalisation du procédé de commande du système électrique.
L’invention concerne un produit programme-ordinateur comprenant des instructions qui, lorsque le programme est exécuté par une unité de commande du véhicule, conduisent celui-ci à mettre en œuvre l’un quelconque des modes de réalisation du procédé de commande du système électrique.
L’invention évite une chute de tension lors de la reconnexion de la batterie principale suite à une procédure de redémarrage du moteur thermique. Le procédé améliore la stabilité de la tension électrique et évite des réinitialisations intempestives des équipements électroniques du système électrique du véhicule.
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit comprenant des modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, dans lesquels :
Le procédé de commande d’un système électrique de véhicule selon l’invention concerne dans un mode de réalisation préférentiel, le système électrique d’un véhicule hybride équipé d’un moteur thermique et d’un système électrique pouvant être alimenté principalement à partir d’énergie électrique générée par une machine électrique de traction et/ou une batterie de traction par l’intermédiaire d’un convertisseur de tension.
La figure 1 représente un système électrique 100 de véhicule automobile comportant un réseau de bord 20 constitué d’une boite de fusibles 8 et d’équipements électriques et électroniques 9 et 10, un convertisseur de tension continu/continu 6 relié électriquement au réseau de bord 20, un premier ensemble d’alimentation 30 comprenant un stockeur d’énergie électrique 1, ici une batterie 12V, un générateur d’énergie électrique 2 relié électriquement à la batterie 1 et un interrupteur 3 apte à connecter sélectivement l’ensemble d’alimentation 30 au réseau de bord 20.
Plus précisément, le convertisseur de tension 6 est relié électriquement d’un côté au réseau de bord 20 et d’un autre côté à un réseau électrique dit de basse tension (400V par exemple) et est apte à transformer une tension du réseau électrique 7, générée par une batterie de traction et/ou une machine électrique de traction du véhicule en une tension pour le fonctionnement du réseau de bord, alimenté par exemple à une tension de 14,5V. Le convertisseur 6 assure la fonction de générateur électrique principal du réseau de bord 20. D’autres niveaux de tension du réseau de bord 20 sont envisageables, par exemple 48V.
Le générateur d’énergie électrique 2 est connecté d’une part à la borne positive de la batterie 1 et d’autre part à la masse du véhicule et est apte à fournir de l’énergie électrique à la batterie 1. De plus, dans cet exemple, le générateur 2 est un alterno-démarreur ayant également la fonction de démarreur du moteur thermique. L’alterno-démarreur est relié mécaniquement au vilebrequin du moteur thermique et est apte à l’entrainer en rotation lors d’une procédure de démarrage. Dans une variante, le générateur 2 assure uniquement la fonction de générateur d’énergie, et un démarreur dédié additionnel est relié et alimenté électriquement par la batterie 1 pour opérer la procédure de démarrage.
L’interrupteur 3 est connecté électriquement à la borne positive de la batterie 1 et est apte à connecter/déconnecter le premier ensemble d’alimentation 30 au réseau de bord 20 alimenté principalement par le convertisseur de tension 6, notamment lors d’une procédure de redémarrage du moteur thermique. L’interrupteur 3 est un interrupteur à commutateur MOS (« Metal Oxyd Substrat » en anglais). De façon connue en soi, le commutateur MOS est composé d’un ou plusieurs transistors MOS où chaque transistor est muni d’électrodes appelées Source, Drain et Grille. Une tension appliquée à la grille permet de piloter l’état du commutateur.
Le système électrique 100 prévoit également un deuxième ensemble d’alimentation 40 comportant un stockeur d’énergie 4, ici une batterie auxiliaire de tension 12V, dont la borne positive est reliée au réseau de bord 20 via un interrupteur 5. L’interrupteur 5 est identiquement à l’interrupteur 3 un interrupteur à commutateur MOS. La batterie auxiliaire 4 est apte à fournir de l’énergie électrique au réseau de bord 20 au besoin.
Une unité de commande du véhicule, non représentée en figure 1, est apte à mesurer la tension de la batterie principale 1, de la batterie secondaire 4, du générateur 2, du convertisseur 6, du réseau de bord 20 et à piloter le signal de commande du commutateur MOS des interrupteurs 3 et 5, la consigne de tension du convertisseur 6 et du générateur 2 pour la mise en œuvre du procédé de commande en fonction des niveaux de tension du système électrique 100.
Plus précisément, le générateur 2 est apte à être piloté en mode de production d’énergie lorsqu’il est entrainé par le moteur thermique en fonction d’une consigne de tension et d’imposer une tension à la batterie 1 pour la charger.
Les interrupteurs 3 et 5 sont pilotés par une consigne de tension de la grille des commutateurs MOS 3 et 5. La valeur de la consigne de tension dépend de la technologie des commutateurs MOS. Dans ce cas d’exemple non limitatif, une valeur de 0V pilote un état d’ouverture de l’interrupteur et une valeur de 12V pilote un état de fermeture. Une valeur intermédiaire de la consigne de tension pilote le commutateur MOS dans un état de fonctionnement linéaire. Comme cela est bien connu, cet état de fonctionnement se traduit par un comportement électrique du commutateur MOS similaire à une résistance dont la valeur dépend de la consigne de tension.
Le procédé selon l’invention pilote judicieusement une phase de transition du commutateur MOS lors de la reconnexion du premier ensemble d’alimentation 30 de manière à permettre le passage d’un courant de charge de la batterie généré par le convertisseur de tension 6. Le courant de charge est généré progressivement pour éviter une reconnexion brutale susceptible de générer une chute de tension sur le réseau de bord. Selon l’invention, la consigne de tension de la grille du commutateur MOS est pilotée à une valeur de palier durant une phase de transition prédéterminée.
Le convertisseur 6 est apte à être piloté par l’unité de commande en fonction d’une consigne de tension, ici pour fournir la tension principale d’alimentation du réseau de bord. La tension du convertisseur, environ 14,5V est constante durant toute la durée du procédé de commande selon l’invention.
Comme indiqué plus haut, l’invention propose notamment de mettre en œuvre, au sein du véhicule, un procédé destiné à transmettre transitoirement aux bornes de la batterie principale 1 un courant de charge progressif généré par le convertisseur de tension 6 pour éviter une chute de tension lors de la reconnexion de la batterie au réseau de bord.
Cette mise en œuvre peut se faire au moyen d’une unité de commande qui peut être installée dans un calculateur du véhicule (calculateur du moteur thermique, ou un superviseur par exemple). Mais cela n’est pas obligatoire. En effet, il pourrait être externe audit calculateur, tout en étant couplé à ce dernier. Dans ce dernier cas, il peut être lui-même agencé sous la forme d’un calculateur dédié comprenant un éventuel programme dédié, par exemple. Par conséquent, une unité de commande, selon l’invention, peut être réalisée sous la forme de modules logiciels (ou informatiques (ou encore « software »)), ou bien de circuits électroniques (ou « hardware »), ou encore d’une combinaison de circuits électroniques et de modules logiciels.
En figure 2, on a représenté l’état des signaux de commande pilotés par le procédé de commande, en particulier en graphique supérieur l’état ST_3 de la commande d’ouverture, fermeture et du fonctionnement en régime linéaire de l’interrupteur 3, symboliquement 0 pour un état d’ouverture et 1 pour un état de fermeture et la zone hachurée pour la zone de fonctionnement en régime linéaire. La zone de fonctionnement en régime linéaire est pilotée entre les instants t1 et t2.
Sur le graphique du milieu, on a représenté le signal de commande du commutateur 3, ici un signal de commande CS_Vgs, ici un signal de tension en Volt. Avant l’instant t1 de déclenchement de la reconnexion du système d’alimentation 30 au réseau de bord 20, le signal de commande CS_Vgs est piloté par l’unité de commande du véhicule à une valeur Vgs0 pilotant un état d’ouverture du commutateur, puis durant une phase de transition, entre t1 et t2, le signal de commande CS_Vgs est piloté à une valeur de palier Vgs1 maintenue constante durant toute la phase de transition. Le déclenchement de la phase de transition est piloté par exemple lorsque l’unité de commande du véhicule a détecté la fin de la procédure de redémarrage du moteur thermique.
Un courant de charge est alors transmis aux bornes de la batterie 1, ce qui entraine une phase de charge électrique et une augmentation de la tension de la batterie 1. Ensuite, à t2, l’unité de commande pilote la fermeture de l’interrupteur 3 en pilotant le signal de commande CS_Vgs à la valeur Vgs2 supérieure à la valeur Vgs1. La phase de transition peut durer environ 1s.
Sur le graphique inférieur, on a représenté la tension de la batterie V_bat. La batterie 1 est dans ce cas d’exemple connectée au générateur, qui est alors désactivé. On considère la situation de vie pour laquelle aucun équipement électronique est alimenté par la batterie. Au déclenchement de la phase de transition, la tension V_bat augmente progressivement.
Lorsque V_bat atteint un seuil de tension Vbat1 configuré pour déclencher la fermeture de l’interrupteur, la tension du réseau de bord générée par le convertisseur de tension s’impose à la batterie 1. La batterie se stabilise à la valeur Vbat2. Vbat1 est une valeur prédéterminée et mémorisée en mémoire de l’unité de commande pour l’exécution du procédé.
En figure 3, on a représenté une simulation électrique de la reconnexion du système d’alimentation de la batterie principale au réseau de bord à la suite d’un redémarrage du moteur thermique. La simulation représente le signal de commande du commutateur 3 CS_Vgs, la tension du réseau de bord Vrdb, la tension de la batterie principale Vbat et le courant aux bornes de la batterie principale Ibat.
Avant t1, conformément au procédé, l’unité de commande du véhicule commande l’alimentation du réseau de bord à une tension de 14,5V fournie par le convertisseur de tension et l’ouverture de l’interrupteur pour déconnecter électriquement l’ensemble d’alimentation du réseau de bord. La tension mesurée sur le réseau de bord est d’environ 14,3V du fait de la charge des équipements électroniques alimentés. Cette situation correspond dans ce cas d’application, à un instant suivant le démarrage du moteur thermique. Le signal de commande CS_Vgs est piloté à une valeur de 0V (dépendant de la technologie du commutateur 3). La tension Vbat est égale à une valeur d’environ 13V et le courant Ibat à ses bornes est nul.
A l’instant t1, l’unité de commande pilote le signal de commande CS_Vgs pour configurer le commutateur MOS 3 en fonctionnement de régime linéaire durant la phase de transition. Le signal de commande est piloté à une valeur Vgs1 de tension d’environ 4,2V. La valeur Vgs1 n’est aucunement limitative de l’invention et dépend de la technologie du commutateur. La valeur Vgs1 est maintenue constante jusqu’à ce que la tension de la batterie Vbat atteigne le seuil de tension à l’instant t2, configuré ici à une valeur d’environ 14V. Entre t1 et t2, on observe un courant de charge Ibat augmentant progressivement.
Lorsque l’unité de commande détecte à l’instant t2 que la tension Vbat est égale à la valeur du seuil de tension Vbat1, l’unité de commande pilote le signal de commande CS_Vgs à la valeur Vgs2 configurant l’interrupteur 3 dans un état de fermeture. On observe une chute de tension sur le réseau de bord d’environ 0,1V, ce qui est acceptable.
Après t2, le convertisseur 6 continue d’alimenter le réseau de bord 20 et recharge au besoin la batterie 1 et la batterie 4.
De préférence, le procédé s’applique à la suite du redémarrage du moteur thermique durant lequel on a isolé électriquement le réseau de bord du démarreur et de la batterie 1. Plus précisément, pendant l’ouverture de l’interrupteur, l’unité de commande pilote l’alimentation du générateur 2 par la batterie 1, le pilotage du générateur 2 (dans ce cas-ci ici alterno-démarreur) en mode démarreur et la commande d’une procédure de démarrage d’un moteur thermique du véhicule par l’alterno-démarreur. En variante, pendant l’ouverture de l’interrupteur, l’unité de commande pilote l’alimentation d’un démarreur du véhicule par la batterie 1 et ensuite la commande d’une procédure de démarrage du moteur thermique du véhicule par ledit démarreur. Le générateur 2 est alors un organe séparé du démarreur, mais également alimenté par la batterie 1.
Ensuite, la reconnexion de la batterie 1 au réseau de bord se fait conformément au procédé. En particulier, le procédé prévoit que la commande du signal de commande CS_Vgs pour débuter la phase de transition est déclenchée en cas de détection de la fin de la procédure de démarrage du moteur thermique.
Claims (8)
- Procédé de commande d’un système électrique (100) de véhicule automobile, le système (100) comprenant un réseau de bord (20) constitué d’équipements électriques (8, 9, 10), un convertisseur de tension (6) relié électriquement au réseau de bord (20), un ensemble d’alimentation (30) comprenant un stockeur d’énergie électrique (1), un générateur d’énergie électrique (2) relié électriquement audit stockeur (1) et un interrupteur composé d’un commutateur MOS (3) apte à connecter sélectivement l’ensemble d’alimentation (30) au réseau de bord (20), la tension de grille du commutateur MOS (3) étant pilotée par un signal de commande (CS_Vgs), le procédé comprenant les étapes suivantes :
- l’alimentation du réseau de bord (20) par une tension (CS_VA) fournie par le convertisseur de tension (6),
- le pilotage du signal de commande pour configurer le commutateur MOS (3) dans un état d’ouverture de sorte à déconnecter électriquement l’ensemble d’alimentation (30) du réseau de bord (20),
- le procédé étant caractérisé en ce qu’il comporte en outre les étapes successives suivantes:
- préalablement à une reconnexion de l’ensemble d’alimentation (30) au réseau de bord (20), le pilotage du signal de commande (CS_Vgs) pour configurer le commutateur MOS (3) en régime de fonctionnement linéaire durant une phase de transition prédéterminée de sorte à augmenter la tension du stockeur d’énergie électrique (1) progressivement durant la phase de transition,
- en cas de détection de la fin de la phase de transition prédéterminée, le pilotage du signal de commande (CS_Vgs) pour configurer le commutateur MOS (3) dans un état de fermeture de sorte à reconnecter l’ensemble d’alimentation (30) au réseau de bord (20).
- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal de commande (CS_Vgs) est un signal de tension piloté à une valeur de palier (Vgs1) prédéterminée durant la phase de transition lors du passage depuis la valeur (Vgs0) commandant l’état d’ouverture à la valeur (Vgs2) commandant l’état de fermeture.
- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la valeur de palier (Vgs1) est constante durant la phase de transition.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la fin de la phase de transition est détectée lorsque la tension (Vbat) du stockeur d’énergie électrique (1) atteint un seuil de tension prédéterminé (Vbat1).
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’il comporte en outre, lorsque l’ensemble d’alimentation (30) est déconnecté du réseau de bord (20), la commande d’une procédure de démarrage d’un moteur thermique du véhicule.
- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, le pilotage du signal de commande (CS_Vgs) pour configurer le commutateur MOS (3) en régime de fonctionnement linéaire est déclenché en cas de détection de la fin de la procédure de démarrage du moteur thermique.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en qu’il comporte en outre, lorsque l’ensemble d’alimentation (30) est déconnecté du réseau de bord (20), l’alimentation d’un stockeur d’énergie auxiliaire (4) par le convertisseur de tension (6).
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la tension (CS_VA) du convertisseur de tension (6) reste constante entre l’étape de commande d’ouverture de l’interrupteur (3) pour déconnecter le système d’alimentation (30) et l’étape de commande de fermeture de l’interrupteur (3).
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