FR2923328A1 - Dispositif d'interface entre deux parties d'un reseau electrique, a prelevement d'energie pour la compensation de chutes de tension - Google Patents

Abstract

Un dispositif (D) est destiné à assurer l'interface entre des première (P1) et seconde (P2) parties d'un réseau, la première partie de réseau (P1) étant reliée à au moins une source d'alimentation électrique (BA) et présentant une tension (V1) à ses bornes. Ce dispositif (D) comprend un circuit de filtrage (CF) comportant i) deux bornes d'entrée (BE1, BE2) propres à être connectées en parallèle sur la première partie de réseau (P1), ii) deux bornes de sortie (BS1, BS2) propres à être connectées en série sur les première (P1) et seconde (P2) parties de réseau, et iii) un sous-circuit d'isolation galvanique (SC) monté entre les bornes d'entrée (BE1, BE2) et les bornes de sortie (BS1, BS2). Le circuit de filtrage (CF) est agencé, en cas de chute ( V1) de la tension (V1), pour prélever de l'énergie dans la première partie de réseau (P1) via les bornes d'entrée (BE1, BE2) de manière à générer une tension de compensation (VC) sensiblement équivalente à la chute de tension ( V1), et pour mettre en série la tension de compensation (VC) avec la tension (V1 ) via les bornes de sortie (BS1, BS2), afin de maintenir sensiblement constante la tension (V2) aux bornes de la seconde partie de réseau (P2).

Description

DISPOSITIF D'INTERFACE ENTRE DEUX PARTIES D'UN RÉSEAU ÉLECTRIQUE, À PRÉLÈVEMENT D'ÉNERGIE POUR LA COMPENSATION DE CHUTES DE TENSION L'invention concerne les réseaux électriques continus qui équipent, par exemple, certains véhicules automobiles, et plus précisément la régulation de la tension dans des parties de tels réseaux. Dans certains domaines, comme par exemple celui des véhicules automobiles (quel qu'en soit le type (STT, non hybride ou hybride)), les systèmes (ou équipements) électriques embarqués sont toujours plus nombreux, si bien que la puissance électrique requise pour les alimenter ne cesse d'augmenter. A titre d'exemple, elle peut dépasser 3 kW dans certains réseaux électriques de véhicules automobiles. Cela résulte notamment de l'apparition d'équipements nouveaux ou dont la technologie a été modifiée, comme par exemple la direction assistée électrique, les soupapes de moteur électromagnétiques, le turbo compresseur électrique, les suspensions électriques ou le système de gestion des arrêts/démarrages du moteur. Bon nombre de ces équipements consomme de forts courants au moins lorsqu'ils sont activés, typiquement plusieurs dizaines, voire plusieurs centaines, d'ampères pendant des durées allant de quelques millisecondes à quelques secondes. Pour alimenter les équipements électriques qui sont connectés à lui, le réseau électrique dispose, dans le cas d'un véhicule automobile, d'une source d'alimentation électrique alternative, tel qu'un alternateur, et d'une source d'alimentation auxiliaire, telle qu'une batterie. L'alternateur est destiné à alimenter les équipements électriques lorsque le moteur est en fonctionnement, tandis que la batterie est généralement prévue pour alimenter les équipements électriques lorsque le moteur n'est pas en fonctionnement (par exemple pour assurer le démarrage du moteur ou le fonctionnement de l'autoradio ou des éclairages). Dans certaines situations, comme par exemple lorsque le moteur est à l'arrêt ou au ralenti, l'alternateur n'est pas systématiquement en mesure d'alimenter tous les équipements électriques qui sont connectés à son réseau électrique. La batterie assure alors l'alimentation électrique de ces équipements électriques. Hélas, lorsque le réseau électrique fait l'objet d'appels de courant importants, elle ne peut pas fournir une tension continue stable. Cela résulte du fait que sa résistance interne provoque aux bornes du réseau électrique une chute de tension qui est proportionnelle au courant qu'elle débite. Ainsi, certains appels de courant, comme par exemple ceux nécessaires aux démarrages du moteur, peuvent provoquer des chutes de tension de plusieurs volts (jusqu'à environ 6 V) selon l'état de la batterie. Ces chutes de tension sont problématiques pour certains équipements sensibles, comme par exemple certains calculateurs, du fait qu'ils ne peuvent pas correctement fonctionner en dessous d'un seuil de tension. En outre, ces chutes de tension sont perceptibles, d'une part, au niveau de l'éclairage (variation de la luminosité des phares et des éléments d'éclairage de l'habitacle, scintillement des écrans LCD d'affichage), et d'autre part, au niveau du fonctionnement (interruption ou remise à zéro) de certains équipements, tels que l'autoradio, le système d'aide à la navigation (GPS) ou certains calculateurs stratégiques (ABS/ESP, contrôle moteur, direction assistée électrique (DAE), boîtiers de servitude). II existe donc un risque momentané d'altération de la sécurité (éclairage insuffisant, immobilisation lors d'un redémarrage sur des véhicules de type SU), mais également un risque d'endommagement de certains éléments électriques et une perception de défaut de qualité par l'usager.

Pour remédier à cet inconvénient, il a été proposé d'isoler certains équipements sensibles du reste du réseau électrique. Pour ce faire, on peut par exemple diviser le réseau électrique en une partie dite sale , qui comprend les équipements électriques perturbateurs (c'est-à-dire induisant des chutes de tension), et au moins une partie dite propre , qui comprend les équipements électriques sensibles. Un dispositif d'interface, de type convertisseur DC/DC, est alors placé entre la partie de réseau sale et chaque partie de réseau propre. Initialement, il a été proposé de monter chaque dispositif d'interface en parallèle sur la partie de réseau sale et d'y connecter une partie de réseau propre. On notera que l'utilisation de plusieurs dispositifs d'interface permet d'isoler les équipements électriques qui sont à la fois sensibles et perturbateurs des autres équipements électriques purement sensibles.

L'inconvénient principal d'un dispositif d'interface monté en parallèle réside dans le fait qu'il doit être dimensionné pour fournir en permanence une tension régulée, par exemple d'environ 12 V dans le cas d'un véhicule automobile, ce qui est assez onéreux et consomme en permanence de l'énergie même lorsqu'il n'y a pas de perturbation sur le réseau électrique. 1 o Afin de réduire les coûts, il a été très récemment proposé de monter en série un dispositif d'interface, par exemple de type boost , de manière à compenser les chutes de tension, détectées dans la partie de réseau sale, par des tensions de compensation générées au moyen d'un circuit de réserve d'énergie et mises en série avec la tension du réseau électrique. 15 L'inconvénient principal de ce type de dispositif d'interface monté en série réside dans le fait qu'il nécessite un circuit de réserve d'énergie comprenant au moins un élément de stockage, tel qu'un super-condensateur, dont le coût est relativement élevé. L'invention a pour but de proposer une solution alternative moins 20 onéreuse. Elle propose à cet effet un dispositif, destiné à assurer l'interface entre une première partie d'un réseau, reliée à au moins une source d'alimentation électrique et présentant une tension V1 à ses bornes, et une seconde partie de ce même réseau, et comprenant un circuit de filtrage qui : 25 -comporte i) deux bornes d'entrée propres à être connectées en parallèle sur la première partie de réseau, ii) deux bornes de sortie propres à être connectées en série à l'interface entre les première et seconde parties de réseau, et iii) un sous-circuit d'isolation galvanique monté entre les bornes d'entrée et les bornes de sortie, et 30 - est agencé, en cas de chute de la tension V1, pour prélever de l'énergie dans la première partie de réseau via les bornes d'entrée afin de générer une tension de compensation sensiblement équivalente à la chute de tension, et pour mettre en série la tension de compensation avec la tension V1 via les bornes de sortie, afin de maintenir sensiblement constante la tension aux bornes de la seconde partie de réseau. Le dispositif de contrôle selon l'invention peut comporter d'autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et 5 notamment : - son circuit de filtrage peut par exemple être de type push-pull - le sous-circuit d'isolation galvanique peut par exemple comprendre i) une paire d'éléments inductifs primaires connectés chacun, d'une part, à un premier point milieu qui est couplé à l'une des bornes d'entrée, et d'autre 1 o part, à l'autre borne d'entrée via des éléments de commutation, et ii) une paire d'éléments inductifs secondaires connectés chacun, d'une part, à un second point milieu qui est couplé à l'une des bornes de sortie, et d'autre part, à l'autre borne de sortie via des composants électroniques qui participent à la production de la tension de compensation ; 15 • les composants électroniques peuvent par exemple comprendre i) un élément inductif comprenant une première borne, connectée à la borne de sortie et à une première borne d'un élément capacitif dont une seconde borne est connectée au second point milieu, et une seconde borne, ii) une première diode comprenant une anode connectée à une 20 borne de l'une des bobines secondaires et une cathode connectée à la seconde borne de l'élément inductif, et iii) une seconde diode comprenant une anode connectée à une borne de l'autre bobine secondaire et une cathode connectée à la seconde borne de l'élément inductif ; 25 - il peut comprendre des moyens d'écrêtage chargés d'écrêter la tension V1 lorsqu'elle dépasse un seuil choisi. L'invention propose également un réseau électrique comprenant au moins une source d'alimentation électrique et au moins des premier et second ensembles d'éléments électriques regroupés respectivement dans au moins 30 des première et seconde parties du réseau, la première partie de réseau étant reliée à la source d'alimentation électrique et comportant des éléments électriques susceptibles d'apporter des perturbations électriques, et la seconde partie de réseau comportant des éléments électriques dits sensibles nécessitant une tension d'alimentation sensiblement constante. Ce réseau électrique se caractérise par le fait qu'il comprend entre ses première et seconde parties un dispositif d'interface du type de celui présenté ci-avant. Un tel réseau est par exemple destiné à être embarqué dans un véhicule automobile, la source d'alimentation pouvant alors être une batterie, et peut par exemple comprendre, en outre, un alternateur définissant une autre source d'alimentation électrique connectée à la première partie via un convertisseur alternatif/continu. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement un exemple de réseau électrique de véhicule automobile, équipé d'un dispositif d'interface selon l'invention,et - la figure 2 illustre schématiquement un exemple de réalisation d'un dispositif d'interface selon l'invention. Les dessins annexés pourront non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. On a schématiquement représenté sur la figure 1 un exemple de réseau électrique de véhicule automobile subdivisé en une première partie P1 dite sale et une seconde partie P2 dite propre par un dispositif d'interface D selon l'invention. On notera que l'invention n'est pas limitée à ce type d'application. Elle concerne toute application, quel que soit son domaine technique, dans laquelle on utilise un réseau électrique qui peut être subdivisé en une première partie sale et au moins une seconde partie propre. La première partie de réseau P1 est reliée à au moins une source d'alimentation électrique BA délivrant un courant continu, comme par exemple une batterie. Elle présente une tension V1 à ses bornes. Dans l'exemple non limitatif illustré sur la figure 1, la première partie de réseau P1 est également reliée à au moins une autre source d'alimentation électrique AL, comme par exemple un alternateur, via un convertisseur alternatif/continu CAC. Cette première partie de réseau P1 est dite sale du fait qu'elle comprend des équipements (ou systèmes) électriques EQ1 dits perturbateurs car induisant des chutes V1 de la tension V1 à ses bornes. Par exemple, la tension V1 est comprise entre environ 11 Volts et environ 14,4 Volts. Parmi les équipements (ou systèmes) électriques perturbateurs EQ1, on peut par exemple et non limitativement citer le démarreur, la direction assistée électrique, les soupapes électromagnétiques, le turbo compresseur électrique et les suspensions électriques. Le réseau électrique comprend également un module de contrôle MC chargé d'analyser la valeur de la tension V1 aux bornes de la première partie de réseau P1 de manière à détecter (et mesurer) les chutes V1 de cette tension V1 qui sert de consigne à une boucle de régulation (non représentée) qui pilote des éléments de commutation EC1 et EC2 (sur lesquels on reviendra plus loin) pour additionner en série la chute de tension V1 observée sur la première partie de réseau P1. La seconde partie de réseau P2 est dite propre du fait qu'elle comprend des équipements (ou systèmes) électriques EQ2 dits sensibles car ne pouvant pas fonctionner correctement en dessous d'un seuil de tension. Parmi les équipements (ou systèmes) électriques sensibles EQ2, on peut par exemple et non limitativement citer les phares, les éléments d'éclairage de l'habitacle, les écrans LCD d'affichage, l'autoradio, le système d'aide à la navigation (GPS), et certains calculateurs stratégiques (ABS/ESP, contrôle moteur, direction assistée électrique (DAE), boîtiers de servitude). On comprendra que la tension V2 aux bornes de la seconde partie de réseau P2 est égale à V1 lorsque les chutes de tension sont compensées par le dispositif d'interface D.

En présence d'équipements (ou systèmes) électriques à la fois perturbateurs et sensibles sur le même réseau d'alimentation, on peut envisager d'isoler ces derniers ou chacun d'entre eux séparément au moyen d'un dispositif d'interface D dédié. Comme cela est illustré sur les figures 1 et 2, un dispositif d'interface D comprend essentiellement un circuit de filtrage CF de type dit quadripolaire du fait qu'il comprend deux bornes d'entrée BEI et BE2 et deux bornes de sortie BS1 et BS2. Selon l'invention, les deux bornes d'entrée BEI et BE2 sont destinées à être connectées en parallèle sur la première partie de réseau P1, tandis que les deux bornes de sortie BS1 et BS2 sont destinées à être connectées en série à l'interface entre les première P1 et seconde P2 parties de réseau. Le circuit de filtrage CF comprend également un sous-circuit d'isolation galvanique SC qui est monté entre ses bornes d'entrée BEI et BE2 et ses bornes de sortie BS1 et BS2, de manière à éviter qu'un court-circuit ne se produise entre la borne d'entrée BEI et la borne de sortie BS1 en raison d'un mélange de tension. Le circuit de filtrage CF est chargé d'intervenir chaque fois que le module de contrôle MC (ou un autre équipement auquel il est connecté) l'avertit qu'il a détecté une chute V1 de la tension V1. Cette intervention consiste à prélever de l'énergie dans la première partie de réseau P1 via les bornes d'entrée BEI et BE2 afin de générer une tension de compensation VC exactement équivalente à la chute de tension V1 détectée en temps réel grâce à la boucle de régulation (non représentée), et à mettre en série cette tension de compensation VC avec la tension V1, via les bornes de sortie BS1 et BS2. La tension V2 aux bornes de la seconde partie de réseau P2 est donc maintenue sensiblement constante du fait qu'elle est égale à la somme de V1 et de VC (V2 = V1 + VC).

Cela est particulièrement avantageux car cela permet de s'affranchir du circuit de réserve d'énergie qui est indispensable à certains dispositifs d'interface de l'art antérieur pour produire la tension de compensation. Afin d'assurer les caractéristiques techniques précitées, le circuit de filtrage CF peut par exemple être du type de celui qui est illustré de façon non limitative sur la figure 2. Dans cet exemple de réalisation le circuit de filtrage CF est de type push-pull . On comprendra que le dispositif d'interface D n'est pas limité à ce seul type de montage. D'autres types de montage peuvent en effet être envisagés, et notamment le montage dit fly-back qui comprend un élément inductif (self) destiné à stocker momentanément l'énergie prélevée avant de la convertir en tension de compensation VC. Dans le cas du montage push-pull illustré, le sous-circuit d'isolation galvanique SC est un transformateur comprenant une paire d'éléments inductifs primaires LP1 et LP2 couplée de façon inductive à une paire d'éléments inductifs secondaires LS1 et LS2. Les éléments inductifs primaires LP1 et LP2 sont équivalents à des enroulements d'un primaire de transformateur. Le premier élément inductif primaire LP1 comprend une première borne connectée à un premier point milieu PM1, qui est lui-même connecté à la seconde borne d'entrée BE2, et une seconde borne couplée à la première borne d'entrée BEI via un premier élément de commutation EC1. Le second élément inductif primaire LP2 comprend une première borne connectée au premier point milieu PM1 et une seconde borne couplée à la première borne d'entrée BEI via un second 1 o élément de commutation EC2. Les éléments de commutation EC1 et EC2 sont par exemple réalisés sous la forme de transistors de puissance, tels que des MOSFETs. Les éléments inductifs secondaires LS1 et LS2 sont équivalents à des enroulements d'un secondaire de transformateur, destinés à capter le flux 15 induit par les enroulements du primaire du fait de leur alimentation par la première partie de réseau P1. Le premier élément inductif secondaire LS1 comprend une première borne connectée à un second point milieu PM2, qui est lui-même connecté à la seconde borne de sortie BS2, et une seconde borne couplée à la première borne de sortie BS1 via un ensemble de 20 composants électroniques Dl, D2 et El qui participent à la production de la tension de compensation VC désirée. Le second élément inductif secondaire LS2 comprend une première borne connectée au second point milieu PM2 et une seconde borne couplée à la première borne d'entrée BEI via l'ensemble de composants électroniques D1, D2 et El. 25 Par exemple, et comme illustré de façon non limitative, l'ensemble de composants électroniques comprend au moins un élément inductif El et des première Dl et seconde D2 diodes. L'élément inductif El comprend une première borne, qui est connectée à la première borne de sortie BS1 ainsi qu'à une première borne d'un élément 30 capacitif EC dont la seconde borne est connectée au second point milieu PM2, et une seconde borne. La première diode Dl comprend une anode qui est connectée à la seconde borne de la première bobine secondaire LS1, et une cathode qui est connectée à la seconde borne de l'élément inductif El. La seconde diode D2 comprend une anode qui est connectée à la seconde borne de la seconde bobine secondaire LS2, et une cathode qui est connectée à la seconde borne de l'élément inductif El.

On comprendra qu'en jouant sur les ouvertures et fermetures des éléments de commutation EC1 et EC2 on peut contrôler la quantité d'énergie qui est prélevée dans la première partie de réseau P1, et donc contrôler le rapport cyclique du sous-circuit d'isolation galvanique SC. On dispose ainsi de l'énergie qui est nécessaire et suffisante à la génération de la tension de compensation VC désirée (c'est-à-dire sensiblement égale à la chute de tension V1 détectée en temps réel par la boucle de régulation (et devant être compensée exactement)). On comprendra également que le dispositif d'interface D selon l'invention agit comme un filtre de tension du fait qu'il ne nécessite pas un apport d'énergie extérieure via un circuit de réserve d'énergie. La compensation de tension de ce dispositif d'interface D peut être éventuellement inhibée de sorte qu'il agisse simplement comme un fil conducteur grâce à un transistor MOS ou encore une diode passante. II est important de noter que le dispositif d'interface D selon l'invention peut non seulement compenser des chutes de tension, mais également agir comme un écrêteur vis-à-vis des éventuelles surtensions. En effet, il peut être adapté de manière à écrêter la tension V1 pour qu'elle ne dépasse pas un seuil choisi, par exemple égal à 15 V, au-delà duquel certains équipements électriques peuvent être endommagés. Pour ce faire, le dispositif d'interface D peut comporter des composants électroniques passifs d'écrêtage, comme par exemple des varistances, ou des diodes de type transil ou transzorb montées en parallèle des filtres d'entrée et de sortie. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation de dispositif d'interface et de réseau électrique décrits ci-avant, seulement à titre d'exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l'homme de l'art dans le cadre des revendications ci-après.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Dispositif (D) d'interface entre des première (P1) et seconde (P2) parties d'un réseau, ladite première partie de réseau (P1) étant reliée à au moins une source d'alimentation électrique (BA) et présentant une tension (V1) à ses bornes, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de filtrage (CF) comportant i) deux bornes d'entrée (BEI, BE2) propres à être connectées en parallèle sur ladite première partie de réseau (P1), ii) deux bornes de sortie (BS1, BS2) propres à être connectées en série à l'interface entre les première (P1) et seconde (P2) parties de réseau, et iii) un sous-circuit d'isolation galvanique (SC) monté entre lesdites bornes d'entrée (BEI, BE2) et lesdites bornes de sortie (BS1, BS2), ledit circuit de filtrage (CF) étant agencé, en cas de chute ( V1) de ladite tension (V1), pour prélever de l'énergie dans ladite première partie de réseau (P1) via lesdites bornes d'entrée (BEI, BE2) de manière à générer une tension de compensation (VC) sensiblement équivalente à ladite chute de tension ( V1), et pour mettre en série ladite tension de compensation (VC) avec ladite tension (V1) via lesdites bornes de sortie (BS1, BS2), afin de maintenir sensiblement constante la tension (V2) aux bornes de la seconde partie de réseau (P2).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit de filtrage (CF) est de type push-pull .

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit sous-circuit d'isolation galvanique (SC) comprend i) une paire d'éléments inductifs primaires (LP1, LP2) connectés chacun, d'une part, à un premier point milieu (PMI) couplé à l'une (BE2) desdites bornes d'entrée, et d'autre part, à l'autre (BEI) desdites bornes d'entrée via des éléments de commutation (EC1, EC2), et ii) une paire d'éléments inductifs secondaires (LS1, LS2) connectés chacun, d'une part, à un second point milieu (PM2) couplé à l'une (BS2) desdites bornes de sortie, et d'autre part, à l'autre (BS1) desdites bornes de sortie via des composants électroniques (D1, D2, El) participant à la production de la tension de compensation (VC).

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesditscomposants électroniques (Dl, D2, El) comprennent i) un élément inductif (El) comprenant une première borne, connectée à la borne de sortie (BS1) et à une première borne d'un élément capacitif (EC) dont une seconde borne est connectée audit second point milieu (PM2), et une seconde borne, ii) une première diode (Dl) comprenant une anode connectée à une borne de l'une (LS1) des bobines secondaires et une cathode connectée à ladite seconde borne de l'élément inductif (El), et iii) une seconde diode (D2) comprenant une anode connectée à une borne de l'autre (LS2) bobine secondaire et une cathode connectée à ladite seconde borne de l'élément inductif (El).

5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'écrêtage agencés pour écrêter la tension (V1) lorsqu'elle dépasse un seuil choisi.

6. Réseau électrique (P1, P2) comprenant au moins une source d'alimentation électrique (BA) et au moins des premier et second ensembles d'éléments électriques (EQ1, EQ2) regroupés respectivement dans au moins des première (P1) et seconde (P2) parties dudit réseau, la première partie de réseau (P1) étant reliée à ladite source d'alimentation électrique (BA) et comportant des éléments électriques (EQ1) susceptibles d'apporter des perturbations électriques, et la seconde partie de réseau (P2) comportant des éléments électriques dits sensibles (EQ2) nécessitant une tension d'alimentation sensiblement constante, caractérisé en ce qu'il comprend entre ses première (P1) et seconde (P2) parties un dispositif d'interface (D) selon l'une des revendications précédentes.

7. Réseau selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il est propre à être embarqué dans un véhicule automobile, en ce que la source d'alimentation (BA) est une batterie, et en ce qu'il comprend en outre un alternateur (AL) définissant une autre source d'alimentation électrique connectée à ladite première partie (P1) via un convertisseur alternatif/continu (CAC).