FR2976083A1 - Dispositif de detection d'un defaut d'isolement - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif de détection (4) d'un défaut d'isolement d'une source de tension continue susceptible d'induire une électrocution, comprenant : -des première et deuxième bornes d'entrée (47, 48) destinées à être connectées aux bornes de la source de tension; -des première et deuxième impédances (41, 42) connectées en série entre les première et deuxième bornes d'entrée (47, 48) ; -un circuit de détection de courant (45) connecté entre une masse électrique et un point intermédiaire (49) entre les première et deuxième impédances ; Le dispositif comprend en outre : -un premier interrupteur (43) connecté en série avec la première impédance entre la première borne d'entrée et le point intermédiaire ; -un deuxième interrupteur (44) connecté en série avec la deuxième impédance entre la deuxième borne d'entrée et le point intermédiaire ; -un circuit de commande (8) configuré pour simultanément maintenir un desdits interrupteurs ouvert et l'autre desdits interrupteurs fermé.
Description
DISPOSITIF DE DETECTION D'UN DEFAUT D'ISOLEMENT
L'invention concerne l'isolement d'un réseau ou d'une alimentation électrique à tension continue par rapport à la terre.
Les systèmes électriques de forte puissance à tension continue connaissent un développement important. En effet, de nombreux systèmes de transport incluent une alimentation de tension continue. Les véhicules hybrides combustion/électrique ou électriques incluent notamment des batteries de forte puissance. Pour obtenir le niveau de tension adéquat, on place en série plusieurs accumulateurs électrochimiques. Pour obtenir de fortes puissances et capacités, on place plusieurs groupes d'accumulateurs en série. Le nombre d'étages (nombre de groupes d'accumulateurs) et le nombre d'accumulateurs en parallèle dans chaque étage varient en fonction de la tension, du courant et de la capacité souhaités pour la batterie. L'association de plusieurs accumulateurs est appelée une batterie d'accumulateurs. Les accumulateurs électrochimiques utilisés pour de tels véhicules sont généralement du type lithium ion pour leur capacité à stocker une énergie importante avec un poids et un volume contenus. Les technologies de batterie de type Lithium ion phosphate de fer LiFePO4 font l'objet d'importants développements du fait d'un niveau de sécurité intrinsèque élevé, au détriment d'une densité de stockage d'énergie un peu en retrait. De telles batteries sont utilisées pour entraîner un moteur électrique à courant alternatif par l'intermédiaire d'un onduleur. Les niveaux de tension nécessaires pour de tels moteurs atteignent plusieurs centaines de Volts, typiquement de l'ordre de 400 Volts. De telles batteries comportent également une forte capacité afin de favoriser l'autonomie du véhicule en mode électrique. Plusieurs raisons techniques spécifiques à l'application automobile amènent à l'utilisation d'un isolement entre la masse mécanique du véhicule (formée par le châssis et la carrosserie métalliques du véhicule, et donc accessibles à l'utilisateur) et les potentiels de la batterie. La raison principale est qu'il n'est pas envisageable lors d'un premier défaut d'isolement en roulage de déconnecter instantanément la batterie de traction. Par exemple, dans le cas où l'un des pôles de la batterie est relié à la mécanique et que le défaut d'isolement apparait sur l'autre pôle. Ceci se traduit par un court-circuit et la fusion immédiate du fusible de protection. Cela aurait pour effet de rendre le véhicule dangereux. Du fait de la disparition de la puissance de traction ou du freinage récupératif, ceci oblige donc à devoir isoler la batterie et surveiller cet isolement pour des raisons de sécurité des personnes par un contrôleur d'isolement. En effet, si lors d'un premier défaut il n'y a aucun risque pour l'utilisateur, il convient de l'alerter de ce premier défaut avant l'apparition d'un second défaut ayant pour effet de déconnecter la batterie de traction car provoquant un court-circuit entre les bornes positive et négative de la batterie. De plus, lors de ce second défaut, la tension de la batterie serait directement reliée à la masse mécanique du véhicule et l'utilisateur serait donc potentiellement en contact avec celle-ci. Du fait du risque potentiel d'une telle source d'énergie pour les utilisateurs, l'isolement et le contrôle de l'isolement entre la batterie et la masse mécanique doivent être particulièrement soignés. Toute partie conductrice du véhicule doit être isolée par rapport aux masses. Cet isolement est réalisé par l'utilisation de matériaux isolants. L'isolement peut se détériorer avec le temps (à cause des vibrations, des chocs mécaniques, de la poussière, etc.), et donc mettre la masse mécanique sous un potentiel dangereux. Par ailleurs, il peut être envisagé d'utiliser un chargeur non isolé galvaniquement du réseau électrique. La masse mécanique du véhicule étant normativement reliée à la terre lors des recharges et le régime de neutre utilisé classiquement (régime TT) en résidentiel connectant le neutre à la terre, cela revient à connecter pendant les recharges la masse mécanique du véhicule à un des potentiels de la batterie. Pendant ces recharges, la tension complète de la batterie est donc appliquée aux bornes de l'isolement contrairement au cas nominal où seulement la moitié de cette tension est appliquée et surtout contrôlée. Cet isolement pourrait ne pas être capable de tenir la tension complète créant un second défaut instantanément ayant pour conséquence un court-circuit. Un véhicule électrique selon l'état de la technique présente typiquement une batterie destinée à l'alimentation d'un moteur électrique triphasé. La batterie comprend des accumulateurs électrochimiques. Un dispositif de protection muni de fusibles est connecté aux bornes de la batterie. Un dispositif de contrôle d'isolement est également connecté aux bornes de la batterie et raccordé à la masse mécanique du véhicule. Le dispositif de contrôle d'isolement est connecté à un calculateur pour lui signaler les défauts d'isolement détectés. Ce calculateur est alimenté par une batterie de réseau de bord. Les bornes de la batterie appliquent des tensions +Vbat et -Vbat sur les entrées continues d'un onduleur par l'intermédiaire d'un système de coupure. Le système de coupure comprend des contacteurs de puissance commandés par le calculateur. Le moteur électrique est connecté à la sortie alternative de l'onduleur. Différents types de contrôle d'isolement sont connus de l'état de la technique.
Le document FR2671190 décrit notamment un dispositif de contrôle d'isolement d'un réseau électrique à tension continue. Ce document décrit un pont résistif injectant une composante alternative (environ 30 V) à basse fréquence (entre 4 et 10Hz). Un circuit de détection mesure un courant traversant une impédance d'isolement et une résistance de mesure jusqu'à la masse. La conception d'un tel circuit implique un compromis dans le dimensionnement des résistances du pont résistif.
Le pont résistif induit une consommation électrique restant relativement importante afin de garder une précision de mesure convenable. Une telle consommation de courant peut s'avérer incompatible avec une application dans les systèmes embarqués, par exemple du fait de la baisse d'autonomie d'un véhicule électrique. De plus, un tel dispositif est relativement coûteux notamment du fait de l'utilisation d'un générateur basse fréquence dimensionné pour une tension continue élevée. En outre, le circuit de détection ne permet que la détection d'un défaut d'isolement entre une des bornes et la masse, mais pas la détection d'un défaut d'isolement entre l'autre borne et la masse. Par ailleurs, un tel dispositif de contrôle est sensible à des faux positifs qui se traduisent par des détections intempestives puisqu'il détecte un défaut d'isolement lorsque des condensateurs de mode commun présents dans l'onduleur sont parcourus par des courants alternatifs. Dans une autre solution usuellement mise en oeuvre dans un véhicule électrique 1, le dispositif de contrôle d'isolement comprend un diviseur de tension résistif. Un optocoupleur bidirectionnel est connecté entre le point milieu du diviseur de tension et la masse mécanique. Les résistances du diviseur de tension de part et d'autre du point milieu sont identiques. Ainsi, en l'absence de défaut d'isolement, la tension aux bornes de l'optocoupleur est nulle et aucun défaut d'isolement n'est signalé. Lors de l'apparition d'un défaut d'isolement entre une des bornes de la batterie et la masse mécanique, le potentiel du point milieu du diviseur de tension est décalé. Une tension apparaît alors aux bornes de l'optocoupleur, ce qui génère un signal de défaut d'isolement. La réglementation imposant un seuil de courant de fuite à détecter relativement bas, les résistances présentes dans le diviseur de tension doivent présenter une valeur relativement réduite, de l'ordre de 50 kn. Ces résistances induisent alors une consommation électrique continue relativement importante au détriment de l'autonomie fournie par la batterie. En outre, du fait du vieillissement, certains matériaux d'isolement peuvent s'avérer appropriés pour supporter la tension entre la masse mécanique et une borne de la batterie en fonctionnement normal, mais peuvent claquer lorsqu'ils sont soumis à la tension totale entre les bornes de la batterie du fait d'un défaut d'isolement. Un tel dispositif de contrôle ne permet pas de tester et de détecter un tel défaut d'isolement potentiel, ce qui peut conduire à des défauts d'isolement en chaîne. Un premier défaut d'isolement sur une polarité applique la tension totale entre l'autre polarité et la masse. Si l'isolement de cette autre polarité n'était pas apte à le supporter, le second défaut d'isolement apparait. Ceci crée un court-circuit avec fusion des fusibles. Ceci correspond à une perte de traction puis une immobilisation soudaine du véhicule qui est dangereuse.
De plus, un tel dispositif de contrôle d'isolement permet uniquement de détecter le défaut d'isolement, mais pas de déterminer son ampleur.
Par ailleurs, l'optocoupleur utilisé présente un seuil proche de celui fixé par la norme, pour éviter le déclenchement intempestif et limiter les exigences sur les tolérances de fabrication des résistances du diviseur de tension. Cette solution présente cependant l'inconvénient de rendre la localisation du défaut d'isolement relativement difficile, en imposant de déconnecter successivement les différents circuits suspectés. L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur un dispositif de détection d'un défaut d'isolement d'une source de tension continue susceptible d'induire une électrocution, comprenant : - des première et deuxième bornes d'entrée destinées à être connectées aux bornes de la source de tension; - des première et deuxième impédances connectées en série entre les première et deuxième bornes d'entrée ; -un circuit de détection de courant connecté entre une masse électrique et un point intermédiaire entre les première et deuxième impédances ; - un premier interrupteur connecté en série avec la première impédance entre la première borne d'entrée et le point intermédiaire ; - un deuxième interrupteur connecté en série avec la deuxième impédance entre la deuxième borne d'entrée et le point intermédiaire ; - un circuit de commande configuré pour simultanément maintenir un desdits interrupteurs ouvert et l'autre desdits interrupteurs fermé. Selon une variante, les valeurs des première et deuxième impédances sont des résistances sensiblement identiques.
Selon une autre variante, la valeur des première et deuxième résistances est supérieure à 100kÇ. Selon encore une variante, le dispositif comprend un premier condensateur connecté en parallèle de la première impédance entre la première borne d'entrée et la masse électrique, un deuxième condensateur connecté en parallèle de la deuxième impédance entre la deuxième borne d'entrée et la masse électrique, le circuit de commande étant configuré pour détecter la décharge d'un desdits condensateurs lors de la fermeture d'un desdits interrupteurs en série avec lesdites impédances. Selon encore une autre variante, le dispositif comprend un troisième interrupteur connecté en parallèle de la première impédance entre la première borne d'entrée et la masse électrique, un quatrième interrupteur connecté en parallèle de la deuxième impédance entre la deuxième borne d'entrée et la masse électrique, le circuit de commande étant configuré pour fermer les premier et quatrième interrupteurs en simultané, et fermer les deuxième et troisième interrupteurs en simultané, le circuit de commande étant en outre configuré pour détecter un courant traversant le circuit de détection de courant lors de la fermeture simultanée de deux desdits interrupteurs. Selon une variante, le dispositif comprend des troisième et quatrième résistances en série respectivement avec les troisième et quatrième 5 interrupteurs. Selon encore une variante, le dispositif comprend un circuit d'amplification connecté entre le point intermédiaire et le circuit de détection de courant, ledit circuit d'amplification amplifiant le courant traversant la première ou la deuxième impédance pour appliquer le courant amplifié sur le circuit de 10 détection de courant. Selon une autre variante, le circuit de commande ferme chacun des interrupteurs de façon répétée avec un intervalle temporel compris entre 2 et 30 secondes. Selon encore une autre variante, le circuit de commande maintient lesdits 15 interrupteurs fermés avec un rapport cyclique inférieur à 2 %. Selon une variante, le circuit de détection de courant comprend un microcontrôleur comportant une borne d'entrée recevant le courant de défaut d'isolement provenant du point intermédiaire, ladite borne d'entrée étant connectée à une alimentation par l'intermédiaire d'une troisième résistance, 20 ladite borne d'entrée étant par ailleurs connectée à la masse électrique par l'intermédiaire d'une quatrième résistance, ladite alimentation étant à un niveau de tension au moins dix fois inférieur au niveau de tension de la source de tension continue, ledit microcontrôleur étant configuré pour déterminer l'amplitude d'un défaut d'isolement en fonction de la tension appliquée sur sa 25 borne d'entrée. L'invention porte en outre sur un système de motorisation, comprenant : - un dispositif de détection tel que décrit ci-dessus; - une batterie dont les bornes sont connectées aux première et deuxième bornes d'entrée du dispositif de détection ; 30 -un onduleur présentant une interface continu et une interface alternatif, les bornes de la batterie étant connectées à l'interface continu ; - un moteur électrique connecté à l'interface alternatif de l'onduleur. Selon une variante, la tension aux bornes de la batterie est supérieure à 100 V. 35 Selon une autre variante, les première et deuxième impédances sont dimensionnées pour être traversées par un courant maximal de 3.5mA lorsque le premier ou le deuxième interrupteur est fermé et que l'une des bornes de la batterie est connectée à la masse électrique.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un exemple de véhicule 5 à moteur électrique alimenté par batterie; - la figure 2 est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation d'un dispositif de détection de défaut d'isolement ; - les figures 3 et 4 illustrent les configurations du dispositif de détection de défaut d'isolement durant deux phases de contrôle ; 10 -la figure 5 est un schéma électrique d'une première variante d'un circuit d'amplification d'un dispositif de détection de défaut d'isolement ; - la figure 6 est un schéma électrique d'une deuxième variante d'un circuit d'amplification d'un dispositif de détection de défaut d'isolement ; - la figure 7 est un diagramme illustrant différents courants de fuite 15 détectés en fonction du dimensionnement de résistances du dispositif de détection de défaut d'isolement ; - la figure 8 est une représentation schématique d'un circuit de détection de courant de fuite à seuil ; - la figure 9 est une représentation schématique d'un circuit de 20 quantification du courant de fuite ; - la figure 10a, 10b et 11 sont des représentations schématiques d'un perfectionnement permettant de tester le dispositif de détection.
L'invention propose un dispositif de détection d'un défaut d'isolement 25 d'une source de tension continue susceptible d'induire une électrocution. Ce dispositif comprend des première et deuxième bornes d'entrée connectées aux bornes de la source de tension. Des première et deuxième impédances sont connectées en série entre les bornes d'entrée. Un circuit de détection de courant est connecté entre une masse électrique et un point intermédiaire entre 30 les première et deuxième impédances. Un premier interrupteur est connecté en série avec la première impédance entre la première borne d'entrée et le point intermédiaire. Un deuxième interrupteur est connecté en série avec la deuxième impédance entre la deuxième borne d'entrée et le point intermédiaire. Un circuit de commande est configuré pour simultanément maintenir un desdits 35 interrupteurs ouvert et l'autre desdits interrupteurs fermé. L'invention permet ainsi de détecter l'apparition d'un défaut d'isolement sur les deux bornes de la source, avec une consommation de courant réduite et par des moyens simples. En outre, l'invention permet de détecter un défaut d'isolement en appliquant toute la différence de potentiel de la source aux 40 bornes des isolants lors d'un test. On peut donc déterminer préventivement un risque de défaut d'isolement par claquage de diélectrique. L'invention permet en outre de se dispenser de l'injection d'une composante alternative basse fréquence aux bornes de la source de tension continue. L'invention permet par ailleurs d'améliorer la sensibilité de la détection, sans altérer la protection des utilisateurs.
Cette invention va en outre à l'encontre d'un préjugé technique de l'homme du métier réalisant des dispositifs de détection de défaut d'isolement, selon lequel l'utilisation de composants actifs ne permet pas d'assurer une fiabilité satisfaisante et donc une protection suffisante des utilisateurs.
La figure 1 illustre un exemple de véhicule 1 mettant en oeuvre un mode de réalisation de l'invention. Le véhicule 1 est un véhicule électrique comprenant de façon connue en soi une batterie 2 incluant des accumulateurs électrochimiques 21 connectés en série. La batterie 2 comprend un grand nombre d'accumulateurs 21 connectés en série, typiquement entre 40 et 150 accumulateurs en fonction de la tension nécessaire et du type d'accumulateurs utilisé. La tension aux bornes de la batterie 2 chargée est typiquement de l'ordre de 400 V. La batterie 2 applique une tension +Vbat sur une première borne, et une tension -Vbat sur une deuxième borne. Les accumulateurs 21 sont connectés en série par l'intermédiaire de connexions électriques de puissance.
Les bornes de la batterie 2 sont connectées à une interface continu d'un onduleur 6. Un moteur électrique 7 est connecté sur une interface alternatif de l'onduleur 6. La connexion entre les bornes de la batterie 2 et l'interface continu de l'onduleur 6 est réalisée par l'intermédiaire d'un circuit de protection 3 et par l'intermédiaire d'un circuit d'accouplement de puissance 5. Le circuit de protection 3 peut comprendre de façon connue en soi des fusibles configurés pour ouvrir la connexion lors d'un court-circuit. Le circuit d'accouplement de puissance 5 comprend des interrupteurs 51 et 52 permettant de connecter/déconnecter sélectivement les bornes de la batterie 2 à l'interface continu de l'onduleur 6. L'ouverture/fermeture des interrupteurs 51 et 52 est commandée par un circuit de commande 8, typiquement un calculateur de supervision du fonctionnement de la batterie 2. Le circuit de commande 8 est typiquement alimenté par l'intermédiaire d'une batterie 91 d'alimentation du réseau de bord du véhicule 1, présentant un niveau de tension très inférieur à celui de la batterie 2. Le circuit de commande 8 est typiquement connecté à la masse mécanique 93, incluant le châssis et la carrosserie 92 métalliques du véhicule 1. Un dispositif de détection d'un défaut d'isolement 4 est connecté aux bornes de la batterie 2 et à la masse mécanique 93. Un mode de réalisation d'un tel dispositif de détection 4 est détaillé schématiquement à la figure 2. Le dispositif de détection 4 comporte des bornes d'entrée 47 et 48 sur lesquelles sont appliquées respectivement les tensions +Vbat et -Vbat par l'intermédiaire des connexions de puissance 95 et 96. Le dispositif de détection 4 comporte une première impédance 41 et une deuxième impédance 42 (en l'occurrence des résistances) connectées en série entre la première borne 47 et la deuxième borne 48. Les impédances 41 et 42 sont connectées par l'intermédiaire d'un point intermédiaire 49 et sont de préférence de valeurs sensiblement identiques. Un premier interrupteur 43 est connecté en série avec la première impédance 41 entre la borne 47 et le point intermédiaire 49. Un deuxième interrupteur 44 est connecté en série avec la deuxième impédance 42 entre la deuxième borne 48 et le point intermédiaire 49. Les interrupteurs 43 et 44 sont en l'occurrence des transistors MOSFET. D'autres types d'interrupteurs commandés peuvent bien entendu être utilisés. Le circuit de commande 8 commande l'ouverture/fermeture respective des interrupteurs 43 et 44. Le dispositif de détection 4 comporte en outre une connexion avec la masse mécanique 93. Le dispositif de détection 4 comprend un circuit de détection 45 d'un courant de défaut d'isolement, connecté entre un point intermédiaire 49 et la masse mécanique 93. Le circuit de détection 45 est configuré pour recevoir le courant de défaut d'isolement éventuel traversant la première ou la deuxième impédance, lorsque l'interrupteur en série avec l'une de celle-ci est fermé.
Comme illustré à la figure 3, pour tester l'isolement entre la borne +Vbat de la batterie 2 et la masse mécanique 93, le circuit de commande 8 ouvre l'interrupteur 43 et ferme l'interrupteur 44. Le circuit de détection de courant 45 est alors connecté en série avec l'impédance 42 entre la borne -Vbat et la masse mécanique 93. En cas de défaut d'isolement côté +Vbat, un circuit se forme par l'intermédiaire du défaut d'isolement entre la borne +Vbat et la masse 93. Comme illustré à la figure 4, pour tester l'isolement entre la borne -Vbat de la batterie 2 et la masse mécanique 93, le circuit de commande 8 ouvre l'interrupteur 44 et ferme l'interrupteur 43. Le circuit de détection de courant 45 est alors connecté en série avec l'impédance 41 entre la borne +Vbat et la masse mécanique 93. En cas de défaut d'isolement côté -Vbat, un circuit se forme par l'intermédiaire du défaut d'isolement entre la borne -Vbat et la masse 93.
Par l'utilisation des interrupteurs 43 et 44, la consommation électrique du dispositif de détection 4 peut être particulièrement réduite, le rapport cyclique de fermeture des interrupteurs 43 et 44 pouvant être particulièrement réduit. Le dispositif de détection 4 n'affecte donc que marginalement l'autonomie de la batterie 2. On peut par exemple envisager de fermer chaque interrupteur 43 et 44 à un intervalle temporel compris entre 2 et 30 secondes (par exemple toutes les 10 secondes) durant le fonctionnement du véhicule 1. La vitesse de commutation des transistors 43 et 44 sera suffisamment réduite pour limiter la génération de perturbations électromagnétiques dans le circuit électrique du véhicule 1. Avec un rapport cyclique de fermeture très réduit des interrupteurs 43 et 44, on peut utiliser des valeurs pour les impédances 41 et 42 relativement réduites, ce qui permet d'accroître la sensibilité du dispositif de détection 4, sans altérer significativement l'autonomie de la batterie 2. A l'arrêt du véhicule, les interrupteurs 43 et 44 peuvent être ouverts pour ne pas consommer du courant sur la batterie. Lorsque la masse mécanique 93 est accessible aux utilisateurs, (par exemple la carrosserie du véhicule 1), le courant maximum traversant cette masse mécanique lors de l'apparition d'un premier défaut d'isolement doit être au maximum de 3.5mA. Pour une batterie ayant une différence de potentiel maximale de 400 V, les résistances 41 et 42 présentent chacune une valeur supérieure à 200kn pour respecter cette contrainte. Les résistances 41 et 42 peuvent également être utilisées comme protection contre les surtensions provenant du réseau permettant la protection des transistors 43 et 44 pour l'utilisation d'un chargeur extérieur non isolé pour assurer la recharge de la batterie 2. Les résistances 41 et 42 assurent également une limitation du courant à travers le circuit de détection 45. Avantageusement, les résistances 41 et 42 sont formées de plusieurs résistances en série, de sorte que si l'une des résistances en série se met en court-circuit, les résistances en série restantes protègent le dispositif de détection 4 contre un court-circuit. Avantageusement, les résistances 41 et 42 ont un mode de défaillance en circuit ouvert, et sont par exemple réalisées sous forme de résistances bobinées. Lors de la défaillance d'une des résistances 41 ou 42, le dispositif de détection 4 est malgré tout protégé contre un court-circuit. La défaillance d'une résistance pourra être détectée par l'un ou l'autre des solutions présentées en figures 10a, 10b et figure 11.
Le diagramme de la figure 7 illustre le courant de fuite pour une tension de batterie minimum (en l'occurrence de 192 V) en fonction de la résistance d'isolement, pour différentes valeurs des résistances 41 et 42. On constate qu'une valeur des résistances 41 et 42 de 10 kn permet par exemple de détecter des résistances de défaut d'isolement inférieures à 50 kn, tandis qu'une valeur des résistances 41 et 42 de 56 kn permet de détecter des résistances de défaut d'isolement inférieures à 1 kn. Pour permettre la détection d'un défaut d'isolement malgré des valeurs élevées des résistances 41 et 42, le dispositif de détection 4 comprend avantageusement un circuit d'amplification du courant de fuite.40 La figure 5 illustre une première variante du dispositif de détection 4 munie d'un circuit d'amplification du courant de fuite. Dans cette première variante, le circuit d'amplification du courant de fuite est réalisé à partir de transistors bipolaires.
Le circuit d'amplification comprend un transistor bipolaire NPN TB11 dont la base est connectée au point intermédiaire 49, un transistor bipolaire NPN TB21 dont le collecteur est connecté au point intermédiaire 49, dont la base est connectée à l'émetteur du transistor TB11, et dont l'émetteur est connecté à l'entrée 491 du circuit de détection 45. Une résistance de gain Rgl est connectée entre la base et l'émetteur du transistor TB21. Une résistance de protection Rpl est avantageusement connectée entre le collecteur du transistor TB1 1 et la borne 47. Le circuit d'amplification comprend également un transistor bipolaire PNP TB12 dont la base est connectée au point intermédiaire 49, un transistor bipolaire PNP TB22 dont le collecteur est connecté au point intermédiaire 49, dont la base est connectée à l'émetteur du transistor TB12, et dont l'émetteur est connecté à l'entrée 491 du circuit de détection 45. Une résistance de gain Rg2 est connectée entre la base et l'émetteur du transistor TB22. Une résistance de protection Rp2 est avantageusement connectée entre le collecteur du transistor TB1 2 et la borne 48. Le circuit d'amplification comprend avantageusement en outre des diodes Zener DZ1 et DZ2 connectées respectivement entre le collecteur de TB11 et la masse mécanique 93 et entre le collecteur de TB1 2 et la masse mécanique 93. Les transistors TB11 et TB12 sont destinés à amplifier le courant traversant les impédances 41 et 42 pour augmenter la gamme de mesure. Les transistors TB21 et TB22 sont destinés à limiter le courant de défaut d'isolement pour assurer la protection des usagers. Il n'est pas possible avec des résistances seules d'avoir à la fois une gamme de mesure étendue et une protection satisfaisante des usagers. Les résistances de protection Rpl et Rp2 ainsi que les diodes Zener DZ1 et DZ2 permettent de protéger les transistors TB11, TB12, TB21 et TB22 du circuit d'amplification contre les surtensions en particulier lors de l'utilisation d'un chargeur non isolé qui applique directement les surtensions issues du réseau.
La figure 6 illustre une deuxième variante du dispositif de détection 4 munie d'un circuit d'amplification du courant de fuite. Dans cette deuxième variante, le circuit d'amplification du courant de fuite est réalisé à partir de transistors MOS. Le circuit d'amplification comprend un couple de diodes Zener 46 40 montées en série tête-bêche ou une diode zener bidirectionnelle entre le point intermédiaire 49 et l'entrée 491 du circuit de détection 45.
Le circuit d'amplification comprend un transistor MOS canal N Rc3 dont la grille est connectée au point intermédiaire 49. Le circuit d'amplification comprend avantageusement également une résistance de protection Rp3 connectée entre la borne 47 et le drain du transistor Rc3.
Le circuit d'amplification comprend un transistor MOS canal P Rc4 dont la grille est connectée au point intermédiaire 49. Le circuit d'amplification comprend avantageusement également une résistance de protection Rp4 connectée entre la borne 48 et le drain du transistor Rc4. Le circuit d'amplification comprend une résistance Rt de limitation de courant connectée entre l'entrée 491 et la source des transistors Rc3 et Rc4. Le circuit d'amplification comprend avantageusement en outre des diodes Zener DZ3 et DZ4 connectées respectivement entre le drain des transistors Rc3 et Rc4 et la masse mécanique 93. Celles-ci protègent le circuit des surtensions en particulier lors de l'utilisation d'un chargeur non isolé qui applique directement les surtensions issues du réseau. La diode Zener bidirectionnelle (ou le couple de diodes tête-bêche) 46 permet de limiter l'intensité à travers le circuit de détection 45 à une valeur Imax définie par la relation suivante : lmax= (Vz-Vgsth)/Rt Avec Rt la valeur de résistance de Rt, Vz la tension de seuil du couple ou de la diode zener bidirectionnelle 46 (ou du couple de diodes tête-bêche) et Vgsth la différence de potentiel entre la grille et la source d'un des transistors Rc3 ou Rc4. Lors d'un défaut d'isolement, la tension sur la grille du transistor Rc3 ou Rc4 est suffisante pour le rendre passant. Le courant traversant le transistor rendu passant traverse la résistance Rt et le circuit de détection 45. On réalise ainsi une amplification du courant de défaut d'isolement appliqué sur l'entrée 491 du circuit de détection 45. Le courant maximum de défaut est limité par la résistance Rt et la diode zener bidirectionnelle 46 (ou le couple de diodes tête-bêche) pour la sécurité du matériel et des personnes.
Même si les circuits d'amplification de courant de défaut d'isolement décrits atteignent une saturation et ne permettent pas de déterminer l'amplitude du courant de défaut d'isolement au-delà d'un certain seuil, cela ne nuit pas au fonctionnement du dispositif de détection 4, celui-ci ayant essentiellement pour fonction de détecter l'apparition du défaut d'isolement et son évolution initiale.
La figure 8 représente un exemple de circuit de détection sous forme de photocoupleur à hystérésis 451 (de structure connue en soi), permettant de détecter un courant de défaut d'isolement lorsque celui-ci franchit un seuil.
Lorsque le courant à l'entrée de 491 franchit un seuil défini pour le photocoupleur à hysteresis 451, le photocoupleur 451 génère un signal de détection d'un défaut d'isolement Vde, lu par le circuit de commande 8.
La figure 9 illustre un autre exemple de détection de défaut d'isolement, permettant de déterminer l'amplitude du courant de défaut d'isolement, et ainsi d'analyser son évolution dans le temps. Le circuit de détection 45 inclut un microcontrôleur 453. Le microcontrôleur 453 est connecté à l'entrée 491, au potentiel Vcc et à la masse mécanique 93. La tension Vcc peut être dérivée de la batterie 91. Une diode 454 et une résistance 456 sont connectées en parallèle entre Vcc et l'entrée 491. Une diode 455 et une résistance 457 sont connectées en parallèle entre la masse mécanique 93 et l'entrée 491. Les résistances 456 et 457 sont de mêmes valeurs. Sans courant de défaut d'isolement, la tension sur l'entrée 491 est à la valeur Vcc/2. Tout courant de défaut modifie la tension sur l'entrée 491. En fonction de la valeur de tension lue sur l'entrée 491, le microcontrôleur 453 peut déterminer précisément l'amplitude du défaut d'isolement. La valeur de tension lue sur l'entrée 491 peut être fournie au circuit de contrôle 8.
Les figures 10a et 10b illustrent une variante d'un dispositif de détection 4 permettant de tester son fonctionnement. À cet effet, le dispositif de détection 4 comprend deux interrupteurs IT1 et IT2 connectant respectivement les bornes +Vbat et -Vbat à la masse mécanique 93. À intervalles périodiques, les interrupteurs IT1 et IT2 sont fermés en alternance par le circuit de commande 8.
Lors de la fermeture de l'interrupteur IT1, la borne 47 est ainsi connectée à la masse mécanique 93. L'interrupteur 44 est fermé simultanément. On simule ainsi un premier défaut d'isolement en connectant la borne +Vbat à la masse mécanique 93 et un courant de défaut d'isolement correspondant doit donc traverser l'impédance 42 et le circuit de détection 45. Le circuit de commande 8 vérifie donc le bon fonctionnement du dispositif de détection 4 en identifiant la présence d'un tel courant de défaut d'isolement. Lors de la fermeture de l'interrupteur IT2, la borne 48 est ainsi connectée à la masse mécanique 93. L'interrupteur 43 est fermé simultanément. On simule ainsi un deuxième défaut d'isolement en connectant la borne -Vbat à la masse mécanique 93 et un courant de défaut d'isolement correspondant doit donc traverser l'impédance 41 et le circuit de détection 45. Le circuit de commande 8 vérifie donc le bon fonctionnement du dispositif de détection 4 en identifiant la présence d'un tel courant de défaut d'isolement. Comme représenté dans la figure 10b, des résistances 411 et 421 appropriées seront avantageusement disposées en série avec les interrupteurs IT1 et IT2 pour limiter le courant de défaut d'isolement durant les tests et ainsi réduire les risques pour les utilisateurs. Ces résistances auront pour but également de réaliser la mesure avec une résistance connue, ce qui en cas de défaut d'isolement permettra de directement comparer la valeur mesurée à la valeur de référence.
La figure 11 illustre une variante d'un dispositif de détection 4 permettant de tester son fonctionnement. À cet effet, le dispositif de détection 4 comprend deux condensateurs Cl et C2 connectées entre les bornes +Vbat et -Vbat et la masse mécanique 93.
Lorsque le circuit de commande 8 ferme l'interrupteur 43, un courant de décharge du condensateur Cl traverse transitoirement le circuit de détection 45, avant que celui-ci puisse mesurer un éventuel courant de défaut d'isolement. Le circuit de commande 8 peut ainsi identifier que le circuit de détection 4 est fonctionnel en vérifiant la présence du courant de décharge transitoire.
Lorsque le circuit de commande 8 ferme l'interrupteur 44, un courant de décharge du condensateur C2 traverse transitoirement le circuit de détection 45, avant que celui-ci puisse mesurer un éventuel courant de défaut d'isolement. Le circuit de commande 8 peut ainsi identifier que le circuit de détection 4 est fonctionnel en vérifiant la présence du courant de décharge transitoire.
De tels condensateurs peuvent déjà être intégrés pour d'autres fonctions dans l'architecture électrique, par exemple pour filtrer les perturbations de mode commun à l'intérieur de l'onduleur 6 ou dans un convertisseur d'énergie. Dans ce cas aucun composant additionnel n'est nécessaire. Ces condensateurs peuvent également être complétés par les capacités parasites internes aux différents circuits. Le temps de décharge de ces condensateurs peut également servir pour estimer la capacité de ces condensateurs et éventuellement leur dérive dans le temps.
Dans les installations électriques en alternatif, les régimes de neutre les plus courants sont : - le régime TT : le neutre de l'installation est relié à la terre coté générateur et les masses métalliques sont reliées à la terre; - le régime TN : le neutre de l'installation est relié à la terre coté 35 générateur et les masses métalliques sont reliées au neutre ; - le régime IT : le neutre de l'installation est isolé de la terre ou relié par une impédance élevée coté générateur et les masses métalliques sont reliées à une prise de terre. Le régime de neutre définit ainsi la façon dont le neutre est raccordé 40 d'une part, et la façon dont les masses sont raccordées côté utilisateur d'autre part. Les schémas de liaison à la terre ont pour but de protéger les personnes et le matériel en maîtrisant les défauts d'isolement.
Le schéma de liaison à la terre de la batterie 2 est assimilable à un régime de neutre IT d'un réseau électrique, c'est-à-dire un neutre isolé par rapport à la terre et une masse mécanique raccordée à la terre (sauf en roulage où la masse mécanique est isolée de la terre par l'intermédiaire des pneumatiques). Un tel schéma de liaison à la terre permet d'assurer la continuité de service du véhicule lors de l'apparition d'un premier défaut d'isolement.
L'utilisateur peut ainsi continuer à contrôler le véhicule pour l'arrêter dans de bonnes conditions de sécurité.
Pour assurer la recharge de la batterie 2 par un réseau électrique, on raccorde généralement un chargeur isolé à courant alternatif connecté sur le réseau. Dans ce cas le régime IT est conservé. Par contre, un chargeur isolé galvaniquement est plus cher qu'un chargeur non isolé. Avec un chargeur non isolé, on se retrouve en régime TT durant la charge, ce qui revient à connecter la terre au potentiel -Vbat de la batterie 2 lors des alternances positives du réseau électrique. Un courant transite alors par la terre durant ces alternances.
Pour éviter un faux positif par le dispositif de détection 4 lors d'une charge rapide de la batterie, on désactive alors le contrôle d'isolement sur la borne -Vbat de la batterie 2 par l'ouverture des deux interrupteurs 43 et 44.
Claims (13)
- REVENDICATIONS1. Dispositif de détection (4) d'un défaut d'isolement d'une source de tension continue susceptible d'induire une électrocution, comprenant : -des première et deuxième bornes d'entrée (47, 48) destinées à être connectées aux bornes de la source de tension; - des première et deuxième impédances (41, 42) connectées en série entre les première et deuxième bornes d'entrée (47, 48) ; - un circuit de détection de courant (45) connecté entre une masse électrique et un point intermédiaire (49) entre les première et deuxième impédances ; caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - un premier interrupteur (43) connecté en série avec la première impédance entre la première borne d'entrée et le point intermédiaire ; -un deuxième interrupteur (44) connecté en série avec la deuxième impédance entre la deuxième borne d'entrée et le point intermédiaire ; - un circuit de commande (8) configuré pour simultanément maintenir un desdits interrupteurs ouvert et Faute desdits interrupteurs fermé.
- 2. Dispositif de détection selon la revendication 1, dans lequel les valeurs des première et deuxième impédances sont des résistances identiques.
- 3. Dispositif de détection selon la revendication 2, dans lequel la valeur des première et deuxième résistances est supérieure à 100kOE
- 4. Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un premier condensateur (Cl) connecté en parallèle de la première impédance entre la première borne d'entrée et la masse électrique, un deuxième condensateur (C2) connecté en parallèle de la deuxième impédance entre la deuxième borne d'entrée et la masse électrique, le circuit de commande (8) étant configuré pour détecter la décharge d'un desdits condensateurs lors de la fermeture d'un desdits interrupteurs en série avec lesdites impédances.
- 5. Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant un troisième interrupteur (IT1) connecté en parallèle de la première impédance entre la première borne d'entrée et la masse électrique, un quatrième interrupteur (IT2) connecté en parallèle de la deuxième impédance entre la deuxième borne d'entrée et la masse électrique, le circuit de commande (8) étant configuré pour fermer les premier et quatrième interrupteurs en simultané, et fermer les deuxième et troisième interrupteurs en simultané, le circuit de commande (8) étant en outre configuré pourdétecter un courant traversant le circuit de détection de courant lors de la fermeture simultanée de deux desdits interrupteurs.
- 6. Dispositif de détection selon la revendication 5, comprenant des troisième et quatrième résistances en série respectivement avec les troisième et quatrième interrupteurs.
- 7. Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un circuit d'amplification connecté entre le point intermédiaire (49) et le circuit de détection de courant (45), ledit circuit d'amplification amplifiant le courant traversant la première ou la deuxième impédance (41,42) pour appliquer le courant amplifié sur le circuit de détection de courant (45).
- 8. Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit de commande (8) ferme chacun des interrupteurs de façon répétée avec un intervalle temporel compris entre 2 et 30 secondes.
- 9. Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit de commande (8) maintient lesdits interrupteurs (43, 44) fermés avec un rapport cyclique inférieur à 2 %.
- 10. Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit de détection de courant (45) comprend un microcontrôleur (453) comportant une borne d'entrée recevant le courant de défaut d'isolement provenant du point intermédiaire (49), ladite borne d'entrée étant connectée à une alimentation par l'intermédiaire d'une troisième résistance (456), ladite borne d'entrée étant par ailleurs connectée à la masse électrique (93) par l'intermédiaire d'une quatrième résistance (457), ladite alimentation étant à un niveau de tension au moins dix fois inférieur au niveau de tension de la source de tension continue, ledit microcontrôleur (453) étant configuré pour déterminer l'amplitude d'un défaut d'isolement en fonction de la tension appliquée sur sa borne d'entrée.
- 11 Système de motorisation (1), comprenant : - un dispositif de détection (4) selon l'une quelconque des revendications précédentes ; - une batterie (2) dont les bornes sont connectées aux première et deuxième bornes d'entrée (47,48) du dispositif de détection ; - un onduleur (6) présentant une interface continu et une interface alternatif, les bornes de la batterie étant connectées à l'interface continu ;-un moteur électrique (7) connecté à l'interface alternatif de l'onduleur (6).
- 12. Système de motorisation selon la revendication 11, dans lequel la tension aux bornes de la batterie (2) est supérieure à 100 V.
- 13. Système de motorisation selon la revendication 12, dans lequel les première et deuxième impédances sont dimensionnées pour être traversées par un courant maximal de 3.5mA lorsque le premier ou le deuxième interrupteur est fermé et que l'une des bornes de la batterie est connectée à la masse électrique. 15 REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection (4) d'un défaut d'isolement d'une source de tension continue susceptible d'induire une électrocution, comprenant : -des première et deuxième bornes d'entrée (47, 48) destinées à être connectées aux bornes de la source de tension; - des première et deuxième impédances (41, 42) connectées en série entre les première et deuxième bornes d'entrée (47, 48) ; - un circuit de détection de courant (45) connecté entre une masse électrique et un point intermédiaire (49) entre les première et deuxième impédances ; caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - un premier interrupteur (43) connecté en série avec la première impédance entre la première borne d'entrée et le point intermédiaire ; -un deuxième interrupteur (44) connecté en série avec la deuxième impédance entre la deuxième borne d'entrée et le point intermédiaire ; - un circuit de commande (8) configuré pour simultanément maintenir un desdits interrupteurs ouvert et Faute desdits interrupteurs fermé. 2. Dispositif de détection selon la revendication 1, dans lequel les valeurs des première et deuxième impédances sont des résistances identiques. 3. Dispositif de détection selon la revendication 2, dans lequel la valeur des première et deuxième résistances est supérieure à 100kOE 4. Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un premier condensateur (Cl) connecté en parallèle de la première impédance entre la première borne d'entrée et la masse électrique, un deuxième condensateur (C2) connecté en parallèle de la deuxième impédance entre la deuxième borne d'entrée et la masse électrique, le circuit de commande (8) étant configuré pour détecter la décharge d'un desdits condensateurs lors de la fermeture d'un desdits interrupteurs en série avec lesdites impédances. 5. Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant un troisième interrupteur (IT1) connecté en parallèle de la première impédance entre la première borne d'entrée et la masse électrique, un quatrième interrupteur (IT2) connecté en parallèle de la deuxième impédance entre la deuxième borne d'entrée et la masse électrique, le circuit de commande (8) étant configuré pour fermer les premier et quatrième interrupteurs en simultané, et fermer les deuxième et troisième interrupteurs en simultané, le circuit de commande (8) étant en outre configuré pourdétecter un courant traversant le circuit de détection de courant lors de la fermeture simultanée de deux desdits interrupteurs. 6. Dispositif de détection selon la revendication 5, comprenant des troisième et quatrième résistances en série respectivement avec les troisième et quatrième interrupteurs. 7. Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un circuit d'amplification connecté entre le point intermédiaire (49) et le circuit de détection de courant (45), ledit circuit d'amplification amplifiant le courant traversant la première ou la deuxième impédance (41,42) pour appliquer le courant amplifié sur le circuit de détection de courant (45). 8. Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit de commande (8) ferme chacun des interrupteurs de façon répétée avec un intervalle temporel compris entre 2 et 30 secondes. 9. Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit de commande (8) maintient lesdits interrupteurs (43, 44) fermés avec un rapport cyclique inférieur à 2 %. 10. Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit de détection de courant (45) comprend un microcontrôleur (453) comportant une borne d'entrée recevant le courant de défaut d'isolement provenant du point intermédiaire (49), ladite borne d'entrée étant connectée à une alimentation par l'intermédiaire d'une troisième résistance (456), ladite borne d'entrée étant par ailleurs connectée à la masse électrique (93) par l'intermédiaire d'une quatrième résistance (457), ladite alimentation étant à un niveau de tension au moins dix fois inférieur au niveau de tension de la source de tension continue, ledit microcontrôleur (453) étant configuré pour déterminer l'amplitude d'un défaut d'isolement en fonction de la tension appliquée sur sa borne d'entrée. 11 Système de motorisation (1), comprenant : - un dispositif de détection (4) selon l'une quelconque des revendications précédentes ; - une batterie (2) dont les bornes sont connectées aux première et deuxième bornes d'entrée (47,48) du dispositif de détection ; - un onduleur (6) présentant une interface continu et une interface alternatif, les bornes de la batterie étant connectées à l'interface continu ;-un moteur électrique (7) connecté à l'interface alternatif de l'onduleur (6). 12. Système de motorisation selon la revendication 11, dans lequel la tension aux bornes de la batterie (2) est supérieure à 100 V. 13. Système de motorisation selon la revendication 12, dans lequel les première et deuxième impédances sont dimensionnées pour être traversées par un courant maximal de 3.5mA lorsque le premier ou le deuxième interrupteur est fermé et que l'une des bornes de la batterie est connectée à la masse électrique.
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| ST | Notification of lapse |
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