FR3013003A1 - SECURE CONTROL OF AN ELECTRIC HEATER - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif de commande sécurisée 1 d'un module réchauffeur 3 comportant au moins une résistance chauffante 31, 33 apte à être connectée en série entre un conducteur haute tension 5 et un conducteur de masse 7 d'un réseau électrique haute tension 9. Le dispositif 1 comprend : - un premier interrupteur électronique 11 connecté en série avec ladite au moins une résistance chauffante 31, 33 ; - un deuxième interrupteur électronique 15 connecté en série avec ladite au moins une résistance chauffante 31, 33 et le premier interrupteur électronique 11 ; - un premier et un deuxième modules de contrôle 13, 17 aptes à contrôler respectivement les premier et deuxième interrupteurs électroniques 11, le deuxième module de contrôle 17 étant flottant par rapport au premier module de contrôle 13 ; et - des moyens de conversion à découpage 19 connectés à un réseau électrique basse tension 21 et aptes à alimenter indépendamment le premier module de contrôle 13 et le deuxième module de contrôle 17, les moyens de conversion 19 comprenant une isolation galvanique entre le réseau électrique basse tension 21 et le réseau électrique haute tension 9.The invention relates to a device for secure control 1 of a heater module 3 comprising at least one heating resistor 31, 33 adapted to be connected in series between a high-voltage conductor 5 and a ground conductor 7 of a high-voltage electrical network. 9. The device 1 comprises: a first electronic switch 11 connected in series with said at least one heating resistor 31, 33; a second electronic switch 15 connected in series with said at least one heating resistor 31, 33 and the first electronic switch 11; a first and a second control module 13, 17 able respectively to control the first and second electronic switches 11, the second control module 17 being floating with respect to the first control module 13; and switching conversion means 19 connected to a low-voltage electrical network 21 and capable of independently supplying the first control module 13 and the second control module 17, the conversion means 19 comprising a galvanic isolation between the low-voltage electrical network voltage 21 and the high voltage electrical network 9.
Description
Commande sécurisée d'un réchauffeur électrique La présente invention concerne généralement un réchauffeur électrique, et plus particulièrement une commande sécurisée d'un tel 5 réchauffeur. L'invention concerne notamment le domaine des véhicules électriques ou hybrides où les réchauffeurs électriques sont conçus pour fonctionner avec deux tensions d'alimentation de valeurs distinctes, typiquement une tension basse de l'ordre de 12 Volts et une tension haute de l'ordre de 350 Volts. La 10 haute tension sert à mettre en fonctionnement le réchauffeur, alors que la basse tension sert à piloter ce fonctionnement (marche, arrêt, puissance, etc.). En général, le réseau de basse tension du véhicule est constitué par la batterie de basse tension à la valeur nominative de 12 V. Ce circuit de basse tension est relié à la carrosserie du véhicule par une des bornes de la batterie 15 de basse tension. Le réseau de haute tension du véhicule est constitué par la batterie de haute tension (- 350 V), appelée batterie de traction. Le circuit de haute tension est maintenu inaccessible aux passagers du véhicule. Les réchauffeurs pour véhicules électriques ou hybrides sont utilisés pour chauffer l'habitacle du véhicule en réchauffant l'eau du circuit de 20 refroidissement. Les réchauffeurs comportent un ou plusieurs éléments résistifs chauffants et sont alimentés par un courant de puissance venant de la batterie de haute tension du véhicule (- 350 V), appelée batterie de traction. L'élément résistif chauffant peut, par exemple, être piloté par un circuit de commande incluant un transistor de puissance placé en série avec l'élément 25 chauffant sur l'alimentation en courant de puissance, où la grille du transistor est pilotée par un dispositif de commande de grille dont l'énergie provient du circuit de basse tension du véhicule. Lorsque le circuit d'alimentation d'un réchauffeur est défaillant, résultant par exemple d'un court-circuit du transistor de puissance, le 30 réchauffeur peut fonctionner en permanence, ce qui engendre un risque d'incendie lorsque l'eau entre en ébullition et s'évapore, confrontant ainsi des pièces du véhicule à des températures très hautes. Les réchauffeurs dans les véhicules doivent répondre à la norme ISO 26262, le risque venant d'un réchauffeur défaillant étant classé ASIL (initiales anglo-saxonnes mises pour automotive safety integrity level) D, ce qui correspond au niveau d'exigence le plus critique en termes de sécurité. Pour se protéger des températures anormalement élevées, les 5 réchauffeurs utilisent généralement, comme éléments résistifs chauffants, soit des résistances chauffantes associées à un fusible, par exemple un bilame, soit des éléments à coefficient de température positif (appelés éléments CTP). Les éléments CTP, dont la résistance augmente avec la température, permettent de ne pas dépasser une température donnée (par exemple, 10 environ 200°C). Cependant, les éléments CTP sont plutôt coûteux (par rapport à une résistance fixe) et leur performance diminue très rapidement en fonction de la température de l'eau. Les bilames, quant à eux, ont l'inconvénient de l'apparition d'un arc lors de la coupure d'un courant continu de puissance. En outre, les bilames sont très peu compacts. 15 Il est donc nécessaire de disposer d'une commande du réchauffeur capable de pallier une quelconque défaillance d'un des éléments du circuit électronique afin d'éviter le fonctionnement non voulu du réchauffeur et ainsi le risque d'incendie, tout en remédiant aux inconvénients des commandes conventionnelles mentionnés ci-dessus. 20 La présente invention répond à cet objectif en proposant un dispositif de commande sécurisée d'un module réchauffeur comportant au moins une résistance chauffante apte à être connectée en série entre un conducteur haute tension et un conducteur de masse d'un réseau électrique haute tension, le dispositif comprenant : 25 - un premier interrupteur électronique apte à être connecté en série avec ladite au moins une résistance chauffante; - un premier module de contrôle apte à contrôler le premier interrupteur électronique; - un deuxième interrupteur électronique apte à être connecté en série 30 avec ladite au moins une résistance chauffante et le premier interrupteur électronique; - un deuxième module de contrôle apte à contrôler le deuxième interrupteur électronique, le deuxième module de contrôle étant flottant par rapport au premier module de contrôle; et - des moyens de conversion à découpage aptes à être connectés à un réseau électrique basse tension et aptes à alimenter indépendamment le premier module de contrôle et le deuxième module de contrôle, les moyens de conversion comprenant une isolation galvanique entre le réseau électrique basse tension et le réseau électrique haute tension.The present invention relates generally to an electric heater, and more particularly to a secure control of such a heater. The invention particularly relates to the field of electric or hybrid vehicles where the electric heaters are designed to operate with two supply voltages of different values, typically a low voltage of the order of 12 volts and a high voltage of the order of 350 Volts. The high voltage is used to operate the heater, while the low voltage is used to control this operation (on, off, power, etc.). In general, the low voltage network of the vehicle is constituted by the low voltage battery at the nominal value of 12 V. This low voltage circuit is connected to the vehicle body by one of the terminals of the low voltage battery 15. The high voltage network of the vehicle consists of the high voltage battery (- 350 V), called traction battery. The high voltage circuit is kept inaccessible to the passengers of the vehicle. The heaters for electric or hybrid vehicles are used to heat the passenger compartment of the vehicle by heating the water of the cooling circuit. The heaters comprise one or more heating resistive elements and are powered by a power current coming from the high voltage battery of the vehicle (- 350 V), called traction battery. The resistive heating element may, for example, be controlled by a control circuit including a power transistor placed in series with the heating element on the power supply, where the gate of the transistor is driven by a device. gate control device whose energy comes from the low voltage circuit of the vehicle. When the supply circuit of a heater is faulty, resulting for example from a short circuit of the power transistor, the heater can operate continuously, which creates a risk of fire when the water boils. and evaporates, thus confronting vehicle parts at very high temperatures. Heaters in vehicles must comply with the ISO 26262 standard, the risk coming from a faulty heater being classified ASIL (English initials for automotive safety integrity level) D, which corresponds to the most critical level of requirement. terms of security. In order to protect against abnormally high temperatures, heaters generally use, as heating resistive elements, either heating resistors associated with a fuse, for example a bimetallic strip, or positive temperature coefficient elements (so-called PTC elements). The CTP elements, whose resistance increases with temperature, make it possible not to exceed a given temperature (for example, about 200 ° C.). However, the CTP elements are rather expensive (compared to a fixed resistance) and their performance decreases very rapidly depending on the temperature of the water. The bimetallic strips, in turn, have the disadvantage of the appearance of an arc during the breaking of a continuous current of power. In addition, bimetallic strips are very compact. It is therefore necessary to have a heater control capable of mitigating any failure of one of the elements of the electronic circuit in order to avoid the unwanted operation of the heater and thus the risk of fire, while overcoming the disadvantages. conventional orders mentioned above. The present invention fulfills this objective by providing a device for the secure control of a heating module comprising at least one heating resistor suitable for being connected in series between a high-voltage conductor and a ground conductor of a high-voltage electrical network. the device comprising: a first electronic switch adapted to be connected in series with said at least one heating resistor; a first control module able to control the first electronic switch; a second electronic switch adapted to be connected in series with said at least one heating resistor and the first electronic switch; a second control module capable of controlling the second electronic switch, the second control module being floating relative to the first control module; and switching conversion means adapted to be connected to a low-voltage electrical network and capable of independently supplying the first control module and the second control module, the conversion means comprising a galvanic isolation between the low voltage electrical network and the high voltage electricity network.
La commande sécurisée d'un module réchauffeur selon l'invention offre ainsi une redondance dans la fonction des composants dupliqués (modules de contrôle, interrupteurs). Ceci permet de pallier une quelconque éventuelle défaillance d'un de ces composants et, par conséquent, d'assurer la sécurité fonctionnelle exigée vis-à-vis du risque d'incendie tout en remédiant aux inconvénients mentionnés ci-dessus. Selon un mode de réalisation de l'invention, les moyens de conversion comprennent deux convertisseurs à découpage comprenant chacun : - un enroulement primaire apte à être connecté au réseau électrique basse tension pour fournir de l'énergie électrique ; - un enroulement secondaire galvaniquement isolé de l'enroulement primaire ; dans lequel l'enroulement secondaire est apte à fournir une valeur de tension utile en restituant l'énergie électrique fournie. De manière particulièrement préférentielle, les moyens de conversion 25 comprennent un unique convertisseur à découpage apte à alimenter le premier et le deuxième modules de contrôle. En plus des avantages mentionnés ci-dessus, un unique convertisseur à découpage constitue une alimentation parfaitement adaptée, économique et astucieuse des deux modules de contrôle, permettant en outre un gain de 30 place par rapport à deux alimentations distinctes. De plus, un unique convertisseur à découpage permet un gain de place Selon une variante, l'unique convertisseur à découpage est un convertisseur de type flyback, comprenant : - un enroulement primaire apte à être connecté au réseau électrique basse tension pour fournir de l'énergie électrique ; - deux enroulements secondaires galvaniquement isolés de l'enroulement primaire; dans lequel les enroulements secondaires sont adaptés à fournir une même valeur de tension utile en restituant l'énergie électrique fournie. Préférentiellement, l'unique convertisseur à découpage comprend en outre : - un enroulement de régulation apte à fournir une valeur de tension utile en restituant l'énergie électrique fournie ; et - un module de régulation; dans lequel le module de régulation est apte à mesurer la valeur de tension utile fournie par l'enroulement de régulation et à réguler le rapport cyclique du convertisseur pour obtenir une valeur de tension utile prédéterminée. Ceci permet de réguler le convertisseur afin que les premier et deuxième enroulements secondaires fournissent une valeur de tension utile prédéterminée pour alimenter les premier et deuxième modules de contrôle. De manière avantageuse, le dispositif comprend en outre un premier détecteur de température et un deuxième détecteur de température, les détecteurs étant aptes à détecter une valeur de température d'eau à proximité de ladite au moins une première résistance chauffante du module réchauffeur et à fournir la valeur détectée à l'un des modules de contrôle. Selon une variante préférentielle, le premier module de contrôle est un module de contrôle maître, et le deuxième module de contrôle est un module 25 de contrôle esclave. Avantageusement, le module de contrôle maître comprend un module de mesure de courant apte à mesurer un courant de puissance passant dans le premier interrupteur électronique et le deuxième interrupteur électronique. Selon une variante, le premier et le deuxième modules de contrôle sont 30 aptes à communiquer entre eux par une liaison de données. De manière préférentielle, le module de contrôle maître est apte à : - détecter une défaillance de l'un des premier et deuxième interrupteurs électroniques au moyen du module de mesure de courant et à détecter une défaillance du module de contrôle esclave au moyen de la liaison de données, - commander l'ouverture du premier interrupteur électronique lorsque l'une de ces défaillances est détectée.The secure control of a heater module according to the invention thus provides redundancy in the function of the duplicated components (control modules, switches). This makes it possible to overcome any possible failure of one of these components and, consequently, to ensure the required functional safety with respect to the risk of fire while overcoming the disadvantages mentioned above. According to one embodiment of the invention, the conversion means comprise two switching converters each comprising: a primary winding adapted to be connected to the low-voltage electrical network for supplying electrical energy; - a galvanically isolated secondary winding of the primary winding; wherein the secondary winding is adapted to provide a useful voltage value by restoring the supplied electrical energy. In a particularly preferred manner, the conversion means 25 comprise a single switching converter capable of supplying the first and second control modules. In addition to the advantages mentioned above, a single switching converter is a perfectly adapted, economical and clever power supply for the two control modules, which also allows a gain of up to 30% compared to two separate power supplies. In addition, a single switching converter saves space. According to one variant, the single switching converter is a flyback type converter, comprising: a primary winding adapted to be connected to the low voltage electrical network to provide power electric energy ; - two galvanically isolated secondary windings of the primary winding; wherein the secondary windings are adapted to provide the same value of useful voltage by restoring the electrical energy supplied. Preferably, the single switching converter further comprises: a regulation winding capable of supplying a useful voltage value by restoring the electrical energy supplied; and - a regulation module; wherein the control module is adapted to measure the value of the useful voltage supplied by the regulation winding and to regulate the duty cycle of the converter to obtain a predetermined value of the useful voltage. This allows the converter to be regulated so that the first and second secondary windings provide a predetermined voltage value for powering the first and second control modules. Advantageously, the device further comprises a first temperature detector and a second temperature detector, the detectors being able to detect a water temperature value in the vicinity of the at least one first heating resistor of the heating module and to provide the value detected at one of the control modules. According to a preferred variant, the first control module is a master control module, and the second control module is a slave control module. Advantageously, the master control module comprises a current measuring module capable of measuring a power current flowing in the first electronic switch and the second electronic switch. According to a variant, the first and the second control modules are able to communicate with each other via a data link. Preferably, the master control module is able to: - detect a failure of one of the first and second electronic switches by means of the current measurement module and to detect a failure of the slave control module by means of the link data - order the opening of the first electronic switch when one of these failures is detected.
De manière préférentielle, le module de contrôle esclave est apte à détecter une défaillance du module de contrôle maître au moyen de la liaison de données et à commander l'ouverture du deuxième interrupteur électronique lorsqu'une défaillance est détectée. Avantageusement, le dispositif selon un mode de réalisation comprend 10 en outre : - un module de communication LIN apte à être connecté au réseau électrique basse tension; et - un coupleur non galvanique; dans lequel le module de communication LIN est apte à transmettre des 15 commandes de pilotage du module réchauffeur au module de contrôle maître au moyen du coupleur non galvanique. Préférentiellement, chacun des premier et deuxième interrupteurs électroniques comprend un transistor comprenant une grille connectée à une sortie du module de contrôle associé. Selon des variantes, le transistor est un 20 IGBT ou un MOSFET. Chacun desdits premier et deuxième modules de contrôle comprend un microcontrôleur et un dispositif de commande de grille. De manière avantageuse, le premier et le deuxième interrupteurs électroniques sont aptes à être connectés du même côté de ladite au moins une résistance chauffante. 25 Alternativement et de manière avantageuse, le premier et le deuxième interrupteurs électroniques sont aptes à être connectés de part et d'autre de ladite au moins une résistance chauffante. De manière préférentielle, la valeur de tension utile est d'environ 15 V. 30 L'invention et les avantages qu'elle procure seront mieux compris au vu de la description suivante d'un exemple non limitatif de mise en oeuvre de l'invention, faite en référence aux figures annexées, dans lesquelles : - la figure 1 représente un schéma simplifié d'un dispositif de commande sécurisée selon un premier mode de réalisation de l'invention La figure 1 représente un mode de réalisation d'un dispositif de commande sécurisée 1 d'un module réchauffeur 3, le module réchauffeur 3 comportant deux résistances chauffantes 31, 33 apte à être connectées en série entre un conducteur haute tension 5 et un conducteur de masse 7 d'un 10 réseau électrique haute tension. Le dispositif de commande sécurisée 1 comporte : - un premier interrupteur électronique 11 apte à être connecté en série avec les résistances chauffantes 31, 33, - un premier module de contrôle 13 apte à contrôler le premier 15 interrupteur électronique 11, - un deuxième interrupteur électronique 15 apte à être connecté en série avec les résistances chauffantes 31, 33 et le premier interrupteur électronique 11, et - un deuxième module de contrôle 17 apte à contrôler le deuxième 20 interrupteur électronique 15. Le dispositif de commande 1 selon le mode de réalisation représenté comprend en outre des moyens de conversion à découpage 19 connectés à un réseau électrique basse tension. Le réseau électrique basse tension fournit, par exemple, une tension d'environ 12 V, pouvant varier approximativement 25 entre 9 V et 16 V. Le réseau basse tension peut être constitué, par exemple, par la batterie de basse tension du véhicule. Le réseau haute tension est, par exemple, constitué par la batterie de traction du véhicule. Il fournit une tension d'environ 350 V, pouvant varier entre 250 V et 450 V environ. Les moyens de conversion 19 servent à alimenter le premier module 30 de contrôle 13 et le deuxième module de contrôle 17 en une valeur utile de basse tension. Typiquement, cette valeur de tension de sortie est de l'ordre de 15 V, et elle est essentiellement la même pour les deux alimentations de module de contrôle. Les moyens de conversion 19 comprennent une isolation galvanique entre le réseau électrique basse tension et le réseau électrique haute tension, afin de garantir l'isolation sécuritaire entre ces deux réseaux. Cette isolation sécuritaire est exigée par les constructeurs d'automobiles électriques et hybrides. L'alimentation du deuxième module de contrôle 17 est flottante par rapport à l'alimentation du premier module de contrôle 13. Ceci signifie qu'il n'existe pas de relation fixe entre le potentiel de masse du premier interrupteur 11 et du premier module de contrôle 13 et le potentiel de masse du deuxième interrupteur 15 et du deuxième module de contrôle 17. Par exemple, les potentiels de masse peuvent être de la même valeur dans le cas où le deuxième interrupteur 15 est fermé, et ils peuvent être différents l'un de l'autre dans d'autres cas. De manière préférentielle, et comme représenté sur la figure 1, les moyens de conversion 19 comprennent un unique convertisseur à découpage, apte à alimenter indépendamment le premier module de contrôle 13 et le deuxième module de contrôle 17. Le convertisseur est, par exemple, un convertisseur du type flyback ayant des inductances (enroulements) couplées sur un même noyau magnétique. Le réseau basse tension fournit au primaire du convertisseur 19 de l'énergie électrique qui est stockée en tant qu'énergie magnétique. L'énergie magnétique est restituée par les secondaires en énergie électrique. Dans le mode de réalisation représenté, le convertisseur à découpage comprend un enroulement primaire 119 connecté au réseau électrique basse tension et deux enroulements secondaires 219, 319 galvaniquement isolés de l'enroulement primaire 119. Le convertisseur à découpage comprend également un enroulement de régulation 419, sous forme d'un troisième enroulement secondaire, permettant de réguler le convertisseur 19 afin que les premier et deuxième enroulements secondaires 219, 319 fournissent une tension de sortie d'une valeur prédéterminée, par exemple, environ 15 V. Pour cela, le convertisseur 19 comprend également un module de régulation 420 relié à l'enroulement de régulation 419 et qui régule le rapport cyclique du convertisseur 19 en fonction de la valeur de tension de sortie des trois enroulements secondaires 219, 319, 419, afin d'obtenir une valeur de tension utile prédéterminée pour l'alimentation respective des deux modules de contrôle 13, 17. Par exemple, si la tension de sortie est trop élevée, le rapport cyclique est diminué afin d'obtenir la tension de sortie prédéterminée. Ceci est possible si l'on considère que les trois secondaires sont similaires. Ainsi, la bonne régulation d'un enroulement secondaire entraine automatiquement la bonne régulation des deux autres enroulements secondaires. Un unique convertisseur à découpage du type flyback comme moyen de conversion 19 est ainsi parfaitement adaptée pour l'alimentation des deux modules de contrôle 13, 17. L'unique convertisseur constitue en effet une alimentation économique, simple et astucieuse des deux modules de contrôle redondants.Preferably, the slave control module is able to detect a failure of the master control module by means of the data link and to control the opening of the second electronic switch when a fault is detected. Advantageously, the device according to one embodiment further comprises: a LIN communication module adapted to be connected to the low voltage electrical network; and - a non-galvanic coupler; wherein the LIN communication module is adapted to transmit control commands of the heater module to the master control module by means of the non-galvanic coupler. Preferably, each of the first and second electronic switches comprises a transistor comprising a gate connected to an output of the associated control module. According to variants, the transistor is an IGBT or a MOSFET. Each of said first and second control modules comprises a microcontroller and a gate controller. Advantageously, the first and the second electronic switches are capable of being connected to the same side of the at least one heating resistor. Alternatively and advantageously, the first and second electronic switches are able to be connected on either side of said at least one heating resistor. Preferably, the useful voltage value is about 15 V. The invention and the advantages it provides will be better understood from the following description of a non-limiting example of implementation of the invention. , with reference to the appended figures, in which: - Figure 1 shows a simplified diagram of a secure control device according to a first embodiment of the invention Figure 1 shows an embodiment of a control device 1 of a heater module 3, the heater module 3 having two heating resistors 31, 33 adapted to be connected in series between a high voltage conductor 5 and a ground conductor 7 of a high voltage electrical network. The secure control device 1 comprises: - a first electronic switch 11 adapted to be connected in series with the heating resistors 31, 33, - a first control module 13 adapted to control the first electronic switch 11, - a second electronic switch 15 adapted to be connected in series with the heating resistors 31, 33 and the first electronic switch 11, and - a second control module 17 adapted to control the second electronic switch 15. The control device 1 according to the embodiment shown further comprises switching conversion means 19 connected to a low voltage electrical network. The low voltage electrical network provides, for example, a voltage of about 12 V, which can vary approximately between 9 V and 16 V. The low voltage network can be constituted, for example, by the low voltage battery of the vehicle. The high voltage network is, for example, constituted by the traction battery of the vehicle. It provides a voltage of approximately 350 V, which can vary between 250 V and 450 V approximately. The conversion means 19 serve to supply the first control module 13 and the second control module 17 with a useful value of low voltage. Typically, this output voltage value is of the order of 15 V, and is essentially the same for both control module power supplies. The conversion means 19 comprise a galvanic isolation between the low-voltage electrical network and the high-voltage electrical network, in order to guarantee the secure isolation between these two networks. This safe insulation is required by electric and hybrid automakers. The power supply of the second control module 17 is floating relative to the power supply of the first control module 13. This means that there is no fixed relationship between the ground potential of the first switch 11 and the first control module. 13 and the ground potential of the second switch 15 and the second control module 17. For example, the ground potentials may be of the same value in the case where the second switch 15 is closed, and they may be different. one of the other in other cases. Preferably, and as shown in FIG. 1, the conversion means 19 comprise a single switching converter capable of independently supplying the first control module 13 and the second control module 17. The converter is, for example, a flyback type converter having inductances (windings) coupled to the same magnetic core. The low voltage network provides the primary of the converter 19 with electrical energy which is stored as magnetic energy. The magnetic energy is restored by secondary energy. In the embodiment shown, the switching converter comprises a primary winding 119 connected to the low voltage electrical network and two secondary windings 219, 319 galvanically isolated from the primary winding 119. The switching converter also comprises a regulation winding 419, in the form of a third secondary winding, for regulating the converter 19 so that the first and second secondary windings 219, 319 provide an output voltage of a predetermined value, for example, about 15 V. For this, the converter 19 also comprises a regulation module 420 connected to the regulation winding 419 and which regulates the duty ratio of the converter 19 as a function of the output voltage value of the three secondary windings 219, 319, 419, in order to obtain a value of predetermined useful voltage for the respective power supply of the two control modules 13, 17. for example, if the output voltage is too high, the duty cycle is decreased to obtain the predetermined output voltage. This is possible if we consider that the three secondary are similar. Thus, the correct regulation of a secondary winding automatically leads to good regulation of the other two secondary windings. A single switching converter type flyback conversion means 19 is thus perfectly suited for the power of the two control modules 13, 17. The single converter is indeed an economical supply, simple and clever two redundant control modules .
Selon une variante non représentée du dispositif de commande sécurisée 1, les moyens de conversion 19 comprennent deux convertisseurs à découpage. Dans cette variante, chacun des deux convertisseurs comprend un enroulement primaire connecté au réseau électrique basse tension et un enroulement secondaire galvaniquement isolé de l'enroulement primaire. Chaque enroulement secondaire restitue de l'énergie électrique pour alimenter son module de contrôle associé. Chacun des premier et deuxième interrupteurs électroniques 11, 15 comprend un transistor. La grille G du transistor est connectée à une sortie de son module de contrôle associé. Le transistor peut être, par exemple, un IGBT (transistor bipolaire à grille isolée, initiales anglo-saxonnes mises pour Insulated Gate Bipolar Transistor) ou un MOSFET (transistor à effet de champ à structure métal-oxyde-semiconducteur, initiales anglo-saxonnes mises pour Meta/ Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).According to a not shown variant of the secure control device 1, the conversion means 19 comprise two switching converters. In this variant, each of the two converters comprises a primary winding connected to the low-voltage electrical network and a galvanically isolated secondary winding of the primary winding. Each secondary winding restores electrical energy to power its associated control module. Each of the first and second electronic switches 11, 15 comprises a transistor. The gate G of the transistor is connected to an output of its associated control module. The transistor may be, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). for Meta / Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).
Selon le mode de réalisation représenté, le premier module de contrôle 13 comprend un premier microcontrôleur 113 et un premier dispositif de commande de grille 213, et le deuxième module de contrôle 17 comprend un deuxième microcontrôleur 117 et un deuxième dispositif de commande de grille 217. Les deux alimentations fournies par les secondaires du convertisseur 19 sont respectivement destinées à alimenter un ensemble microcontrôleur/dispositif de commande de grille. Les premier et deuxième dispositifs de commande de grille 213, 217 commandent leur transistor 5 associé afin de le commuter entre l'état bloqué (position ouverte) et l'état passant (position fermée). Par exemple, les dispositifs de commande de grille 213, 217 appliquent à la grille du transistor 0 V pour ouvrir le transistor et 12V (dans le cas de MOSFET) ou 15 V (dans le cas de IGBT) pour le fermer. Chaque microcontrôleur 113, 117 contrôle que son transistor associé est piloté 10 à une valeur d'environ 12 V ou 15 V, ne varient pas plus d'environ 2 V pour protéger le transistor. Selon une variante, le dispositif 1 comprend en outre des régulateurs (non représentés) pour chaque microcontrôleur 113, 117 afin de réguler la tension de l'alimentation de ces derniers. Par exemple, la tension de 15 V 15 fournie par les secondaires du convertisseur peut être abaissée à 5 V par les régulateurs. Avantageusement, le dispositif 1 comprend un premier et un deuxième détecteurs de température 35, 37 situés chacun à proximité de l'une des deux résistances chauffantes 31, 33 du module réchauffeur 3 afin de mesurer la 20 température de l'eau chauffée du circuit de refroidissement. Le premier détecteur de température 35 fournit sa valeur de température détectée au premier module de contrôle 13, et le deuxième détecteur de température 37 fournit sa valeur de température détectée au deuxième module de contrôle 17. Si la température de l'eau est proche de son point d'ébullition, par 25 exemple, environ 90°C, l'interrupteur électronique 11, 15 associé au module de contrôle 13, 17 ayant reçu la valeur mesurée est mis en position ouverte par le module de contrôle 13, 17 afin d'arrêter le passage du courant dans le module réchauffeur 3. Comme la valeur de température de l'eau est approximativement la même pour les deux détecteurs, les deux interrupteurs 30 sont mis en position ouverte. La détection de la température fait ainsi partie du diagnostic du bon fonctionnement du dispositif de commande 1. Selon une variante, le module réchauffeur 3 comporte une seule résistance chauffante, et les deux détecteurs de température 35, 37 peuvent se trouver à proximité de l'une unique résistance chauffante. Le premier module de contrôle 13 reçoit les deux valeurs de température mesurées soit à proximité de deux résistances chauffantes, respectivement, soit à proximité d'une seule résistance chauffante.According to the embodiment shown, the first control module 13 comprises a first microcontroller 113 and a first gate control device 213, and the second control module 17 comprises a second microcontroller 117 and a second gate control device 217. The two power supplies provided by the secondary of the converter 19 are respectively intended to supply a microcontroller / gate controller assembly. The first and second gate drivers 213, 217 control their associated transistor 5 to switch between the off state (open position) and the on state (closed position). For example, the gate drivers 213, 217 apply to the gate of the transistor 0 V to open the transistor and 12V (in the case of MOSFET) or 15 V (in the case of IGBT) to close it. Each microcontroller 113, 117 controls that its associated transistor is driven at a value of about 12 V or 15 V, do not vary more than about 2 V to protect the transistor. According to a variant, the device 1 further comprises regulators (not shown) for each microcontroller 113, 117 in order to regulate the supply voltage of the latter. For example, the 15V voltage supplied by the secondary of the converter can be lowered to 5V by the regulators. Advantageously, the device 1 comprises a first and a second temperature detector 35, 37 each located close to one of the two heating resistors 31, 33 of the heating module 3 in order to measure the temperature of the heated water of the heating circuit. cooling. The first temperature detector 35 provides its detected temperature value to the first control module 13, and the second temperature detector 37 supplies its detected temperature value to the second control module 17. If the temperature of the water is close to its boiling point, for example, about 90 ° C, the electronic switch 11, 15 associated with the control module 13, 17 having received the measured value is put in the open position by the control module 13, 17 in order to stop the flow of current in the heater module 3. As the water temperature value is approximately the same for both detectors, the two switches 30 are put in the open position. The detection of the temperature is thus part of the diagnosis of the good functioning of the control device 1. According to one variant, the heating module 3 comprises a single heating resistor, and the two temperature detectors 35, 37 can be located close to the a single heating resistor. The first control module 13 receives the two measured temperature values either close to two heating resistors, respectively, or close to a single heating resistor.
La duplication de certains composants du dispositif de commande (modules de contrôle, interrupteurs électroniques, détecteurs de température) permet ici d'avoir une redondance dans la fonction de ces composants ce qui permet de pallier une quelconque éventuelle défaillance d'un de ces composants. Par exemple, les défaillances d'un module de contrôle peuvent inclure un blocage dû à un verrouillage (terme anglo-saxon catch-up) du circuit et un dysfonctionnement de l'électronique du module de contrôle. Aussi, dans la plupart des cas, la défaillance d'un transistor produit un court-circuit. Dans l'illustration du mode de réalisation, de manière exemplaire, le premier interrupteur électronique 11 et le deuxième interrupteur électronique 15 sont connectés en série entre eux et en série avec les deux résistances chauffantes 31, 33 qui sont arrangées parallèlement dans le module réchauffeur 3. Les deux interrupteurs 11, 15 sont connectés en série du côté du potentiel de masse des résistances chauffantes 31, 33.The duplication of certain components of the control device (control modules, electronic switches, temperature detectors) makes it possible here to have a redundancy in the function of these components which makes it possible to overcome any possible failure of one of these components. For example, the failures of a control module may include a blockage due to a lock (up-term catch-up) of the circuit and a malfunction of the electronics of the control module. Also, in most cases, the failure of a transistor produces a short circuit. In the illustration of the embodiment, in exemplary fashion, the first electronic switch 11 and the second electronic switch 15 are connected in series with each other and in series with the two heating resistors 31, 33 which are arranged in parallel in the heater module 3 The two switches 11, 15 are connected in series on the ground potential side of the heating resistors 31, 33.
Selon d'autres variantes, les interrupteurs peuvent également être connectés en série du côté du potentiel de haute tension des résistances chauffantes, ou en série de part et d'autre des résistances chauffantes. De manière avantageuse, le premier module de contrôle 13 est un module de contrôle maître comprenant un microcontrôleur principal 113 et un dispositif de commande de grille principal 213, et le deuxième module de contrôle 17 est un module de contrôle esclave comprenant un microcontrôleur auxiliaire 117 et un dispositif de commande de grille auxiliaire 217. Les microcontrôleurs principal et auxiliaire 13, 17 communiquent entre eux par une liaison de données 23. Par exemple, cette liaison 23 peut être une liaison SPI (initiales anglo-saxonnes mises pour Serial Peripheral Interface), dans laquelle le module esclave répond aux requêtes du module maître de communiquer selon une horloge générée par le module maître. Par exemple, le module maître 13 peut demander au module esclave 17 de lui communiquer la température mesurée par le deuxième détecteur de température 37. Cette liaison de données 23 est réalisée de manière non galvanique afin de permettre aux deux modules de contrôle 13, 17 de rester flottant l'un par 5 rapport à l'autre. Pour cela, le dispositif 1 selon le deuxième mode de réalisation comprend un module de liaison 27. Le module de liaison 27 comprend, par exemple, un photocoupleur ou un coupleur capacitif (coupleur digital). La communication SPI est bidirectionnelle. La communication permet aux modules de contrôle 13, 17 d'effectuer des séquences de diagnostic qui 10 seront vues plus en détails par la suite. Le module de contrôle maître 13 comprend un module de mesure de courant 313 permettant d'effectuer des mesures du courant de puissance passant dans le premier transistor 11 (transistor principal) et le deuxième transistor 15 (transistor auxiliaire). Lorsque les deux transistors 11, 15 sont 15 fermés, un courant de puissance doit être détecté. Dans tous les autres cas, aucun courant ne doit être mesuré. Ceci permet au module maître 13 de vérifier le bon fonctionnement des deux transistors 11, 15. Cette vérification peut également être effectuée par la mesure de la haute tension à la sortie des éléments chauffants 31, 33. 20 Selon le mode de réalisation de la figure 1, le dispositif de commande sécurisée 1 comprend en outre un module de communication LIN (initiales anglo-saxonnes mises pour Local Interconnect Network) 25 connecté au réseau électrique basse tension, et un moyen de couplage 250 non galvanique entre le module de communication LIN 25 et le microcontrôleur principal 113. 25 La communication LIN est bidirectionnelle. La communication LIN permet de communiquer avec le système de pilotage (microcontrôleur, dispositif de commande, interrupteur) du réchauffeur 3 même si l'alimentation de haute tension dysfonctionne. Ceci permet au module de communication LIN 25 de transmettre des commandes de pilotage du module réchauffeur 3 au 30 microcontrôleur principal 113 afin que le dispositif de commande de grille 213 puisse piloter son transistor 11 en conséquence. Dans le mode réalisation représenté, le microcontrôleur auxiliaire 117 ne dispose pas de moyens de communication avec le réseau basse tension, la communication étant assurée par le microcontrôleur principal 113 via les liaisons LIN et SPI. Les moyens de couplage 250 comprennent, par exemple, un photocoupleur ou un coupleur capacitif (coupleur digital). De manière avantageuse, le module de contrôle maître 13 remplit un 5 certain nombre de fonctions, dont les principales sont : - le diagnostic du bon fonctionnement des premier et deuxième interrupteurs 11, 15, en vérifiant, par exemple, qu'aucun des deux n'est en court-circuit. Ce diagnostic peut être réalisé selon le schéma suivant : 10 o premier interrupteur ouvert et deuxième interrupteur fermé, et o deuxième interrupteur ouvert et premier interrupteur fermé. Dans les deux cas, aucun courant ne doit être détecté. - la vérification du bon fonctionnement du module de contrôle esclave 15 17 au moyen de la liaison de données 23, - le commandement de l'ouverture du premier interrupteur 11 lorsque l'une de ces défaillances est détectée. Les fonctions principales du module de contrôle esclave 17 sont : - la détection d'une défaillance du module de contrôle maître 13 au 20 moyen de la liaison de données 23, - le commandement de l'ouverture du deuxième interrupteur 15 lorsqu'une défaillance est détectée. De manière avantageuse, le module de contrôle maître 13 comprend en outre un module de mesure de haute tension 29 pour mesurer la tension 25 entre le conducteur haute tension 5 et le conducteur de masse 7 du réseau électrique haute tension. En fonction de la valeur de haute tension mesurée, le rapport cyclique de l'interrupteur principal 11 peut être adapté afin d'obtenir la puissance requise des résistances chauffantes 31, 33 du module réchauffeur 3. Ainsi, le mode de réalisation offre, en plus de la redondance précitée 30 dans la fonction des composants du dispositif, une sécurité accrue contre le fonctionnement non voulu des résistances chauffantes grâce à la communication entre les modules de contrôle et les diagnostics qui sont ainsi rendus possibles. De manière préférentielle, le dispositif 1 comporte un module 41 de filtrage EMC (initiales anglo-saxonnes mises pour Electro Magnetic Compatibility) entre le potentiel de basse tension du circuit basse tension et le primaire 119 du convertisseur 19 (montré sur la figure 2). Le module de filtrage EMC est adapté pour supprimer de possibles variations de tensions, par exemple dues à la pollution électromagnétique provenant du fonctionnement du convertisseur 19.According to other variants, the switches can also be connected in series on the high voltage potential side of the heating resistors, or in series on either side of the heating resistors. Advantageously, the first control module 13 is a master control module comprising a main microcontroller 113 and a main gate control device 213, and the second control module 17 is a slave control module comprising an auxiliary microcontroller 117 and an auxiliary gate control device 217. The main and auxiliary microcontrollers 13, 17 communicate with each other via a data link 23. For example, this link 23 may be an SPI link (Serial Peripheral Interface set). wherein the slave module responds to requests from the master module to communicate according to a clock generated by the master module. For example, the master module 13 can ask the slave module 17 to communicate the temperature measured by the second temperature detector 37. This data link 23 is made non-galvanically to allow the two control modules 13, 17 of stay floating one by 5 relative to the other. For this purpose, the device 1 according to the second embodiment comprises a connection module 27. The connection module 27 comprises, for example, a photocoupler or a capacitive coupler (digital coupler). SPI communication is bidirectional. The communication enables the control modules 13, 17 to carry out diagnostic sequences which will be seen in more detail later. The master control module 13 comprises a current measurement module 313 making it possible to measure the power current flowing in the first transistor 11 (main transistor) and the second transistor 15 (auxiliary transistor). When both transistors 11, 15 are closed, a power current must be detected. In all other cases, no current should be measured. This allows the master module 13 to verify the proper operation of the two transistors 11, 15. This verification can also be performed by measuring the high voltage at the output of the heating elements 31, 33. According to the embodiment of FIG. 1, the secure control device 1 further comprises a LIN communication module (English initials set for Local Interconnect Network) 25 connected to the low-voltage electrical network, and a non-galvanic coupling means 250 between the LIN communication module 25 and the main microcontroller 113. The LIN communication is bidirectional. LIN communication makes it possible to communicate with the control system (microcontroller, control device, switch) of the heater 3 even if the high voltage supply malfunctions. This allows the LIN communication module 25 to transmit control commands from the heater module 3 to the main microcontroller 113 so that the gate control device 213 can drive its transistor 11 accordingly. In the embodiment shown, the auxiliary microcontroller 117 has no means of communication with the low voltage network, the communication being provided by the main microcontroller 113 via LIN and SPI. The coupling means 250 comprise, for example, a photocoupler or a capacitive coupler (digital coupler). Advantageously, the master control module 13 performs a certain number of functions, the main ones of which are: - the diagnosis of the good operation of the first and second switches 11, 15, verifying, for example, that neither of the two 'is in short circuit. This diagnosis can be made according to the following diagram: 10 o first open switch and second closed switch, and o second open switch and first closed switch. In both cases, no current should be detected. - Check the proper operation of the slave control module 15 17 by means of the data link 23, - the command of the opening of the first switch 11 when one of these failures is detected. The main functions of the slave control module 17 are: - the detection of a failure of the master control module 13 by means of the data link 23, - the command of the opening of the second switch 15 when a failure is detected. Advantageously, the master control module 13 further comprises a high voltage measurement module 29 for measuring the voltage between the high voltage conductor 5 and the ground conductor 7 of the high voltage electrical network. Depending on the measured high voltage value, the duty cycle of the main switch 11 can be adapted to obtain the required power of the heating resistors 31, 33 of the heater module 3. Thus, the embodiment offers, in addition of the aforementioned redundancy in the function of the device components, an increased security against the unwanted operation of the heating resistors through the communication between the control modules and the diagnoses that are thus made possible. Preferably, the device 1 comprises an EMC filtering module 41 (English initials set for Electro Magnetic Compatibility) between the low voltage potential of the low voltage circuit and the primary 119 of the converter 19 (shown in FIG. 2). The EMC filtering module is adapted to suppress possible voltage variations, for example due to the electromagnetic pollution resulting from the operation of the converter 19.
Avantageusement, le dispositif 1 de commande sécurisée comporte également des détecteurs de température 38, 39 à proximité des transistors afin de mesurer la température de ces derniers. La température des transistors peut varier en fonction de l'environnement, p.ex. dû au chauffage par le moteur. Quand la température dépasse une certaine valeur, par exemple, environ 120°C, le transistor concerné est ouvert afin de le protéger.Advantageously, the secure control device 1 also comprises temperature detectors 38, 39 near the transistors in order to measure the temperature of the latter. The temperature of the transistors may vary depending on the environment, eg due to heating by the motor. When the temperature exceeds a certain value, for example, about 120 ° C, the transistor concerned is open to protect it.
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