EP2870614B1 - Circuit electrique pour l'excitation d'au moins un electro-aimant - Google Patents

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EP2870614B1
EP2870614B1 EP13739761.8A EP13739761A EP2870614B1 EP 2870614 B1 EP2870614 B1 EP 2870614B1 EP 13739761 A EP13739761 A EP 13739761A EP 2870614 B1 EP2870614 B1 EP 2870614B1
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terminal
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Dominique Dupuis
Sébastien BROUCHET
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/18—Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings
    • H01F7/1805—Circuit arrangements for holding the operation of electromagnets or for holding the armature in attracted position with reduced energising current
    • H01F7/1816—Circuit arrangements for holding the operation of electromagnets or for holding the armature in attracted position with reduced energising current making use of an energy accumulator

Definitions

  • the switching system 5 may comprise an H-bridge formed by two arms 8 which extend in the example described between an input terminal 9 of the H-bridge and an output terminal 10 which is here ground.

Description

  • La présente invention concerne un circuit électrique pour l'excitation d'au moins un électro-aimant. L'excitation de l'électro-aimant permet de créer un champ magnétique qui peut être utilisé pour déplacer un élément réalisé dans un matériau ferro-magnétique. Lorsque le circuit est intégré à un injecteur de carburant d'un véhicule automobile, l'élément réalisé dans un matériau ferro-magnétique est par exemple une aiguille se déplaçant dans un corps de l'injecteur entre une position dans laquelle elle permet le passage du carburant vers une chambre de combustion du moteur thermique du véhicule et une position dans laquelle elle empêche le passage du carburant, le déplacement de cet élément s'effectuant sous l'effet du champ magnétique créé par l'électro-aimant.
  • D'autres applications sont par ailleurs possibles. Dans le cadre d'une utilisation dans un véhicule comprenant un moteur thermique, l'invention peut par exemple être appliquée à:
    • la commande d'une électro-vanne, par exemple d'une électro-vanne de purge canister,
    • la commande d'un moteur à courant continu d'un actionneur électrique du circuit d'admission ou d'échappement du moteur thermique, par exemple la commande d'un moteur actionnant une vanne EGR ou de toute autre vanne du circuit d'admission ou d'échappement, ou
    • la commande d'un moteur de compresseur électrique de suralimentation du moteur thermique du véhicule.
  • Il est connu, dans cette application pour l'injection de carburant, de générer une tension importante aux bornes de l'inductance formant l'électro-aimant à l'aide d'un étage générateur de surtension en élevant la tension disponible, cette surtension étant encore appelée « tension de boost ». Cet étage générateur comprend de façon connue une inductance, un condensateur et une diode, l'inductance étant chargée par la tension disponible et transférant l'énergie issue de cette charge au condensateur dont la décharge fournit la surtension.
  • Pour réduire l'encombrement et le coût associés à l'utilisation de l'étage générateur de surtension, il est connu par les brevets US 5 717 562 et US 5 936 827 d'utiliser l'inductance formant l'électro-aimant lors de la génération de la surtension. Dans ce but, on charge à partir de la tension disponible cette inductance avec un courant suffisamment faible pour ne pas générer un champ magnétique risquant de déplacer l'aiguille et donc d'ouvrir l'injecteur. L'énergie accumulée dans l'inductance est ensuite transférée au condensateur dont la décharge ultérieure conduit à l'application d'une surtension aux bornes de l'inductance qui est alors parcourue par un courant suffisant pour générer un champ magnétique déplaçant l'aiguille et ouvrant l'injecteur.
  • Une telle solution est contraignante car elle impose de s'assurer que le courant circulant dans l'inductance en vue de charger ultérieurement le condensateur reste faible pour éviter une injection non souhaitée de carburant.
  • On connaît encore par la demande FR 2 772 972 un dispositif de commande d'un électro-aimant permettant de faire circuler dans l'électro-aimant un courant de même sens depuis deux sources d'énergie électrique différentes.
  • Il existe un besoin pour fournir un circuit électrique pour l'excitation d'un électro-aimant qui soit relativement simple à utiliser, efficace, peu coûteux et peu encombrant.
  • L'invention vise à répondre à ce besoin et elle y parvient, selon l'un de ses aspects, à l'aide d'un circuit électrique pour l'excitation d'au moins un électro-aimant, comprenant :
    • une inductance formant l'électro-aimant, ladite inductance s'étendant entre une première borne et une deuxième borne,
    • une première unité de stockage d'énergie électrique,
    • une deuxième unité de stockage d'énergie électrique, et
    • un système de commutation interposé entre l'inductance et les unités de stockage d'énergie électrique, le système de commutation étant configuré pour :
      • permettre à du courant électrique positif issu de la première unité de stockage d'énergie électrique de circuler de la deuxième à la première borne de l'inductance, de manière à effectuer une première charge de l'inductance,
      • permettre à du courant électrique positif circulant de la deuxième à la première borne de l'inductance de circuler dans la deuxième unité de stockage d'énergie électrique, et
      • permettre à du courant électrique positif issu de la deuxième unité de stockage d'énergie électrique de circuler de la première à la deuxième borne de l'inductance, de manière à effectuer une deuxième charge de l'inductance.
  • Selon l'invention, lors de la première charge de l'inductance formant l'électro-aimant, l'inductance est chargée de façon inverse par rapport à la façon dont elle est chargée lors de la deuxième charge.
  • Ainsi, la première charge de l'inductance génère un champ magnétique différent de celui généré lors de la deuxième charge de l'inductance. De cette manière, on s'assure que l'effet recherché lors de la deuxième charge de l'inductance ne sera pas atteint lors de la première charge de l'inductance.
  • Lors d'une application pour déplacer une aiguille d'un injecteur de carburant, le déplacement de l'aiguille peut ne se produire que lors de la deuxième charge. L'aiguille est par exemple par défaut dans une position en butée contre une surface d'appui et le champ magnétique induit dans l'inductance lors de la première charge exerce une force sur l'aiguille en direction de cette surface d'appui. La première charge ne modifie ainsi pas la configuration de l'injecteur qui reste fermé. Lors de la deuxième charge, le champ magnétique induit dans l'inductance peut par contre exercer sur l'aiguille une force l'écartant de la surface d'appui et permettant ainsi un passage de carburant, ce qui entraîne l'ouverture de l'injecteur.
  • L'inductance formant l'électro-aimant est par exemple un solénoïde, ayant notamment une valeur d'inductance comprise entre 1 mH et 10 mH.
  • Le système de commutation peut comprendre un pont en H. Ce pont en H peut permettre d'inverser le sens du courant positif dans l'inductance formant l'électro-aimant.
  • Le pont en H peut comprendre deux bras s'étendant chacun entre une même borne d'entrée et une même borne de sortie, chaque bras comprenant deux interrupteurs entre lesquels un point milieu est relié à une borne respective de l'inductance.
  • Chaque bras peut comprendre deux interrupteurs bidirectionnels commandables ou deux interrupteurs unidirectionnels commandables. Chaque interrupteur comprend par exemple un transistor à effet de champ, bipolaire, ou de type IGBT.
  • Chaque borne de l'inductance peut être directement reliée à un point milieu d'un bras. En variante, au moins un composant intermédiaire, par exemple une résistance, peut être interposée entre une borne de l'inductance et un point milieu d'un bras.
  • Le système de commutation peut comprendre au moins un premier interrupteur disposé entre la première unité de stockage d'énergie électrique et la borne d'entrée du pont en H. Ce premier interrupteur est par exemple unidirectionnel et peut être commandable ou non.
  • Le système de commutation peut comprendre au moins un deuxième interrupteur disposé entre la deuxième unité de stockage d'énergie électrique et la borne d'entrée du pont en H.
  • Ce deuxième interrupteur est par exemple bidirectionnel et peut être commandable ou non.
  • Notamment pour une application pour un injecteur de carburant de véhicule, la première unité de stockage d'énergie électrique peut être une batterie. Dans ce cas, la deuxième unité de stockage d'énergie électrique peut être un condensateur. Le condensateur a par exemple une capacité de l'ordre d'un µF. La deuxième charge de l'inductance peut alors s'obtenir par décharge du condensateur formant la deuxième unité de stockage d'énergie électrique.
  • La première unité de stockage d'énergie électrique peut appliquer aux bornes de l'inductance lors de la première charge de celle-ci une tension de l'ordre de 12 V ou 14 V, cette première unité de stockage d'énergie électrique étant notamment la batterie alimentant le réseau de bord dans le cas d'une application à un véhicule automobile.
  • La deuxième unité de stockage d'énergie électrique peut appliquer aux bornes de l'inductance lors de la deuxième charge de celle-ci une tension comprise entre 50 V et 100 V, étant notamment de l'ordre de 80 V.
  • L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé d'excitation d'au moins un électro-aimant à l'aide d'un circuit électrique comprenant, outre ledit électro-aimant formé par une inductance s'étendant entre une première et une deuxième borne, une première unité de stockage d'énergie électrique, une deuxième unité de stockage d'énergie électrique, et un système de commutation interposé entre les unités de stockage d'énergie électrique et l'inductance,
    procédé dans lequel :
    • on commande le système de commutation pour qu'un courant électrique positif fourni par la première unité de stockage d'énergie électrique circule de la deuxième borne à la première borne de l'inductance, de manière à effectuer une première charge de ladite inductance,
    • on commande le système de commutation pour qu'un courant électrique positif circulant de la deuxième borne à la première borne de l'inductance alimente la deuxième unité de stockage d'énergie électrique, de manière à transférer à celle-ci l'énergie accumulée dans l'inductance, et
    • on commande le système de commutation pour qu'un courant électrique positif fourni par la deuxième unité de stockage d'énergie électrique circule de la première borne à la deuxième borne de l'inductance, de manière à effectuer une deuxième charge de l'inductance.
  • Comme mentionné ci-dessus, la première charge de l'inductance peut permettre la charge ultérieure de la deuxième unité de stockage d'énergie électrique, afin que l'énergie accumulée ensuite dans la deuxième unité de stockage d'énergie électrique soit transférée à l'inductance lors de la deuxième charge de celle-ci. Le procédé ci-dessus permet de ne pas induire le même champ magnétique lorsque l'inductance est alimentée par la première unité de stockage d'énergie électrique en vue de la charge ultérieure de la deuxième unité de stockage électrique et lorsque l'on utilise l'inductance est alimentée par la deuxième unité de stockage d'énergie électrique. Ainsi, dans le cas où le champ magnétique induit lorsque l'inductance est alimentée par la deuxième unité de stockage d'énergie électrique sert à déplacer un élément tel qu'une aiguille, l'alimentation de l'inductance par la première unité de stockage d'énergie électrique permet de charger ultérieurement la deuxième unité de stockage d'énergie électrique sans déplacer cet élément.
  • La tension appliquée à l'inductance par la première unité de stockage d'énergie électrique lors de la première charge de l'inductance peut être inférieure à la tension appliquée à l'inductance par la deuxième unité de stockage d'énergie électrique lors de la deuxième charge de l'inductance, étant notamment respectivement de l'ordre de 12 ou 14 V et de l'ordre de 80 V.
  • Tout ou partie des caractéristiques ci-dessus d'appliquent au procédé d'excitation, en particulier avec une première unité de stockage d'énergie électrique étant une batterie et une deuxième unité de stockage d'énergie électrique étant un condensateur, auquel cas la deuxième charge de l'inductance s'obtient en déchargeant le condensateur.
  • L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple non limitatif de mise en oeuvre de celle-ci et à l'examen du dessin annexé sur lequel :
    • la figure 1 représente de façon schématique un exemple de circuit électrique selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, et
    • les figures 2 à 4 représentent le circuit électrique de la figure 1 lors de différentes étapes en vue de l'excitation de l'électro-aimant.
  • L'exemple décrit se rapporte à un circuit électrique 1 pour l'excitation d'un électro-aimant pour l'injection de carburant dans un véhicule automobile. Cet exemple n'est cependant pas limitatif, comme expliqué plus loin.
  • Le circuit 1 est embarqué sur le véhicule et l'excitation de l'électro-aimant permet de créer un champ magnétique déplaçant une aiguille pour contrôler l'injection de carburant dans une chambre de combustion du moteur thermique du véhicule. L'invention n'est cependant pas limitée à cette application.
  • Comme représenté sur la figure 1, le circuit 1 comprend une première unité de stockage d'énergie électrique 2, une deuxième unité de stockage d'énergie électrique 3, une inductance 4 formant un électro-aimant, et un système de commutation 5. La première unité de stockage d'énergie électrique 2 est dans l'exemple considéré une batterie alimentant le réseau de bord du véhicule tandis que la deuxième unité de stockage d'énergie électrique est un condensateur de puissance.
  • L'inductance 4 est dans cet exemple un solénoïde présentant une première borne 6 et une deuxième borne 7.
  • Comme on peut le voir sur la figure 1, le système de commutation 5 peut comprendre un pont en H formé par deux bras 8 qui s'étendent dans l'exemple décrit entre une borne d'entrée 9 du pont en H et une borne de sortie 10 qui est ici la masse.
  • Chaque bras 8 comprend dans l'exemple décrit deux interrupteurs électroniques 11 et un organe de mesure de courant 12. Chaque interrupteur électronique est par exemple un transistor tel qu'un transistor à effet de champ ou un transistor de type IGBT.
  • Entre les deux interrupteurs électroniques 10 se trouve un point milieu 13. Le point milieu 13 d'un bras 8, appelé « premier bras » par la suite, est relié à la première borne 6 du solénoïde 4 tandis que le point milieu 13 de l'autre bras 8, appelé « deuxième bras » par la suite, est relié à la deuxième borne 7 du solénoïde 4.
  • Dans un souci de clarté de la description, les interrupteurs électroniques 11 de l'exemple de la figure 1 sont respectivement désignés par S1, S2, S3 et S4, S1 correspondant à l'interrupteur électronique 10 en haut du premier bras 8, S2 correspondant à l'interrupteur électronique 10 en bas du premier bras 8, S3 correspondant à l'interrupteur électronique 10 en haut du deuxième bras 8 et S4 correspondant à l'interrupteur électronique 10 en bas du deuxième bras 8.
  • Comme représenté sur la figure 1, le système de commutation 5 comprend encore dans l'exemple considéré un premier interrupteur 15 interposé entre la borne d'entrée 9 du pont en H et la borne positive de la première unité de stockage d'énergie électrique 2 et un deuxième interrupteur 16 interposé entre la borne d'entrée 9 du pont en H et la borne positive de la deuxième unité de stockage d'énergie électrique 3.
  • Dans l'exemple considéré, le premier interrupteur 15 est non commandable. Il est également dans cet exemple unidirectionnel, s'agissant d'une diode. Toujours dans cet exemple, le deuxième interrupteur 16 est commandable. Il peut être bidirectionnel, étant notamment alors un transistor.
  • On va maintenant décrire en référence aux figures 2 à 4 un exemple de commande du système de commutation 5 lorsque l'on souhaite déplacer l'aiguille de l'injecteur pour injecter du carburant dans une chambre de combustion du moteur thermique.
  • On commande d'abord le système de commutation 5 de manière à charger le solénoïde 4 à partir de la première unité de stockage d'énergie électrique 2, comme représenté sur la figure 2. On commande ainsi les interrupteurs S2 et S3 de manière à ce que ces derniers soient passants pour que le courant positif i1 fourni par la première unité de stockage d'énergie électrique 2 circule de la deuxième borne 7 vers la première borne 6 du solénoïde 4. L'interrupteur 16 est à ce stade commandé pour être ouvert, de manière à ce que seule la première unité de stockage d'énergie électrique 2 puisse alimenter le solénoïde 4.
  • Cette circulation du courant positif i1 dans le solénoïde 4 induit un champ magnétique B 1. Ce champ magnétique exerce par exemple une force sur l'aiguille de l'injecteur qui ne permet pas le déplacement de cette aiguille, par exemple parce que ladite force tend à déplacer l'aiguille au-delà d'une position dans laquelle elle est déjà en butée. Le courant i1 circulant dans le solénoïde peut être mesuré dans l'organe de mesure 12 du premier bras 8. Le solénoïde 4 est ainsi magnétisé.
  • On commande ensuite, comme représenté sur la figure 3, le système de commutation 5 de manière à ce que l'énergie préalablement accumulée dans le solénoïde soit transférée au condensateur 3. Les interrupteurs S2 et S3 sont alors ouverts tandis que les interrupteurs S1 et S4 sont commandés pour être à l'état passant, tout comme l'interrupteur 16. Du fait de cette configuration du système de commutation 5 et du choix d'une diode pour réaliser le premier interrupteur 15, le courant positif i1 qui circulait de la deuxième borne 7 vers la première borne 6 du solénoïde circule dans le condensateur 3, de manière à charger ce dernier. Le courant i1 circulant dans le solénoïde peut être mesuré dans l'organe de mesure 12 du deuxième bras 8. Aucun courant ne circule à ce stade vers la première unité de stockage d'énergie électrique 2. On transfère ainsi l'énergie du solénoïde 4 vers le condensateur 3.
  • On commande ensuite, comme représenté sur la figure 4, le système de commutation 5 de manière à ce qu'un courant positif i2 fourni par la deuxième unité de stockage d'énergie électrique 3 préalablement chargée circule de la première borne 6 vers la deuxième borne 7 du solénoïde. Dans ce but, les interrupteurs S1, S4 et l'interrupteur 16 sont passants tandis que les interrupteurs S2 et S3 sont ouverts. Le courant i2 circulant dans le solénoïde peut être mesuré dans l'organe de mesure 12 du deuxième bras 8
  • La tension appliquée par la deuxième unité de stockage d'énergie électrique 3 aux bornes du solénoïde 4 est par exemple alors de l'ordre de 80 V. Cette alimentation électrique du solénoïde 4 par la deuxième unité de stockage d'énergie électrique 3 induit un champ magnétique B 2 de direction opposée à celle du champ B 1 ci-dessus. Une force peut alors être exercée sur l'aiguille de l'injecteur et déplacer celle-ci dans une position dans laquelle du carburant est injecté dans la chambre de combustion du moteur thermique du véhicule.
  • L'invention n'est pas limitée à l'exemple d'application à l'injection de carburant qui vient d'être décrit.
  • Dans le cadre d'une utilisation dans un véhicule comprenant un moteur thermique, l'invention peut par exemple être appliquée à:
    • la commande d'une électro-vanne, par exemple d'une électro-vanne de purge canister,
    • la commande d'un moteur à courant continu d'un actionneur électrique du circuit d'admission ou d'échappement du moteur thermique, par exemple la commande d'un moteur actionnant une vanne EGR ou de toute autre vanne du circuit d'admission ou d'échappement, ou
    • la commande d'un moteur de compresseur électrique de suralimentation du moteur thermique du véhicule.
  • L'expression « comprenant un » doit être comprise comme synonyme de l'expression « comprenant au moins un », sauf lorsque le contraire est spécifié.

Claims (10)

  1. Circuit électrique (1) pour l'excitation d'au moins un électro-aimant (4), comprenant :
    - une inductance (4) formant l'électro-aimant, ladite inductance (4) s'étendant entre une première borne (6) et une deuxième borne (7),
    - une première unité de stockage d'énergie électrique (2),
    - une deuxième unité de stockage d'énergie électrique (3), et
    - un système de commutation (5) interposé entre l'inductance (4) et les unités de stockage d'énergie électrique (2, 3) caractérisé en ce que, le système de commutation (5) est configuré pour:
    - permettre à du courant électrique positif (i1) issu de la première unité de stockage d'énergie électrique (2) de circuler de la deuxième (7) à la première (6) borne de l'inductance (4), de manière à effectuer une première charge de l'inductance (4),
    - permettre à du courant électrique positif (i1) circulant de la deuxième (7) à la première (6) borne de l'inductance (4) de circuler dans la deuxième unité de stockage d'énergie électrique (3), et
    - permettre à du courant électrique positif (i2) issu de la deuxième unité de stockage d'énergie électrique (3) de circuler de la première (6) à la deuxième (7) borne de l'inductance (4), de manière à effectuer une deuxième charge de l'inductance (4).
  2. Circuit électrique selon la revendication 1, le système de commutation (5) comprenant un pont en H.
  3. Circuit électrique selon la revendication 2, le pont en H comprenant deux bras (8) s'étendant chacun entre une même borne d'entrée (9) et une même borne de sortie (10), chaque bras (8) comprenant deux interrupteurs (11) entre lesquels un point milieu (13) est relié à une borne respective (6, 7) de l'inductance (4).
  4. Circuit électrique selon la revendication 3, le système de commutation (5) comprenant au moins un premier interrupteur (15) disposé entre la première unité de stockage d'énergie électrique (2) et la borne d'entrée (9) du pont en H.
  5. Circuit électrique selon la revendication 3 ou 4, le système de commutation (5) comprenant au moins un deuxième interrupteur (16) disposé entre la deuxième unité de stockage d'énergie électrique (3) et la borne d'entrée (9) du pont en H.
  6. Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes, la première unité de stockage d'énergie électrique (2) étant une batterie.
  7. Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes, la deuxième unité de stockage d'énergie électrique (3) étant un condensateur.
  8. Procédé d'excitation d'au moins un électro-aimant (4) à l'aide d'un circuit électrique (1) comprenant, outre ledit électro-aimant formé par une inductance (4) s'étendant entre une première (6) et une deuxième (7) borne, une première unité de stockage d'énergie électrique (2), une deuxième unité de stockage d'énergie électrique (3) et un système de commutation (5) interposé entre les unités de stockage d'énergie électrique (2, 3) et l'inductance (4), procédé dans lequel, dans l'ordre suivant,
    - on commande le système de commutation (5) de manière à ce qu'un courant positif (i1) fourni par la première unité de stockage d'énergie électrique (2) circule de la deuxième borne (7) à la première borne (6) de l'inductance (4), de manière à effectuer une première charge de ladite inductance (4),
    - on commande le système de commutation (5) de manière à ce qu'un courant positif (i1) circulant de la deuxième borne (7) à la première borne (6) de l'inductance (4) alimente la deuxième unité de stockage d'énergie électrique (3), de manière à transférer à celle-ci l'énergie accumulée dans l'inductance (4), et
    - on commande le système de commutation (5) de manière à ce qu'un courant positif (i2) fourni par la deuxième unité de stockage d'énergie électrique (3) circule de la première borne (6) à la deuxième borne (7) de l'inductance (4), de manière à effectuer une deuxième charge de l'inductance (4).
  9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la tension appliquée à l'inductance (4) par la première unité de stockage d'énergie électrique (2) lors de la première charge de l'inductance (4) est inférieure à la tension appliquée à l'inductance par la deuxième unité de stockage d'énergie électrique (3) lors de la deuxième charge de l'inductance (4).
  10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la première unité de stockage d'énergie électrique (2) est une batterie et dans lequel la deuxième unité de stockage d'énergie électrique (3) est un condensateur.
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