FR3116987A1 - Dispositif de pilotage de l’alimentation électrique d’une source lumineuse pour véhicules automobiles - Google Patents
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Abstract
L’invention propose un dispositif de pilotage de l’alimentation électrique d’un module lumineux pour véhicule automobile, qui réduit les pertes thermiques par rapport à des architectures connues faisant intervenir un montage en série d’un convertisseur élévateur de tension suivi d’un convertisseur abaisseur de tension. (Fig. 1))
Description
Cette invention est liée au domaine des systèmes d'éclairage de véhicules automobiles, et plus particulièrement à un dispositif de pilotage de l’alimentation électrique faisant recours à des circuits convertisseurs de tension électrique.
Une diode électroluminescente, LED, est un composant électronique semi-conducteur capable d’émettre de la lumière d’une longueur d’onde prédéterminée lorsqu’une tension électrique au moins égale à une valeur seuil est appliquée à ses terminaux. Au-delà de cette valeur seuil appelée tension directe, l’intensité du flux lumineux émis par une LED augmente en général avec l’intensité du courant électrique d’alimentation. Leur petite taille et leur faible consommation en électricité rendent les composants LED intéressants dans le domaine des modules lumineux pour véhicules automobiles. Des sources lumineuses de type LED peuvent par exemple être utilisées pour réaliser des signatures optiques distinctives en plaçant les composants le long de contours prédéterminés. En utilisant des composants LED, la réalisation de feux à fonctions lumineuses multiples est également facilitée.
Il est également connu d’utiliser des sources lumineuses pixélisées de différents types de technologies pour projeter ces faisceaux lumineux à partir de données d’image. Il s’agit par exemple de la technologie monolithique, suivant laquelle une pluralité importante de sources élémentaires de type diode électroluminescente, LED, équivalentes à des pixels, sont gravées dans un substrat semi-conducteur commun. Des connexions électriques intégrées permettent d'activer les pixels indépendamment les uns des autres. Une autre technologie connue est celle des microLED, qui engendre une matrice de LEDs de faibles dimensions, typiquement inférieures à 150µm. Il existe aussi des modules de type à micro-miroirs, DMD (« Digital Micro-Mirror Device »), qui impliquent une technologie de projection utilisant un modulateur d'intensité sur un faisceau uniforme. Des micro-miroirs, dont la position est commandée moyennant des éléments piézo-électriques, sont orientés de manière à réfléchir sélectivement un faisceau lumineux incident, de manière à ce que chaque micro-miroir corresponde à une source élémentaire de la matrice de pixels ainsi générée. La lumière issue d’une source est dirigée sur la matrice de micro-miroirs par une optique.
Des dispositif lumineux complexes peuvent combiner des sources lumineuses de type LED et des sources lumineuses de type LED pixélisées pour réaliser différentes fonctions lumineuses d’un véhicule automobile. Par exemple, une source lumineuse LED peut être utilisée pour réaliser une fonction de type « feux de croisement » (LB, « Low Beam ») alors qu’une source lumineuse pixélisée peut être utilisée pour réaliser des fonctions « feux de route » (HB, « High Beam »), ou des fonctions complexes telles que l’ADB (« Adaptive Driving Beam ») ou autres. Souvent, les tensions de charges fournies par une alimentation et nécessaires à la réalisation de fonctions lumineuses plus complexes et lumineuses (HB, ADB, ...), et destinées par exemple à des sources lumineuses pixélisées, doivent être plus élevées que les tensions de charges nécessaires pour l’alimentation électrique des fonctions de base (LB, ...).
Afin de garantir une alimentation électrique adaptée pour les sources lumineuses d’un véhicule automobile, il est connu d’utiliser un dispositif de pilotage faisant intervenir des convertisseurs à découpage de type élévateur de tension et abaisseur de tension. Ces convertisseurs sont gérés par un signal de découpage, typiquement de type modulation de largeur d’impulsion, PWM (« Pulse Width Modulation »). La fréquence de découpage impacte le niveau de tension à la sortie du convertisseur. Il est connu d’utiliser un montage en série d’un convertisseur de type élévateur de tension, suivi d’un convertisseur de type abaisseur de tension, afin de garantir un niveau de tension de sortie sensiblement stable. Les circuits convertisseurs génèrent de la chaleur qui doit être dissipée par des éléments de dissipation thermique encombrants et engendrent donc des pertes de puissance, surtout s’ils sont opérés à des fréquences de découpage élevées.
Comme le niveau de tension d’entrée fourni par une batterie du véhicule automobile peut varier dans le temps (typiquement avec la fonction « Start & Stop », des variations de tension d’entrée Vin peuvent apparaitre entre le moment où le moteur est arrêté, et donc avec pour seule alimentation la batterie du véhicule, et le moment où le moteur est en fonctionnement où la batterie et l’alternateur participent à l’alimentation) et comme la tension directe, également appelée tension nominale, requise peut dépendre de la fonction lumineuse utilisée, l’utilisation des deux étages de conversion, élévateur suivi d’abaisseur, est utile mais dans certains cas d’utilisation, ne s’avère pas toujours strictement nécessaire. Dans de tels cas, leur utilisation jointe engendre essentiellement des pertes thermiques et une perte d’espace, due au besoin de dissipation thermique, dans l’espace typiquement restreint disponible à la réalisation d’un dispositif lumineux pour un véhicule automobile.
L’invention a pour objectif de pallier à au moins un des problèmes posés par l’art antérieur. Plus précisément, l’invention a pour objectif de proposer un dispositif de pilotage de l’alimentation électrique d’un module lumineux pour véhicule automobile, qui réduit les pertes thermiques par rapport à des architectures connues faisant intervenir un montage en série d’un convertisseur élévateur de tension suivi d’un convertisseur abaisseur de tension.
Selon un premier aspect de l’invention, un dispositif de pilotage de l’alimentation électrique d’un module lumineux pour un véhicule automobile est proposé. Le dispositif comprend un montage convertisseur destiné à convertir une tension d’entrée, Vin, en une tension de charge, Vled, à destination du module lumineux. Le montage convertisseur comprend un premier circuit convertisseur élévateur de tension et un deuxième circuit convertisseur abaisseur de tension, monté en série en aval du premier circuit convertisseur. Le dispositif de pilotage est remarquable en ce que le montage convertisseur comprend une unité de commande destinée à court-circuiter de manière sélective le premier circuit convertisseur lorsque la tension d’entrée, Vin, est supérieure à une valeur seuil, S, prédéterminée.
Le premier circuit convertisseur peut de préférence comprendre un convertisseur à découpage, de préférence de type « boost ».
Le deuxième circuit convertisseur peut de préférence comprendre un convertisseur à découpage, de préférence de type « buck ».
Le montage convertisseur peut préférentiellement comprendre une branche reliant l’entrée du premier circuit convertisseur à sa sortie, la branche comprenant un élément interrupteur dont l’état d’ouverture est commandé par un signal issu de l’unité de commande.
De préférence, un élément interrupteur peut être monté en parallèle avec le premier circuit convertisseur.
L’élément interrupteur peut de préférence comprendre un transistor à effet de champ, de préférence de type MOSFET.
De préférence, l’unité de commande peut comprendre un circuit comparateur destiné à comparer la valeur de tension d’entrée, Vin, à la valeur seuil.
L’unité de commande peut de préférence comprendre un élément microcontrôleur. L’élément microcontrôleur peut de préférence être programmé moyennant un code logiciel approprié pour réaliser la fonction de ladite unité de commande.
De manière préférée, valeur seuil peut être sensiblement égale ou supérieure à une valeur souhaitée pour la tension de charge, Vled. A titre purement illustratif, la tension de charge souhaitée peut être de 10V, 11V ou 12V.
Selon un autre aspect de l’invention, un dispositif d’éclairage pour un véhicule automobile est proposé. Le dispositif d’éclairage comprend un module lumineux et un dispositif de pilotage l’alimentation électrique dudit module lumineux selon un aspect de l’invention. Le module lumineux comprend au moins une source lumineuse à élément semi-conducteur électroluminescent.
Le module lumineux peut de préférence comprendre un dispositif à micro-miroirs de type DMD (« Digital Mirror Device »).
Selon encore un autre aspect de l’invention, un procédé de pilotage de l’alimentation électrique d’un module lumineux pour un véhicule automobile est proposé. Le pilotage se fait moyennant un dispositif de pilotage comprenant un montage convertisseur destiné à convertir une tension d’entrée, Vin, en une tension de charge, Vled, à destination du module lumineux, le montage convertisseur comprenant un premier circuit convertisseur élévateur de tension et un deuxième circuit convertisseur abaisseur de tension, monté en série en aval du premier circuit convertisseur. Le procédé est remarquable en ce qu’il comprend les étapes de :
a) comparaison de la de la valeur de la tension d’entrée, Vin, à une valeur seuil, S, prédéterminée moyennant une unité de commande;
b) court-circuiter de manière sélective le premier circuit convertisseur lorsque la tension d’entrée en fonction du résultat de ladite comparaison.
Le premier circuit convertisseur peut préférentiellement être court-circuité lorsque la tension d’entrée, Vin, est supérieure à une valeur seuil, S, prédéterminée.
En utilisant les mesures proposées par la présente invention, il devient possible de proposer un dispositif de pilotage de l’alimentation électrique d’un module lumineux pour véhicule automobile, qui réduit les pertes de puissance thermique par rapport à des architectures connues faisant intervenir un montage en série d’un convertisseur élévateur de tension suivi d’un convertisseur abaisseur de tension. Selon des modes de réalisation de l’invention, une unité de commande permet de court-circuiter le convertisseur élévateur de tension lorsque la tension en entrée du montage est suffisamment élevée par rapport à la tension directe requise à la sortie du montage. Pour des applications faisant rarement appel à des tensions directes importantes, il devient alors par exemple possible d’améliorer le rendement global du dispositif de pilotage ou encore de réduire l’empreinte spatiale d’un élément de dissipation thermique destinée à dissiper la chaleur émise par les circuits convertisseurs. Si on n’a pas besoin du convertisseur élévateur de tension, il est automatiquement court-circuité. Dans ce mode inactif, il ne génère pas de pertes de puissance sous forme de chaleur émise, ou bien il génère des pertes fortement réduites par rapport à un fonctionnement continu.
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à l’aide de la description des exemples et des dessins parmi lesquels :
- est une illustration schématisée d’un montage convertisseur en accord avec un mode de réalisation préféré de l’invention ;
- est une illustration schématisée montrant les étapes principales en accord avec un procédé selon un mode de réalisation préféré de l’invention.
Sauf indication spécifique du contraire, des caractéristiques techniques décrites en détail pour un mode de réalisation donné peuvent être combinées aux caractéristiques techniques décrites dans le contexte d’autres modes de réalisation décrits à titre d’exemples et de manière non limitative.
La description se concentre sur les éléments d’un dispositif et procédé de pilotage de de l’alimentation électrique d’un module lumineux pour un véhicule automobile, qui sont nécessaires à la compréhension de l’invention. D’autres éléments, qui font de manière connue partie de tels dispositifs, ne seront pas mentionnés ni décrits en détails. Par exemple, la présence d’une d’un support ou d’éléments de dissipation thermique sont implicites pour le fonctionnement d’un tel dispositif.
La montre un montage convertisseur 100 selon un mode de réalisation préférentiel de l’invention, tel qu’il intervient dans un dispositif de pilotage de l’alimentation de sources lumineuses d’un module lumineux pour un véhicule automobile. Le montage convertisseur est destiné à convertir une tension continue d’entrée, Vin, fournie par exemple par une batterie interne au véhicule automobile, en une tension continue de charge, Vled, destinée à alimenter le module lumineux, qui n’est pas illustré. Le module lumineux peut par exemple comprendre au moins une source lumineuse de type diode électroluminescente, LED, une source lumineuse pixellisée, un dispositif à micro-miroirs, ou un assemblage d’une pluralité de sources lumineuses différentes, sans pour autant limiter l’invention à ces exemples. À tout moment, la tension de charge Vled doit être au moins égale à la valeur de la tension directe requise pour que la ou les sources lumineuses en question laissent un courant électrique les traverser.
Le montage convertisseur 100 comprend un premier circuit convertisseur élévateur de tension, 120, ainsi qu’un deuxième circuit convertisseur abaisseur de tension, 130, monté en série en aval du premier circuit convertisseur, 120. Les deux circuits convertisseurs peuvent de préférence être conçus selon une architecture à découpage. De tels convertisseurs à découpage sont bien connus en soi dans l’art et leur fonctionnement ne sera pas détail dans le cadre de la présente invention. Un convertisseur à découpage élévateur de tension selon une architecture « boost » permet transformer une tension continue fournie à son entrée Vin en une tension continue de valeur plus élevée Vin’ à sa sortie. La valeur de la tension de sortie dépend de la fréquence d’un signal binaire périodique de découpage qui commande l’état d’ouverture d’un interrupteur interne au circuit convertisseur, qui parmi d’autres composant repose sur l’emmagasinement temporaire d’énergie électrique sous forme d’énergie magnétique dans une inductance du circuit.
Un circuit convertisseur à découpage abaisseur de tension « buck » est également connu en soi dans l’art. Il est capable de transformer une tension électrique Vin’ fournie à son entrée en une tension électrique de sortie, Vled, de valeur moindre que Vin’, en dépendance de la fréquence d’un signal de périodique binaire de découpage qui le commande.
Le montage convertisseur 100 comprend une unité de commande, 110, configurée pour court-circuiter de manière sélective le premier circuit convertisseur, 120, lorsque la tension d’entrée, Vin, est supérieure à une valeur seuil, S, prédéterminée.
L’unité de commande 110 peut à titre d’exemple être réalisée moyennant un circuit électronique comparateur analogique, capable de fournir un résultat de comparaison sous forme d’un signal binaire. Lorsque la tension appliquée à une première entrée du circuit de comparaison, représentative de la tension d’entrée Vin, est supérieure à la tension appliquée à une deuxième entrée, elle représentative de la tension de seuil S, le signal de sortie est à un premier niveau, sinon il est à un deuxième niveau. Le signal résultant est utilisé afin de commander l’état d’ouverture d’un élément interrupteur 112 qui sert à ouvrir ou fermer une branche de connexion montée en parallèle avec le premier circuit convertisseur élévateur de tension 120, pour le court-circuiter en dépendance du résultat fourni par le circuit comparateur. Ainsi, lorsque la tension d’entrée Vin est supérieure à la valeur de seuil, qui est de préférence au moins égale, ou bien égale, à la tension de charge Vled requise par le module lumineux, alors le convertisseur élévateur de tension 120 est court-circuité. La tension d’entrée n’a pas besoin d’être élevée à un niveau Vin’ avent d’être régulée par le convertisseur abaisseur de tension 130 pour atteindre le niveau requis. Dans ce cas, les pertes de puissance dans le premier circuit convertisseur 120 sont minimisées. Si par contre la tension d’entrée Vin est inférieure à la valeur seuil S, le premier circuit convertisseur n’est pas court-circuité : il reste opérationnel pour d’abord élever la tension d’entrée Vin à un niveau plus élevé Vin’, qui sera ensuite régulé vers le bas au niveau requis Vled par le deuxième circuit convertisseur abaisseur de tension 130. L’élément interrupteur 112 peut par exemple être réalisé par un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde, MOSFET, dont la construction et le fonctionnement sont en soi connus dans l’art.
Alternativement, l’unité de commande peut par exemple être réalisée moyennant un élément microcontrôleur qui lit la valeur seuil S dans un élément de mémoire soit interne au microcontrôleur, soit externe et reliée par un bus de données. Il peut par exemple s’agir d’un microcontrôleur qui regroupe d’autres fonctions du dispositif de pilotage de l’alimentation, comme par exemple un monitoring de la tension d’entrée en vue de détecter des défaillances ou d’éventuel défaut. Ainsi, la valeur de tension Vin est disponible au niveau de l’élément microcontrôleur pour en évaluer la comparaison à la valeur seuil S. Le microcontrôleur peut également regrouper d’autres fonctions, comme par exemple la génération des signaux de commandes de type PWM (non-illustrés) destinés aux convertisseurs à découpage 120, 130 respectivement.
La montre la succession des étapes de comparaison, a), et de branchement/débranchement de la branche de court-circuit parallèle au premier convertisseur 120 du montage convertisseur 100, b).
Selon un mode de réalisation préféré, une batterie d’un véhicule automobile fournit une tension d’entrée Vin qui peut varier sur une plage allant de 9V à 16V, en dépendance de l’état dans lequel le véhicule automobile se trouve. Lors du démarrage du véhicule automobile, la tension fournie au dispositif de pilotage est par exemple à un niveau différent que lors de sa conduite. La tension de charge requise par le module lumineux, qui abrite par exemple un dispositif de type DMD, est de 12V. La tension seuil S est fixée à 13.5V pour assurer une marge d’erreur de mesure et pour assurer le bon fonctionnement du circuit abaisseur de tension. Lorsque l’unité de commande détecte que Vin est inférieure à 13.5V, le fonctionnement du premier circuit élévateur de tension est requis pour assurer le bon fonctionnement du deuxième circuit abaisseur de tension monté en aval, et pour assurer la tension de sortie souhaitée à 12V. Une telle tension de 12V peut être celle souhaitée pour un fonctionnement du module lumineux à une température ambiante de 25°C (au démarrage du véhicule typiquement). Toutefois, selon d’autres exemples possibles, d’autres tensions peuvent être souhaitées, notamment en fonction de la température de fonctionnement du module lumineux (typiquement lors de l’échauffement du module pendant son fonctionnement en situation de conduite), par exemple comprises entre 9 et 11,5V pour une température supérieure à 25°C. Ainsi, la branche de court-circuit est commandée, moyennant l’interrupteur, à rester ouverte. Si l’unité de commande détecte par contre que Vin est supérieure à 13.5V, le fonctionnement du premier circuit élévateur de tension n’est plus requis pour assurer le bon fonctionnement du deuxième circuit abaisseur de tension monté en aval, et pour assurer la tension de sortie à 12V. Ainsi, la branche de court-circuit est commandée, moyennant l’interrupteur, à être fermée et à conduire électriquement. Ceci augmente l’efficacité du système en réduisant sa consommation d’énergie au niveau du convertisseur élévateur de tension.
Il va de soi que les modes de réalisation décrits ne limitent pas l’étendue de la protection de l’invention. En faisant recours à la description qui vient d’être donnée, d’autres modes de réalisation sont envisageables sans pour autant sortir du cadre de la présente invention.
L’étendue de la protection est déterminée par les revendications.
Claims (9)
- Dispositif de pilotage de l’alimentation électrique d’un module lumineux pour un véhicule automobile, comprenant un montage convertisseur (100) destiné à convertir une tension d’entrée (Vin) en une tension de charge (Vled) à destination du module lumineux, le montage convertisseur comprenant un premier circuit convertisseur élévateur de tension (120) et un deuxième circuit convertisseur abaisseur de tension (130), monté en série en aval du premier circuit convertisseur (120), caractérisé en ce que le montage convertisseur comprend une unité de commande (110) destinée à court-circuiter de manière sélective le premier circuit convertisseur (120) lorsque la tension d’entrée (Vin) est supérieure à une valeur seuil (S) prédéterminée.
- Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le montage convertisseur comprend une branche reliant l’entrée du premier circuit convertisseur (120) à sa sortie, la branche comprenant un élément interrupteur (112) dont l’état d’ouverture est commandé par un signal issu de l’unité de commande (110).
- Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’unité de commande comprend un circuit comparateur destiné à comparer la valeur de tension d’entrée (Vin) à la valeur seuil prédéterminée.
- Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’unité de commande comprend un élément microcontrôleur.
- Dispositif selon une des revendication précédentes, caractérisé en ce que la valeur seuil (S) est sensiblement égale ou supérieure à une valeur souhaitée pour la tension de charge (Vled).
- Dispositif d’éclairage pour un véhicule automobile comprenant un module lumineux et un dispositif de pilotage l’alimentation électrique dudit module lumineux selon une des revendications précédentes, le module lumineux comprenant au moins une source lumineuse à élément semi-conducteur électroluminescent.
- Dispositif d’éclairage selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le module lumineux comprend un dispositif à micro-miroirs de type DMD (« Digital Mirror Device »).
- Procédé de pilotage de l’alimentation électrique d’un module lumineux pour un véhicule automobile, moyennant un dispositif de pilotage comprenant un montage convertisseur (100) destiné à convertir une tension d’entrée (Vin) en une tension de charge (Vled) à destination du module lumineux, le montage convertisseur comprenant un premier circuit convertisseur élévateur de tension (120) et un deuxième circuit convertisseur abaisseur de tension (130), monté en série en aval du premier circuit convertisseur (120), caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes de :
- comparaison de la de la valeur de la tension d’entrée (Vin) à une valeur seuil (S) prédéterminée moyennant une unité de commande (110) ;
- court-circuiter de manière sélective le premier circuit convertisseur (120) en fonction du résultat de ladite comparaison.
- Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le premier circuit convertisseur est court-circuité lorsque la tension d’entrée (Vin) est supérieure à ladite valeur seuil (S) prédéterminée.
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Effective date: 20220603 |
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