FR3109225A1 - Procede de protection electrique d'un element conducteur d'une chaine de traction hybride ou electrique - Google Patents

Procede de protection electrique d'un element conducteur d'une chaine de traction hybride ou electrique Download PDF

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Abstract

L'invention porte sur un procédé de protection électrique d'éléments conducteurs (18) appartenant à une chaîne de traction (10) comportant une pluralité de composants électriques connectés à un réseau électrique (15) au moyen desdits éléments conducteurs (18), ledit réseau électrique (15) étant alimenté par une batterie (13), ledit procédé comportant: - une étape de détermination d'une température d'au moins un élément conducteur, - une étape de détermination d'un courant maximal admissible par l'élément conducteur (18) en fonction de la température précédemment déterminée, - une étape de calcul d'une puissance électrique maximale admissible par l'élément conducteur (18), et - une étape de commande en puissance électrique d'un composant relié électriquement à l'élément conducteur (18) de façon à ne pas dépasser la puissance maximale admissible par l'élément conducteur (18) calculée précédemment. Figure 2

Description

PROCEDE DE PROTECTION ELECTRIQUE D'UN ELEMENT CONDUCTEUR D'UNE CHAINE DE TRACTION HYBRIDE OU ELECTRIQUE
La présente invention porte sur un procédé de protection électrique d'un élément conducteur d'une chaîne de traction hybride ou électrique.
On connaît des chaînes de traction hybride de véhicule automobile comportant un moteur thermique de traction et au moins une machine électrique. Cette machine électrique est apte à fonctionner en mode moteur pour assurer une traction du véhicule seule ou en combinaison avec le moteur thermique. Cette machine électrique est également apte à fonctionner en mode générateur pour fournir de l'énergie à une batterie du véhicule.
A cet effet, la machine électrique est connectée à un premier réseau électrique, dit réseau électrique haute tension, alimenté par la batterie. La batterie présente une tension de fonctionnement de l’ordre de 48 Volts pour les applications associant un moteur électrique de faible puissance à un moteur thermique pour permettre d'assurer l'arrêt et le redémarrage du moteur thermique en fonction des conditions de circulation et le cas échéant une assistance à la traction (applications dite "mild-hybrid" en anglais) ou à tensions plus élevées pour les applications hybrides, ou électrique, ou à pile à combustible. D'autres charges électriques pourront également être connectées sur le réseau électrique. Les composants sont reliés électriquement au réseau électrique haute tension au moyen d'éléments conducteurs de type câbles, pistes conductrices ("busbars" en anglais) ménagées sur des cartes électroniques, et connecteurs.
Le réseau électrique est interfacé avec un deuxième réseau électrique, dit réseau électrique basse tension, par l'intermédiaire d'un convertisseur continu/continu. Un démarreur assurant les démarrages à froid du moteur thermique, ainsi que des consommateurs électriques du véhicule de type éclairage, actionneurs de vitres ou de sièges, et contrôle moteur, sont connectés au réseau électrique basse tension. Ce réseau électrique basse tension est alimenté par une batterie présentant une tension de fonctionnement inférieure à celle du réseau électrique haute tension. La batterie du réseau électrique basse tension pourra présenter une tension de préférence de l'ordre de 12 Volts.
En raison de contraintes d’implantation de l’architecture, il peut être nécessaire de limiter le nombre de fusibles électriques ainsi que la section des câbles, pistes électriques, et connecteurs utilisés.
Or, les éléments conducteurs du réseau électrique sont sensibles à la température. La figure 1 montre un exemple de courbes limites de surintensité pour un câble réalisé en cuivre. La courbe C1 correspondant à un courant en fonction du temps a été obtenue pour une température de 150°C. La courbe C2 correspondant à un courant en fonction du temps a été obtenue pour une température de 225°C. La zone de fonctionnement nominal Z1 se situe à gauche de la courbe C1 et la zone de fonctionnement non autorisée Z2 se situe à droite de la courbe C2. Le principe est le même pour une piste électrique ou un connecteur sans zone de tolérance.
Il existe donc le besoin de pouvoir superviser en temps réel la température des éléments conducteurs afin d'éviter les surintensités susceptibles de les endommager.
L'invention vise à combler efficacement ce besoin en proposant un procédé de protection électrique d'éléments conducteurs appartenant à une chaîne de traction comportant une pluralité de composants électriques connectés à un réseau électrique au moyen desdits éléments conducteurs, ledit réseau électrique étant alimenté par une batterie, ledit procédé comportant:
- une étape de détermination d'une température d'au moins un élément conducteur,
- une étape de détermination d'un courant maximal admissible par l'élément conducteur en fonction de la température précédemment déterminée,
- une étape de calcul d'une puissance électrique maximale admissible par l'élément conducteur, et
- une étape de commande en puissance électrique d'un composant relié électriquement à l'élément conducteur de façon à ne pas dépasser la puissance maximale admissible par l'élément conducteur calculée précédemment.
L'invention permet ainsi de faire fonctionner le réseau électrique jusqu'à ses limites de performance tout en évitant d'avoir recours à des fusibles encombrants ou des éléments conducteurs surdimensionnés.
Selon une mise en œuvre de l'invention, ledit procédé comporte en outre une étape de mise en sécurité consistant à ouvrir un contacteur de la batterie dans le cas où une température de l'élément conducteur dépasse un seuil pendant une durée limite.
Selon une mise en œuvre de l'invention, ledit procédé comporte une étape de diagnostic consistant à lever un défaut dans le cas où une température de l'élément conducteur dépasse un seuil pendant une durée limite.
Selon une mise en œuvre de l'invention, la température de l'élément conducteur est déterminée à partir d'un modèle thermique tenant compte d'un courant traversant l’élément conducteur, d'une température d'un composant proche, de phénomènes de convection entre l'élément conducteur et le composant proche, et de phénomènes de capacité thermique de l'élément conducteur.
Selon une mise en œuvre de l'invention, le modèle prend en compte une information de température ambiante au niveau d'un composant du réseau électrique proche de l'élément conducteur.
Selon une mise en œuvre de l'invention, le modèle thermique s'affranchit d'une information de température ambiante en se plaçant dans les pires conditions de température possible.
Selon une mise en œuvre de l'invention, une puissance électrique allouée au composant est déterminée en utilisant un régulateur de type Proportionnel, Intégral, Dérivé (PID).
Selon une mise en œuvre de l'invention, l'élément conducteur est choisi parmi: un câble, une piste électrique, ou un connecteur.
L'invention a également pour objet un superviseur comportant une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre du procédé de protection électrique d'éléments conducteurs appartenant à une chaîne de traction tel que précédemment défini.
L'invention concerne en outre un véhicule automobile comportant un superviseur tel que précédemment défini.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.
La figure 1, déjà décrite, illustre les zones de fonctionnement nominal et non autorisé d'un élément conducteur;
La figure 2 est un schéma électrique d'une chaîne de traction hybride avec laquelle est mis en œuvre le procédé selon l'invention de protection d'un élément conducteur;
La figure 3 est une représentation schématique des différents modules fonctionnels implémentés dans un superviseur mettant en œuvre le procédé selon l'invention de protection d'un élément conducteur;
La figure 4 est une représentation schématique des différents blocs fonctionnels mis en œuvre pour déterminer une puissance maximale pouvant circuler sur un élément conducteur;
La figure 5 est une représentation schématique d'un modèle permettant de déterminer une température d'un élément conducteur.
Les éléments identiques, similaires, ou analogues, conservent la même référence d'une figure à l'autre.
La figure 2 représente un schéma électrique d'une chaîne de traction 10 hybride comportant un moteur thermique 11 de traction et au moins une machine électrique 12. Cette machine électrique 12 est apte à fonctionner en mode moteur pour assurer une traction du véhicule seule ou en combinaison avec le moteur thermique 11. Cette machine électrique 12 est également apte à fonctionner en mode générateur pour fournir de l'énergie à une batterie 13 du véhicule.
A cet effet, la machine électrique 12 est connectée, via une carte de puissance 14, à un premier réseau électrique 15, dit réseau électrique haute tension, alimenté par la batterie 13. La batterie 13 présente une tension de fonctionnement égale ou supérieur à 48 Volts pour les applications associant un moteur électrique de faible puissance à un moteur thermique pour permettre d'assurer l'arrêt et le redémarrage du moteur thermique en fonction des conditions de circulation et le cas échéant une assistance à la traction (applications dite "mild-hybrid" en anglais) ou à tensions plus élevées pour les applications hybrides, ou électrique, ou à pile à combustible. D'autres charges électriques 17 pourront également être connectées sur le réseau électrique 15.
Les composants sont reliés électriquement au réseau électrique 15 au moyen d'éléments conducteurs 18 de type câbles, connecteurs, et pistes conductrices ("busbars" en anglais) ménagées sur des cartes électroniques sous forme de conducteurs généralement en cuivre de section ronde ou rectangulaire. Les composants pourront être reliés au réseau électrique 15 via un boîtier de distribution électrique 16 (ou "junction box" en anglais).
Une machine électrique 12 pourra présenter une puissance comprise entre 15kW et 25kW et fournir un couple compris entre 55Nm et 100Nm. La machine électrique pourra par exemple être une machine de type synchrone à aimants permanents.
Le réseau électrique haute tension 15 est interfacé avec un deuxième réseau électrique 20, dit réseau électrique basse tension, par l'intermédiaire d'un convertisseur continu/continu 21. Un démarreur 23 assurant les démarrages à froid du moteur thermique 11, ainsi que des consommateurs électriques 24 du véhicule de type éclairage, actionneurs de vitres ou de sièges, et contrôle moteur, sont connectés au réseau électrique 20. Ce réseau électrique 20 est alimenté par une batterie 25 présentant une tension de fonctionnement inférieure à celle du réseau électrique haute tension 15. La batterie 25 pourra par exemple présenter une tension de préférence de l'ordre de 12 Volts.
Par ailleurs, un superviseur 27 comporte une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention de protection électrique des éléments conducteurs 18. Ces instructions logicielles pourront permettre d'implémenter notamment un module général de limitation de puissance 28 et un module de gestion énergétique 29 de la chaîne de traction 10, tel que cela est montré sur la figure 3. Le module de limitation de puissance 28 met en œuvre des blocs fonctionnels 31-33 décrits plus en détails ci-après en référence avec la figure 4.
Plus précisément, le bloc fonctionnel 31 détermine une température d'au moins un élément conducteur 18. A cet effet, les pistes conductrices et le connecteur sont modélisés de la même façon qu'un câble. Ces éléments sont représentés au moins en partie par le modèle montré sur la figure 5.
Ce modèle prend en compte un courant traversant l’élément conducteur 18, une température d'un composant proche 12.1, 12.2, des phénomènes de convection entre l'élément conducteur 18 et le composant proche 12.1, 12.2 (machine électrique ou autre charge électrique du réseau électrique 15), ainsi que, le cas échéant, la température ambiante au niveau du composant proche de l'élément conducteur 18, et les phénomènes de capacité thermique de l'élément conducteur 18.
Les valeurs de température issues de ce modèle sont calculées en temps réel par le bloc fonctionnel 31.
La température ambiante au niveau du composant proche de l'élément conducteur 18 peut être difficile à déterminer ou à estimer. On peut donc simplifier le modèle en calibrant le modèle thermique dans les pires conditions de température possibles, soit une situation dite "pire cas". Suivant un exemple de mise en œuvre, dans la situation "pire cas" correspondant à des paramètres obtenus par exemple pour la traction par le véhicule d’une caravane en montagne en plein été.
En considérant qu'un élément conducteur 18 comporte une partie électriquement conductrice réalisée dans un matériau électriquement conducteur, tel que le cuivre, et une partie isolante, ce modèle thermique, qui présente une précision de l’ordre 10°C, peut s'exprimer de la façon suivante:
Avec
Coeff6 ne doit jamais être égal à 0 sinon il n'y a pas de convergence vers la température Tambiant.
Avec:
- coeffR étant une résistance équivalent d'un élément conducteur,
- Ifil étant le courant traversant l’élément conducteur connecté,
- Tcomp1 étant la température de l’élément conducteur connecté à droite,
- Tcomp2 étant la température de l’élément conducteur connecté à gauche,
- Tbatt étant la température de la batterie,
- Tambiant étant la température ambiante au niveau d'un composant proche de l'élément conducteur,
- Tfil étant la température de la partie conductrice de l'élément conducteur,
- Tisolant étant la température d'une partie isolante de l'élément conducteur,
- Rcond1 étant la résistance thermique de la partie conductrice de l'élément conducteur connecté à droite
- Rcond2 étant la résistance thermique de la partie conductrice de l'élément conducteur connecté à gauche,
- Cfil étant la capacité thermique de la partie conductrice de l'élément conducteur, et
- Rconv étant le coefficient de convection entre un composant le plus proche et l'élément conducteur.
Par ailleurs, sur la figure 5 :
- Ccomp1 est la capacité thermique de l’élément conducteur connecté à droite,
- Ccomp2 est la capacité thermique de l’élément conducteur connecté à gauche, et
- Φambiant étant l'échauffement ambiant autour de l'élément conducteur.
En prenant l’hypothèse d’un courant constant I sur les T secondes suivantes entre les instants T et T1, le bloc fonctionnel 32 détermine le courant maximal Imax admissible par l'élément conducteur 18 selon l’équation suivante :
La racine carrée de cette expression est de préférence calculée par l’algorithme de Héron.
Ce courant maximal admissible Imax pourra être déterminé de façon instantané et pour différents horizons de temps, par exemple à 30s, 60s, ou autre. Pour la batterie 13, ce courant maximal Imax pourra être un courant maximal de charge ou de décharge suivant son mode de fonctionnement.
En multipliant ce courant Imax par la tension de la batterie 13, le bloc fonctionnel 33 déduit une puissance électrique maximale Pmax admissible par l'élément conducteur 18.
Comme on peut le voir sur la figure 3, les différents blocs fonctionnels 31-33 sont implémentés dans les sous-modules de limitation en puissance 35.1-35.5. Le module 35.1 détermine la limitation en puissance sur un connecteur de la batterie 13. Le module 35.2 détermine la limitation en puissance sur un câble entre la batterie 13 et le boîtier de distribution 16. Le module 35.3 détermine la limitation en puissance sur un câble entre une première machine électrique 12.1 et le boîtier de distribution 16. Le module 35.4 détermine la limitation en puissance sur le câble entre une deuxième machine électrique 12.2 et le boîtier de distribution 16. Le module 35.5 détermine la limitation en puissance sur le câble du convertisseur continu/continu 21 relié au réseau électrique haute tension 15.
Pour la batterie 13, un module 36 pourra sélectionner le minimum (ou le maximum en fonction de l'état de fonctionnement de la batterie 13 en décharge ou en charge) parmi la limitation en puissance sur le connecteur de la batterie 13, la limitation en puissance sur le câble entre la batterie 13 et le boîtier de distribution 16, et une prédiction de puissance Pred nécessaire à la batterie 13 pour alimenter les différents composants du véhicule.
Le module de gestion énergétique 29 commande en puissance électrique un composant relié électriquement à un élément conducteur 18 correspondant de façon à ne pas dépasser la puissance maximale admissible par ledit élément conducteur 18 calculée précédemment.
Pour prendre en considération les chutes de tension et les erreurs de calcul, on utilise de préférence un régulateur PID 37.1-.7.3 (Proportionnel, Intégral, Dérivé) pour déterminer une puissance électrique allouée à chaque composant. Ainsi, un régulateur 37.1 est connecté en sortie du module 36 de façon à générer un signal ne dépassant pas le seuil de puissance issu du module 36. Pour la batterie 13, le régulateur 37.1 permet ainsi de s'assurer que la puissance maximale autorisée ne dépasse pas la puissance maximale de décharge Pmax_dech lorsque la batterie 13 fonctionne dans un mode de décharge ou la puissance maximale de charge Pmax_ch lorsque la batterie 13 fonctionne dans un mode de charge.
En outre, un régulateur 37.2 est connecté en sortie du module de limitation en puissance 35.3 de la machine électrique 12.1. Un régulateur 37.3 est connecté en sortie du module de limitation en puissance 35.4 de la machine électrique 12.2.
Par ailleurs, un module 40 gère le diagnostic de fonctionnement des différents composants du réseau électrique haute tension 15.
Dans le cas où la puissance maximale admissible par un élément conducteur 18 est inférieure à la puissance maximale souhaitée par un composant, le module de gestion énergétique 29 limitera la puissance distribuée au composant, ce qui aura pour effet de dégrader les performances du véhicule automobile.
Pour une application hybride, cela peut se traduire par un redémarrage immédiat du moteur thermique 11, de sorte que le véhicule perd la fonction de roulage électrique. S'il y a lieu, le véhicule automobile pourra également perdre une fonction d'arrêt et de redémarrage automatique du moteur thermique (fonction dite "stop and start" en anglais), en particulier lorsque cette fonction est assurée par une machine électrique dont la puissance doit être limitée temporairement.
Pour une application purement électrique, la dégradation des performances pourra se traduire par une limitation du couple fourni aux roues par la ou les machines électriques de traction.
Le superviseur 27 pourra également assurer une mise en sécurité du système basée directement sur la température d'un élément conducteur 18. Le superviseur 27 pourra ainsi commander une ouverture d'un contacteur de la batterie 13 dans le cas où une température de l'élément conducteur 18 dépasse un seuil, par exemple de l'ordre de 150 degrés pendant une durée limite par exemple de l'ordre de 200ms. Par "de l'ordre de", on entend une variation de plus ou moins 10% autour de la valeur cible.
En outre, le module de gestion du diagnostic 40 pourra lever un défaut dans le cas où une température de l'élément conducteur 18 dépasse le seuil pendant la durée limite. Les informations relatives à la levée de ce défaut permettront de choisir l’opération à effectuer en service après-vente comme par exemple, un changement d'un faisceau de câbles électrique sur le réseau 48V.
La température seuil et la durée limite pourront varier en fonction du type d’élément conducteur 18 dont il s’agit, à savoir un fil, une piste électrique, ou un connecteur.

Claims (10)

  1. Procédé de protection électrique d'éléments conducteurs (18) appartenant à une chaîne de traction (10) comportant une pluralité de composants électriques (12.1, 12.2, 17) connectés à un réseau électrique (15) au moyen desdits éléments conducteurs (18), ledit réseau électrique (15) étant alimenté par une batterie (13),
    caractérisé en ce que ledit procédé comporte:
    - une étape de détermination d'une température d'au moins un élément conducteur (18),
    - une étape de détermination d'un courant maximal (Imax) admissible par l'élément conducteur (18) en fonction de la température précédemment déterminée,
    - une étape de calcul d'une puissance électrique maximale (Pmax) admissible par l'élément conducteur (18), et
    - une étape de commande en puissance électrique d'un composant (12.1, 12.2) relié électriquement à l'élément conducteur (18) de façon à ne pas dépasser la puissance maximale admissible par l'élément conducteur (18) calculée précédemment.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de mise en sécurité consistant à ouvrir un contacteur de la batterie (13) dans le cas où une température de l'élément conducteur (18) dépasse un seuil pendant une durée limite.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de diagnostic consistant à lever un défaut dans le cas où une température de l'élément conducteur (18) dépasse un seuil pendant une durée limite.
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la température de l'élément conducteur (18) est déterminée à partir d'un modèle thermique tenant compte d'un courant traversant l’élément conducteur (18), d'une température d'un composant proche (12.1, 12.2), de phénomènes de convection entre l'élément conducteur (18) et le composant proche (12.1, 12.2), et de phénomènes de capacité thermique de l'élément conducteur (18).
  5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le modèle prend en compte une information de température ambiante au niveau d'un composant (12.1, 12.2) du réseau électrique (15) proche de l'élément conducteur (18).
  6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le modèle thermique est calibré en se plaçant dans les pires conditions de température possibles obtenues pour la traction par un véhicule d’une caravane en montagne en plein été.
  7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une puissance électrique allouée au composant est déterminée en utilisant un régulateur de type Proportionnel, Intégral, Dérivé (PID).
  8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'élément conducteur (18) est choisi parmi: un câble, une piste électrique, ou un connecteur.
  9. Superviseur (27) comportant une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre du procédé de protection électrique d'éléments conducteurs (18) appartenant à une chaîne de traction (10) tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes.
  10. Véhicule automobile comportant un superviseur (27) tel que défini selon la revendication 9.
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FR3146841A1 (fr) 2023-03-20 2024-09-27 Psa Automobiles Sa Procede de protection electrique d'elements conducteurs d'une chaine de traction hybride ou electrique

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