Composant électronique destiné à être embarqué sur un véhicule
La présente invention concerne un composant électronique destiné à être embarqué sur un véhicule. Un tel composant assure par exemple l’alimentation électrique d’une unité de stockage d’énergie électrique de véhicule, et il est encore appelé « chargeur » de cette d’unité de stockage d’énergie électrique. L’unité de stockage d’énergie électrique est par exemple une batterie, pouvant présenter une tension nominale supérieure à 60V, par exemple supérieure ou égale à 300V, à 400V, à 800V, voire à 1000V. Ce composant comprend dans un exemple connu :
- un onduleur/redresseur recevant en entrée une tension alternative et fournissant en sortie une tension continue, et
- un convertisseur DC/DC disposé en aval de l’onduleur/redresseur et connecté à l’unité de stockage d’énergie électrique.
Il existe un besoin pour améliorer encore de tels composants.
L’invention a pour but de répondre à ce besoin et elle y parvient, selon l’un de ses aspects, à l’aide d’un composant électronique pour la charge d’une unité de stockage d’énergie électrique, comprenant :
- un connecteur apte à être branché à un réseau électrique fournissant une tension alternative à une première fréquence,
- un onduleur/redresseur, et
- notamment un convertisseur DC/DC, l’onduleur/redresseur étant disposé en série entre le connecteur et le convertisseur DC/DC, le composant comprenant un dispositif de détection d’un défaut d’isolement entre la terre et l’un au moins du neutre et d’une phase de la tension alternative, ce dispositif comprenant :
- une entrée connectée au neutre de la tension alternative,
- une sortie connectée à la terre,
- un générateur d’une tension alternative à une deuxième fréquence inférieure à la première fréquence,
- une impédance, notamment une résistance de mesure, disposée entre l’entrée et la sortie, une détection d’un défaut d’isolement étant effectuée en fonction de la valeur d’une grandeur électrique associée à cette impédance.
La présence d’un tel dispositif de détection de défaut d’isolement permet un fonctionnement du composant électronique en mode inverse, une charge ou le réseau électrique étant alors alimenté depuis l’unité de stockage d’énergie électrique. La détection de défaut d’isolement garantit la sécurité d’utilisateurs au contact de la charge ou du réseau électrique. La charge peut être quelconque, englobant notamment l’unité de stockage d’énergie d’un autre
véhicule selon une configuration dite V2V (« vehicle to vehicle » en anglais) ou tout équipement d’une habitation ou d’un local.
L’injection d’une tension alternative à la deuxième fréquence permet de pouvoir détecter un défaut d’isolement aussi bien entre la terre et le neutre qu’entre la terre et la phase, à l’aide d’un dispositif de détection d’un défaut d’isolement ayant son entrée uniquement connectée au neutre de la tension alternative. Une connexion à la phase de la tension alternative n’est alors pas nécessaire.
Au sein du composant, le neutre et la terre sont de préférence isolés. Lorsque le composant est embarqué sur un véhicule, son châssis est par exemple à la terre et la distance d’isolement et les lignes de fuite par rapport au châssis peuvent alors être conformes à la norme IEC 60664-4. Le cas échéant, la ou les phases de la tension alternative sont également isolées par rapport à la terre. La distance d’isolement et les lignes de fuites de cette ou ces phases par rapport au châssis est par exemple conforme à la norme IEC 60664-4.
Le dispositif de détection d’un défaut d’isolement comprend par exemple un système de détermination déterminant la valeur de la grandeur électrique associée à l’impédance, par exemple la tension aux bornes de cette impédance ou le courant circulant dans cette impédance. Cette détermination se fait par exemple par une mesure.
Le dispositif de détection d’un défaut d’isolement peut comprendre un interrupteur commandable, configuré pour interrompre la circulation de courant entre l’entrée et l’impédance. Ainsi, cet interrupteur permet lorsqu’il est ouvert qu’il n’y ait pas de perte de courant à travers le dispositif de détection de défaut d’isolement.
Cet interrupteur commandable est par exemple un relais électrotechnique. L’invention n’est cependant pas limitée à un tel exemple, d’autres interrupteurs étant possibles, par exemple un relais statique à base de coupleurs optiques et/ou de transistor MOS et/ou de transistor IGBT.
La grandeur électrique associée à l’impédance est par exemple la tension aux bornes de l’impédance. En variante, cette grandeur électrique est par exemple le courant qui circule dans cette l’impédance.
L’impédance est par exemple disposée par rapport à l’entrée et la sortie du dispositif de détection d’un défaut d’isolement de manière à ce que la tension aux bornes de l’impédance s’obtienne de la tension entre l’entrée et la sortie du dispositif de détection d’un défaut d’isolement par pont diviseur de tension.
Le système de détermination peut comprendre :
- un étage d’amplification de la tension aux bornes de l’impédance, et
- un étage de filtrage de la composante qui est à la première fréquence dans cette tension.
Un tel système de détermination permet d’utiliser pour détecter un défaut d’isolement un signal généré sur la base de la tension à la deuxième fréquence. En effet, lorsque l’interrupteur commandable est fermé, la circulation d’un courant est permise à travers l’impédance entre le neutre de la tension alternative et la terre. Dans un tel cas, si un défaut d’isolement entre une phase et la terre existe, une résistance de défaut existe alors entre cette phase et la terre. La tension phase-neutre pour cette phase à la première fréquence, ainsi que la tension générée par le générateur du dispositif de détection d’un défaut d’isolement à la deuxième fréquence, sont alors appliquées à l’impédance et à cette résistance de défaut. Par application de pont diviseur de tension, on peut ainsi obtenir la valeur de la tension, aussi bien selon sa composante à la première fréquence que selon sa composante à la deuxième fréquence, qui est appliquée aux bornes de l’impédance. L’étage de filtrage permet d’isoler la composante de cette tension à la deuxième fréquence.
Si un défaut d’isolement entre le neutre et la terre existe, une résistance de défaut existe alors entre le neutre et la terre. La tension à la deuxième fréquence fournie par le générateur du dispositif de détection de défaut d’isolement est alors appliquée à l’impédance et à cette résistance de défaut. Par application de pont diviseur de tension, on peut ainsi déduire la valeur de la tension aux bornes de l’impédance. En l’absence de défaut d’isolement entre neutre et terre, la tension aux bornes de l’impédance est nulle.
L’étage d’amplification du système de détermination du dispositif de détection d’un défaut d’isolement peut mettre en œuvre une amplification différentielle, et/ou l’étage de filtrage peut mettre en œuvre un filtre passe-bas. L’amplification différentielle permet de faciliter le traitement de la tension à la deuxième fréquence.
L’étage de filtrage est par exemple un filtre passe-bas dont la fréquence de coupure peut être de 50 Hz. Toute autre valeur de fréquence de coupure permettant de filtrer la composante qui est à la première fréquence dans la tension aux bornes de l’impédance est possible.
Le composant peut comprendre une unité de traitement configurée pour déduire de la valeur de tension déterminée l’un au moins:
- d’un défaut d’isolement entre la phase et la terre, et
- d’un défaut d’isolement entre le neutre et la terre.
Cette unité de traitement peut appartenir au dispositif de détection d’un défaut d’isolement, par exemple au système de détermination, ou être une unité de traitement distincte de ce dispositif. Cette unité de traitement est par exemple intégrée à la commande de l’ondu- leur/redresseur. Dans une variante, cette une unité de traitement est par exemple intégrée à un module de commande de la transmission (appelé « TCU » en anglais, ou à un module de commande du véhicule (appelé « VCU » en anglais).
L’unité de traitement est par exemple configurée pour déduire de la valeur de tension mesurée aux bornes de l’impédance l’une au moins de :
- la valeur de l’impédance entre le neutre et la terre et,
- la valeur de l’impédance entre la phase et la terre.
Lorsque la valeur d’impédance ainsi déduite est inférieure à une valeur seuil, un défaut d’isolement peut être détecté et générer des alarmes. La valeur seuil est par exemple 500'Q/V, comme prescrit par la norme GBT 184874 -20XX.
Dans tout ce qui précède, le rapport entre la première fréquence et la deuxième fréquence peut être supérieur à 5, notamment supérieur à 10. La première fréquence est par exemple égale à 50Hz ou à 60Hz, et la deuxième fréquence peut être comprise entre 1Hz et 5Hz, étant notamment égale à 2Hz. La tension fournie par le générateur du dispositif de détection d’un défaut d’isolement peut présenter une amplitude de quelques V, par exemple une tension comprise entre 0 et 5V II peut s’agir d’une tension sinusoïdale.
Dans tout ce qui précède, le composant peut comprendre un étage de filtrage du courant alternatif, cet étage de filtrage étant disposé en série entre le connecteur et l’onduleur/re- dresseur. Cet étage de filtrage permet par exemple, lorsque la tension alternative est polyphasée, un filtrage du courant de mode commun et/ou un filtrage du courant différentiel.
Dans ce cas, l’entrée du dispositif de détection d’un défaut d’isolement peut être disposée en série entre l’étage de filtrage et l’onduleur/redresseur. En variante, l’entrée du dispositif de détection d’un défaut d’isolement peut être disposée en série entre l’étage de filtrage et le connecteur.
Dans tout ce qui précède, la tension du réseau peut être polyphasée, notamment triphasée. Cette tension peut présenter une fréquence de 50 Hz ou 60 Hz et une valeur efficace de 230V ou 240V. En variante, la tension du réseau peut être monophasée.
Dans tout ce qui précède, l’unité de stockage d’énergie électrique est par exemple une batterie, pouvant présenter une tension nominale supérieure à 60V, par exemple supérieure ou égale à 300V, à 400V, à 800V, voire à 1000V.
Dans tout ce qui précède, l’impédance à laquelle le système de détermination est associé peut être une résistance. D’autres réalisations sont possibles, comme une inductance ou un condensateur.
Dans tout ce qui précède, l’onduleur/redresseur et le dispositif de détection d’un défaut d’isolement entre la terre et l’un au moins du neutre et d’une phase de la tension alternative peuvent être contenus dans un même boîtier du composant. L’onduleur/redresseur et le dispositif de détection d’un défaut d’isolement sont par exemple en permanence physiquement
solidaires l’un de l’autre au sein du composant, contrairement au cas où le dispositif de détection d’un défaut d’isolement serait logé dans un interconnecteur entre le composant et le réseau électrique, cet interconnecteur n’étant alors électriquement connecté au composant que lorsque le composant échange de l’énergie électrique avec le réseau électrique. Le dispositif de détection d’un défaut d’isolement est par exemple porté en tout ou partie par une des cartes du composant, par exemple par la carte de puissance de l’onduleur/redresseur du composant et/ou par la carte de commande de cet onduleur/redresseur.
Le composant électronique peut comprendre, dans un même boîtier ou non, un onduleur/redresseur et un convertisseur DC/DC. Le convertisseur DC/DC présente par exemple une isolation galvanique, notamment via un transformateur tel qu’un transformateur triphasé. Le dispositif de détection d’un défaut d’isolement est par exemple monté sur l’onduleur/redresseur, et il peut être reçu contre la paroi interne du boîtier.
Dans le cas où le boîtier est commun à l’onduleur/redresseur et au convertisseur DC/DC, le boîtier peut présenter deux zones de hauteur différente, l’une de ces zones accueillant l’onduleur/redresseur et l’autre de ces zones accueillant le convertisseur DC/DC. Le dispositif de détection d’un défaut d’isolement peut alors être reçu dans une excroissance de la zone la plus haute.
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé de détection d’un défaut d’isolement entre la terre et l’un au moins du neutre et d’une phase de la tension alternative circulant dans un composant électronique comprenant :
- un connecteur branché à un réseau électrique ou à une charge,
- un onduleur/redresseur, et
- notamment un convertisseur DC/DC, l’onduleur/redresseur étant disposé en série entre le connecteur et le convertisseur DC/DC, procédé dans lequel on utilise un dispositif de détection d’un défaut d’isolement comprenant :
- une entrée connectée au neutre de la tension alternative,
- une sortie connectée à la terre,
- un générateur d’une tension alternative à une deuxième fréquence inférieure à la première fréquence,
- une impédance, notamment une résistance de mesure, disposée entre l’entrée et la sortie, une détection d’un défaut d’isolement étant effectuée en fonction de la valeur d’une grandeur électrique associée à cette impédance.
Tout ou partie de ce qui a été mentionné ci-dessus en rapport avec le composant s’applique encore au procédé ci-dessus.
Le dispositif de détection d’un défaut d’isolement peut comprendre un interrupteur commandable, notamment un relais électrotechnique, configuré pour interrompre la circulation de courant entre l’entrée et la résistance, et cet interrupteur peut être commandé pour qu’il soit fermé tant que le courant circule depuis l’unité de stockage d’énergie électrique vers le connecteur.
Selon le procédé ci-dessus, l’onduleur/redresseur peut être commandé en onduleur, de manière à ce que le réseau électrique ou la charge soit alimenté en tension alternative depuis le composant.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d’exemples non limitatifs de mise en œuvre de celle-ci :
- [Fig.l] représente un composant électronique assurant l’alimentation électrique d’une unité de stockage d’énergie électrique de véhicule,
- [Fig.2] représente une partie du composant électronique de la figure 1, comprenant également un dispositif de détection d’un défaut d’isolement selon un exemple de mise en œuvre de l’invention,
- [Fig.3] est une modélisation du composant de la figure 2 en cas de défaut d’isolement entre une phase de la tension alternative et la terre,
- [Fig.4] est une modélisation du composant de la figure 2 en cas de défaut d’isolement entre le neutre de la tension alternative et la terre,
- [Fig.5] est une vue de la figure 2 sur laquelle un exemple de réalisation du système de mesure du dispositif de détection d’un défaut d’isolement est représenté, et
- [Fig.6] représente de façon structurelle un composant électronique avec son boîtier.
On a représenté sur la figure 1 un composant électronique 2 pour la charge d’une unité de stockage d’énergie électrique 4. Ce composant électronique 2 comprend :
- un connecteur 5 apte à être branché à un réseau électrique fournissant une tension alternative,
- un onduleur/redresseur 6, et
- un convertisseur DC/DC 8.
Comme on peut le voir sur la figure 1, l’onduleur/redresseur 6 est ici disposé en série entre le connecteur 5 et le convertisseur DC/DC 8.
L’unité de stockage d’énergie électrique 4 est ici une batterie utilisée pour l’alimentation électrique d’une machine électrique de propulsion de véhicule. Cette batterie présente par exemple une tension nominale supérieure à 60V, notamment à 300V, notamment à 400V, notamment à 800V, voire à 1000V.
Le réseau électrique est par exemple un réseau triphasé véhiculant une tension à une première fréquence qui est de 50Hz ou 60Hz et dont la valeur efficace est de 230V ou 240V.
Comme représenté sur la figure 1, un étage de filtrage 10 du courant alternatif peut être prévu, cet étage de filtrage 10 étant ici disposé en série entre le connecteur 5 et l’ondu- leur/redresseur 6. Cet étage de filtrage 10 permet par exemple, lorsque la tension alternative est polyphasée, un filtrage du courant de mode commun et/ou un filtrage du courant différentiel.
Le cas échéant, de manière facultative, un autre étage de filtrage 11 du courant continu peut être présent, étant alors disposé en série entre le convertisseur continu/continu 8 et l’unité de stockage d’énergie électrique 4, comme représenté sur la figure 1.
Le convertisseur DC/DC 8 est par exemple un convertisseur résonant, par exemple de type CLLC.
Selon l’invention, le composant 2 comprend un dispositif de détection d’un défaut d’isolement 1 entre l’un au moins :
- d’une phase de la tension alternative et la terre, et
- du neutre de la tension alternative et la terre.
Selon l’exemple représenté à la figure 2, le dispositif de détection de défaut d’isolement 1 présente une entrée 12 qui peut être connectée à la tension alternative entre l’étage de filtrage 10 et l’onduleur/redresseur 6 ou qui peut être connectée à la tension alternative entre le connecteur 5 et l’étage de filtrage 10. Dans l’exemple de la figure 1, la connexion du dispositif de détection de défaut d’isolement s’effectue entre le connecteur 5 et l’étage de filtrage 10.
Le dispositif de détection 1 permet de détecter un défaut d’isolement entre la terre et le neutre N, ou un défaut d’isolement entre une phase Ll, L2, L3 de la tension alternative et la terre. Ce dispositif de détection 1 comprend encore une sortie 15 connectée à la terre, une impédance 16, qui est dans cet exemple précis une résistance de mesure, et il comprend ici un système de détermination 18 de la tension aux bornes de cette résistance de mesure 16. Le dispositif de détection 1 comprend également un générateur 19 fournissant une tension alternative à une deuxième fréquence, par exemple de 2Hz, et dont l’amplitude peut être de l’ordre de quelques V, par exemple 3V.
Le composant électronique 2 comprend encore une unité de traitement 20 mettant en œuvre un ou plusieurs microcontrôleurs. Cette unité de traitement 20 peut être intégrée au dispositif de détection 1 et dédiée à ce dernier. Le cas échéant, cette unité de traitement est
confondue avec le système de détermination 18. En variante, l’unité de traitement 20 appartient à une commande centralisée du véhicule, encore appelée « VCU », ou encore à une commande de l’onduleur/redresseur 6.
On constate sur la figure 2 que le dispositif 1 comprend, en plus des éléments précités un interrupteur électronique 25, qui est ici un relais, et son circuit de commande 26.
On constate également qu’une résistance 29 est montée en série entre l’interrupteur 25 et la résistance de mesure 16, cette résistance 29 définissant avec la résistance de mesure 16 un montage de type pont diviseur de tension.
Le fonctionnement du dispositif de détection 1 d’un défaut d’isolement décrit en référence à la figure 2 va maintenant être expliqué en référence aux figures 3 et 4 qui modélisent respectivement le cas d’un défaut d’isolement entre la phase L1 et la terre, et le cas d’un défaut d’isolement entre le neutre N et la terre. Dans cet exemple, du courant circule depuis l’unité de stockage d’énergie électrique 4 vers le connecteur 5, et l’interrupteur 25 est commandé pour rester fermé.
La figure 3 correspond au cas où un défaut d’isolement existe entre la phase L1 et la terre. Lorsque le relais 25 est fermé, du courant circule via l’entrée 12 à travers les résistances 29 et 16 alors qu’une résistance de défaut 30 modélise le défaut d’isolement entre la phase L1 et la terre.
Par application de la loi des mailles, on constate que la tension phase-neutre VI pour la phase L1 à la première fréquence est alors appliquée aux résistances 16, 29 et 30. On constate également que la tension à la deuxième fréquence fournie par le générateur 19 est également appliquée à ces résistances 16, 29 et 30. Le système de détermination 18 reçoit alors en entrée la tension appliquée aux bornes de la résistance de mesure 16. Cette tension comprend ici une composante à la première fréquence et à la deuxième fréquence.
Le système de détermination 18 peut comprendre :
- un étage d’amplification 30 de la tension aux bornes de la résistance 16, et
- un étage de filtrage 31 de la composante qui est à la première fréquence dans cette tension. Ce système de mesure 18 est représenté plus en détail sur la figure 5.
En absence de défaut d’isolement, la valeur de la tension appliquée aux résistances 29 et 30 est nulle.
La valeur de la tension déterminée par le système de détermination 18 est ensuite utilisée pour détecter s’il existe ou non un défaut d’isolement entre l’une des phases du réseau et la terre. Cette détection peut être effectuée par le système de détermination 18 ou par l’unité
de traitement 20, et elle peut consister à comparer la valeur traitée par le système de détermination à partir de la tension à la deuxième fréquence à une valeur prédéfinie correspondant à une absence d’un tel défaut d’isolement.
La détection peut consister à déterminer, sur la base de la valeur traitée par le système de détermination à partir de la tension à la deuxième fréquence, la valeur de l’impédance entre le neutre et la terre ou la valeur de l’impédance entre la phase et la terre. En comparant cette valeur d’impédance et un seuil, par exemple 500Q/V, on peut déterminer si un défaut d’isolement existe ou non. Ainsi, lorsque la valeur d’impédance entre le neutre et la terre ou entre la phase et la terre est inférieure à ce seuil, un défaut d’isolement est détecté.
La figure 4 correspond au cas où un défaut d’isolement existe entre le neutre N et la terre. Lorsque le relais 25 est fermé, du courant circule via l’entrée 12 à travers les résistances 29 et 16 alors qu’une résistance de défaut 31 modélise le défaut d’isolement entre le neutre N et la terre.
Par application de la loi des mailles, on constate que la tension à la deuxième fréquence fournie par le générateur 19 est alors appliquée aux résistances 16, 29 et 31. Le système de mesure 18 reçoit alors en entrée la tension à la deuxième fréquence appliquée aux bornes de la résistance de mesure 16.
Similairement à ce qui a été décrit en référence à la figure 3, la valeur traitée par le système de détermination 18 à partir de la tension à la deuxième fréquence est ensuite utilisée pour détecter s’il existe ou non un défaut d’isolement entre l’une des phases du réseau et la terre.
La figure 5 représente un mode de réalisation plus précis du dispositif de détection 1 dont le fonctionnement a été décrit précédemment. On constate notamment que le système de détermination 18 met en œuvre plusieurs amplificateurs opérationnels pour réaliser une amplification différentielle selon 30 d’une part, et un filtrage passe-bas selon 31 d’autre part. Le filtre passe-bas utilisé a par exemple une fréquence de coupure de 50 Hz.
La résistance de mesure 16 a par exemple une valeur de 5 k'Q et les autres résistances utilisées peuvent avoir toute valeur comprise entre Ik'Q et I MQ.
Les valeurs suivantes de résistance sont possibles, dans un exemple spécifique :
- R7, R8, RIO, Rll RI 8, RI 9, R20 ont une valeur de lOOk'Q,
- RI, R2, R13, R14, R15, RI 6, RI 7, R23 ont une valeur de 10 k'Q,
- R3 a une valeur de 75kQ,
- R4 a une valeur de 11,5 k'Q,
- R12 a une valeur de 50k'Q,
- R21 a une valeur de 166k'Q,
- R22 et R24 ont une valeur de 300k'Q, et
- R25 a une valeur de I M'Q.
Le composant 2 de la figure 1 est par exemple contenu dans un même boîtier 100, comme représenté sur la figure 6. Ce boîtier 100 peut présenter une paroi de fond 101 éta- gée, cette paroi de fond 101 présentant deux portions planes 102 et 103 parallèles entre elles et décalées l’une par rapport à l’autre. Le dispositif 1 qui vient d’être décrit est par exemple reçu dans une excroissance 104 s’étendant depuis la portion 102 la plus élevée en empiétant sur la portion 103 la plus basse.
L’étage de filtrage 10 et l’onduleur/redresseur 6 de la figure 1 sont par exemple disposés dans la partie du boîtier 100 contenant la portion plane 102 tandis que le convertisseur DC/DC 8 est disposé dans la partie du boîtier 100 contenant la portion plane 103.
L’invention n’est pas limitée à l’exemple qui vient d’être décrit. Des réalisations de l’impédance 16 autrement que via une résistance sont par exemple possibles.
Dans une variante, la tension alternative est monophasée.