FR3119242A1 - Méthode de prédiction de fin de vie des fusibles M-Effect - Google Patents

Méthode de prédiction de fin de vie des fusibles M-Effect Download PDF

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Abstract

L'invention concerne le diagnostic des fusibles automobiles du type M-Effect par la détermination de son état de santé (SoH) et la prédiction de sa fin de vie (EoL). Le procédé de diagnostic du fusible est basé sur la mesure de la température permettant de déduire la vitesse de l’échauffement de l’élément. Le rapport entre la valeur initiale maximale de la vitesse de l’élévation de la température et la valeur actuelle calculée pour un courant similaire détermine le SoH du fusible. Le procédé permettant la détermination de l’état de santé d’un fusible se basant sur la vitesse d’échauffement de l’élément pour un courant similaire de point vue magnitude et forme est applicable aux fusibles du type M-Effect ou tout autre technologie de limiteurs de courants en se basant solennellement sur l’implémentation de [Math. 5].

Description

Méthode de prédiction de fin de vie des fusibles M-Effect
L'invention concerne le diagnostic des fusibles automobiles permettant la sur-veillance de son état de santé (SoH) et la prédiction de sa fin de vie, générale-ment abrévié (EoL).
Plus particulièrement, l'invention concerne la prédiction de l'EoL et le pourcen-tage de l’état de santé (SoH) d'un fusible M-Effect en se basant sur de la vi-tesse de l’élévation de la température (δT/δt) ainsi que la température maximale enregistrée pour une intensité de courant donnée. Ces paramètres sont surveillés et enregistrés en mode fonctionnel puis comparés aux valeurs enregistrées comme référence lors de son fonctionnement initial. Le SoH est déterminé par le rapport de la vitesse de l’élévation de la température lors de la première mise en service du fusible ϒinitiale_max et la vitesse de l’élévation de la température ac-tuelle à l’instant de mesure ϒactuelle_max résultant d'un courant similaire de point de vue magnitude.
Le limiteur de courant est un dispositif utilisé principalement pour protéger les équipements électriques ou électroniques embarqués contre les courants exces-sifs et pour éviter les courts-circuits causés par des charges inadaptées.
Dans le secteur automobile, les fusibles assurent la sécurité et la protection des installations électriques et électroniques des véhicules. En effet, son rôle principal est de s'ouvrir lorsque des courants excessifs se produisent, soit en régime transitoire, soit en régime permanent, dépassant l'énergie de fusion I2t de l'élément. Cette situation survient lorsque la charge possède une impédance inférieure à sa valeur initiale. Dans certains cas, la dégradation ou la fin de vie d'une charge, par exemple moteur d'essuie-glaces, vannes, relais, etc., se manifeste sous la forme d'un court-circuit intégral. Ces cas énumérés nécessitent une limitation de courant afin d'éviter d'endommager l'installation.
En revanche, lorsque les éventualités citées ci-dessus ne sont pas présentes et que l'élément du fusible s'ouvre, cela ne peut être lié qu'à la fin de vie du fusible provoquée par la fatigue métallique. Par conséquent, une ou plusieurs fonctionnalités du véhicule ne seront plus disponibles. Le diagnostic des fusibles apparaît comme un besoin imminent qui garantit la disponibilité de certaines fonctionnalités vitales permettant le fonctionnement normal et la disponibilité d'un véhicule. Cet intérêt est de plus en plus en vue avec l'émergence des véhicules électriques et plus particulièrement des véhicules autonomes.
Plusieurs types de fusibles sont utilisés dans le secteur automobile tels que : les fusibles à lame (ATO), M-Effect, GBC, tube de verre, etc. Cependant, cette invention concerne plus particulièrement le diagnostic des fusibles de type M-Effect. Ils sont constitués d'une pièce métallique en cuivre étamé et d'une pastille d'étain placée au centre de l'élément et protégée par un boîtier en plastique. Le phénomène M-Effect est la diffusion d'un métal ayant une température de fusion très élevée dans un autre pour former un nouvel alliage avec un point de fusion inférieur.
La présence d'étain contrôle l'énergie de la fusion et sa température associée. A cet égard, la température de fusion du cuivre est de 1084°C et celle de l'étain est autour de 232°C. La présence d'étain permet de calibrer la température de fusion à une valeur bien inférieure. Au cours du temps, l'étain se fond et se pro-page progressivement à travers l'élément en cuivre conduisant à la formation d'un nouvel alliage de Cu/Sn ou d'autres interphases qui contrôlent la résistance du fusible et par conséquent sa réponse thermique.
Le passage du courant à travers l'élément du fusible génère une chaleur thermique qui induit une transformation progressive à sa composition métallique. Ceci pourrait être exprimé comme étant une forme de fatigue métallique. La réponse thermique du fusible aux courants varie avec le changement de son état de santé. Pour des conditions électriques similaires, l'élévation de la température d'un nouveau fusible est moins importante comparée à celle d’un fusible vieilli.
Pour analyser les réponses thermiques du fusible au cours du temps, les mesures de la température de l'élément doivent être traitées et enregistrées. Celles-ci peuvent être mesurées sur le boîtier du fusible (Tfw), sur la partie métallique (Tfld) et sur l'élément de fusible (Tfwout). Dans un cadre expérimental, ces températures pourraient être prises à trois endroits différents et peuvent être corrélées comme indiqué dans [Math. 6].
La variation de la température du fusible, lorsqu'un courant continu ou alternatif est appliqué, peut être représentée par le modèle suivant : lorsque T(t)> T_melt,I_p=0A , le fusible est ouvert.
Dans le cas d’un courant DC, les paramètres prendront les valeurs suivantes : avec, représente le temps de relaxation, représente le temps ON d’une impulsion, Ta indique la température ambiante, α est une constante exprimée en °C/A et dépend du courant nominal du fusible, Ip représente la magnitude du courant, a est une constante qui dépends des matériaux du fusible et du courant, c est une constante de la phase du refroidissement qui dépend des matériaux du fusible et
k représente la variable de l’échauffement et du refroidissement dont l’expression est la suivante : γ représente l’élévation de la température au cours du temps qui s’exprime de la manière suivante: avec,
n représente le nombre de pulse d’un courant; il doit être égal à 1 dans le cas d’un courant DC.
Expérimentalement, la variation de la température au cours du temps pourrait être bien représentée en utilisant une expression polynomiale comme indiqué ci-dessous : Où,
ζ est une constante qui dépend de la construction métallique du fusible, de l’amplitude du courant et de la température.
Le SoH du fusible M-Effect est donné par l’expression suivante : Où,
κ représente l’ordre de la première occurrence pour un courant donné.
j représente la jème élévation de la température calculée pour un cycle d’échauffement jusqu’à atteindre la température maximale pour un courant similaire au κème. pour des températures supérieures à 25°C.
Les figures annexées illustrent qui illustrent l’invention :
représente l'évolution de la température de l’élément du fusible M-Effect dans le cas d'un courant DC de 60A au cours du temps.
représente les changements de la température de 10 fusibles M-Effect en fonction du temps dans une chambre climatique à 110°C sous un courant pulsionnel avec une amplitude alternée entre 60A et 40A.
illustre l'évolution de la température du fusible, mesurée sur la borne de la sortie du courant, en fonction du temps pour une sélection des impulsions traduisant les phases de vieillissement du fusible.
illustre le comportement de la vitesse de la température du fusible en fonction du temps et le nombre des pulses de courants.
représente le SoH du fusible et l'évolution de la température maximale en fonction du nombre des pulses.
représente l'algorithme général pour la détermination du SoH et la prédiction de l'EoL pour le fusible M-Effect.
illustre le schéma électronique associé à l'algorithme général de détermination du SoH et de prédiction de l'EoL du fusible M-Effect.
illustre le mode de réalisation mécanique des fusibles M-Effect et les emplacements des capteurs de mesures de la température (RTD).
En se référant à la FIG.1, la variation de la température du fusible re-présente trois régions communes qui caractérisent la durée de vie du fusible au cours du temps. Une température de l’élément d’un fusible M-Effect sous un courant DC de 150% montre des zones divisées comme ci-dessous :
  • Echauffement rapide : sa durée et sa vitesse de la montée en température dépendent de l'état SoH du fusible.
  • Echauffement progressif : augmentation lente de la résistance du matériau et l'effet de vieillissement progresse en continu.
  • Pré-fusion : caractérisée par un épuisement total du réservoir d'étain, une modification structurelle importante et un échauffement soudain qui entraîne l'ouverture du fusible.
La zone "fusion du fusible" (4) indique que la température de la fusion est atteinte et que l'élément du fusible est ouvert.
montre l'évolution de la température mesurée sur le boîtier plastique de plusieurs nouveaux fusibles M-Effect placés dans une enceinte climatique à 110°C subissant un courant pulsionnel avec une alternance d'amplitude de 60A (6), (8) et (10) et de 40A (7) et (9). Le SoH du fusible pourrait être surveillé en fonction des limites des trois zones qui caractérisent la température. Le fusible numéro 1 possède un comportement de type nouveau fusible (17) et (18) tandis que le fusible numéro 8 est ouvert (16). On observe que dans les phases (6), (8) et (10) de la figure 2 (60A - fusible 8), la température du fusible montre un comportement d'inflexion différent (11), (12) et (13), et accompagné d'une augmentation des valeurs de la température maximale (14), (15) et (16). Sur la base de l'évolution de la température des fusibles, l'état de santé des fusibles est calculé en pourcentage au cours du temps. Durant la phase 10 de la figure 2, plusieurs fusibles s'approchent de la zone de pré-fusion. Le premier ouvert est le numéro 8, tandis que les autres sont classés comme des fusibles « très vieillis » comme dans le cas du fusible numéro 7, alors que le fusible numéro 1 est considéré comme vieilli. Ce dernier possède une réponse thermique identique sur toutes les zones d’échauffement progressif. La variation de la température lors de l’échauffement rapide est régie par la loi de l’échauffement de Newton. Cependant, lorsque les transformations métalliques de l'élément de fusion ont eu lieu, un changement de comportement en température se produit comme observé dans le cas des fusibles 7 et 8 qui passent directement à un état « vieilli ».
montre la réponse thermique des impulsions distinctes d'un fusible M-Effect 80A. La température est mesurée sur la borne métallique. Dans les con-ditions de test, le fusible est ouvert après 200 impulsions. Le changement de la température montre les trois domaines mode de la vie d'un fusible.
La vitesse de l’élévation de la température du fusible ϒ pour chaque pulse de courant est illustrée sur la figure 4. La température du fusible aug-mente avec le temps et elle possède un comportement spécifique à chaque va-leur du SoH. Durant la présence d’un courant, ϒ augmente et atteint une valeur maximale repérée ϒ_max puis elle diminue. Les fusibles dans un "nouvel état" atteignent leur ϒ_max après un seul changement de concavité, nommée la phase 1. Cependant, les fusibles « vieillis » atteignent leur ϒ_max après plusieurs changements de concavité, ce qui indique un changement de composition où l’épaisseur de l’interphase Cu/Sn devient plus épaisse. Lors de la phase 2, la vitesse d’échauffement du fusible prend au départ l’allure de la phase 1, agissant comme étant un « nouveau fusible » mais sous certaines contraintes de température. En effet, si la température, due au passage du courant, continue à s’élever, l’interphase continue à évoluer jusqu’à atteindre un alliage ayant une résistance ohmique élevée. Le mode 3, et en se référant à la figure 4, est caractérisé par une vitesse de l’élévation température similaire à la phase 1 mais à des températures et des vitesses beaucoup plus élevées.
montre le SoH et les mesures expérimentales de la température maximale pour un fusible M-Effect 80A. Les données expérimentales sont indiquées dans le tableau 1. Avec la fatigue métallique, la valeur de ϒ_max augmente ainsi que celles de T_max. La zone à risque est prise une fois que la valeur de T_max est au voisinage de 120°C où le SoH diminue considérablement.
L'algorithme de l’EoL des fusibles M-Effect est analysé en fonction de la température maximale mesurée sur la borne de fixation (sortie courant) et la vitesse maximale de la température pour chaque pulse mesuré et comparé à la vitesse maximale initiale de température à la première apparition d’un courant similaire.
La performance du fusible est surveillée dès la première mise en service « Start 1 », (27). La température du fusible sera mesurée en continu et souvent comparée à la température de risque Trisk, qui doit être inférieure à la température de fusion (29). La vitesse de température , (30), est calculée et la température maximale , (31), est mesurée jusqu'à la disparition du courant. Les valeurs mesurées sont traitées, puis enregistrées (33), en utilisant l'indexation où p indique la présence d'un nouveau courant : Pour des élévations de température ultérieures « Start j», des étapes de calcul similaires doivent être appliquées. Deux cas pourraient se produire : apparait pour la première fois (39), les paramètres calculés seront stockés comme suit : Dans le cas où le est déjà apparu, une recherche de la première occurrence κ du courant similaire se lance, (40), dans le but de faire appel à la valeur correspondante et de calculer la valeur SoH à l'aide de la formule [Math. 5], (41). L’EoL d’un fusible doit être annoncé dans le cas où le SoH est égal ou inférieur à une valeur spécifiée suivant l’importance de la fonction ou une valeur prédéfinie, par exemple 20%.
Le système électronique. FIG.7, permet d'utiliser l'algorithme de prédiction de l’EoL d'un fusible M-Effect. L'architecture comprend un microcontrôleur avec un chien de garde interne (43) caractérisé par une fréquence d'horloge allant jusqu'à 112 MHz. Il intègre des interfaces I2C, SPI, CAN et un convertisseur numérique analogique de type SAR (32 canaux) avec une résolution de 12 bits et une fréquence de conversion de 2 MHz à 50 MHz. Le circuit de mesure de la température comprend un étage de conditionnement basé sur le pont de Wheatstone, qui se compose de 3 résistances de mêmes valeurs et d'un capteur de température RTD ainsi qu'un amplificateur à gain réglable pour assurer la précision du signal (44). Le capteur de température pourrait être placé à différents endroits comme indiqué en (56), (57) à la sortie du courant, (55) sur le boîtier en plastique, ou à l’entrée du courant (52), (54). Le temps d'échantillonnage de la mesure n'est pas critique mais estimé à 20 ms. Le sous-ensemble (45) permet de mesurer le courant traversant le fusible. Il intègre un 25W/500µohm shunt de courant soudé sur la surface du circuit imprimé. Ce shunt pourrait être aussi un tampon en cuivre logé entre les inter-couches du circuit imprimé. L’étage (45) comprend aussi un amplificateur à gain réglable via les deux entrées logiques. Le circuit de stockage de configuration (46) intègre une mémoire EEPROM (2Mbit) qui communique en I2C avec le microcontrôleur, utilisé pour stocker les configurations initiales. Le circuit de mesure de la température ambiante (47) est composé d'un capteur de température à sortie numérique (I2C). Le circuit de stockage de données (48) est composé d'une mémoire flash (1 Gbit) qui communique en SPI avec le microcontrôleur. Les valeurs enregistrées dans cette mémoire flash sont les valeurs initiales et celles qui sont différentes, il n'est pas nécessaire d'enregistrer des valeurs récurrentes similaires en magnitudes. Le circuit de communication avec HMI (Human Machine Interface (49)) est composé d'un émetteur-récepteur CAN et d'un étage de filtrage intégrant une inductance de mode commun et une diode de suppression des transitoires.
Numéro du pulse Tmax ϒmax SoH
1 70.08 1.52 100.00
10 78.42 1.95 77.79
14 88.57 2.59 58.52
17 108.34 3.97 38.28
19 115.41 5.61 27.09
40 134.19 6.78 22.40
106 147.84 6.80 22.33
173 168.14 7.93 19.14
2001 180.44 8.56 17.74

Claims (7)

  1. Algorithme de diagnostic des fusibles M-Effect et système électronique permettant la prédiction de la fin de vie (EoL) et de l’état de santé (SoH) en pourcentage. Le SoH initial (27) est déterminé en suivant l'élévation de la température (28) et en la comparant à la température de risque (29). Lors de la mesure de la température (44) et (43), à la borne de sortie du courant (56), (57) ou à tout autre emplacement, sur le boitier en plastique (55), à la borne d’entrée (52), (54) ou à proximité du fusible, la vitesse d'élévation de la température γ (30) est constamment calculée jusqu'à ce que la valeur maximale, ϒmax, soit obtenue. Ensuite, Tmax(31) enregistrée devrait être inférieur à Trisk(29). La magnitude du courant (32) est calculée en divisant la tension lue par la résistance du shunt. Les variables selon [Math. 7] seront stockées dans une mémoire externe (48). Après la première mise en service où le SoH est à 100%, la jèmeaugmentation de température (34) est surveillée et comparée à Trisk(35). Ensuite, la vitesse de l’élévation de la température (36) est calculée en permanence jusqu'à ce que (37) soit atteinte. Le courant Ij (38) est calculé et comparé à toutes les valeurs des courants précédemment stockées. Si l'amplitude du courant s'est produite pour la première fois, [Math. 8] est enregistré. Sinon, une recherche de la première occurrence stockée (40) pour calculer le SoH (41) pour la jèmemesure de l’élévation de la température. Si le SoH est inférieur à 20% ou toute autre zone à risque préprogrammée (42), une alarme doit être déclenchée pour demander le changement de fusible via le bus CAN (49) ou tout autre communication embarquée sur véhicule.
  2. Détermination de l’état de santé (SoH) du fusible selon la revendication 1, dans le quelle le vieillissement est déterminé par la vitesse de l’élévation de la température comme indiqué dans [Math. 5] ceci est applicable à tout type de fusibles automobiles et non automobiles, à filament, en alliage métallique en bande ou à M-Effect.
  3. Système pour calculer l'état de santé (SoH) d'un fusible M-Effect et prédire la fin de vie (EoL) selon la revendication 1, dans lequel le calcul est basé uniquement sur la vitesse de l’élévation de la température de l'élément fusible [Math. 3] et la température maximale enregistrée pour des courants similaires.
  4. Méthode de corrélation de la température de l'élément fusible avec celle lue sur le plastique du boîtier [Math. 6] et (55) ou sur les parties métalliques du fusible (52), (54), (56) et (57), supposés être égaux à la température de l'élément de fusible, selon les revendications 1 et 2, dans lesquels la température de l'élément, soient être prises sur la surface du boîtier, sur les parties métalliques des fusibles ou autour, doivent être traitées et toujours comparées à Trisk(29) et (35).
  5. Une méthode pour compter le nombre de pulses conséquents pour le processus de vieillissement auquel le fusible a été soumis selon [Math. 1] et [Math. 2] tandis que le microcontrôleur (43) traite les signaux lus à partir de (45) relatifs à l'amplitude et à la forme actuelles, (tret tp). Désormais, la température instantanée T(t) de [Math. 1] est calculée et comparée à la valeur lue par le RTD (44) à des fins d'étalonnage.
  6. Procédé de détermination des caractéristiques du matériau de fusible M-Effect et de l'intensité nominale selon la revendication 4, dans lequel la constante α de [Math. 1] est calculée chaque fois qu'un changement de fusible défectueux dans la boîte à fusibles du véhicule se produit.
  7. Un dispositif où les capteurs de mesures de la température sont placés sur les parties métallique du fusible selon l'une quelconque des revendications précédentes, la température du fusible M-Effect est lue sur les bornes d’entrée ou de sortie du courant sont constamment comparées.
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