WO2008142332A2 - Dispositif d'interrupteur electronique pour commander l'alimentation d'une charge de forte puissance dans un vehicule automobile - Google Patents

Dispositif d'interrupteur electronique pour commander l'alimentation d'une charge de forte puissance dans un vehicule automobile Download PDF

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WO2008142332A2
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switch device
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thyristor
main thyristors
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Serge Loudot
Gareth Pugsley
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Renault S.A.S
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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • Electronic switch device for controlling the supply of a high power load in a motor vehicle.
  • the invention relates to a switch device for a high-power electrical circuit in a motor vehicle, particularly in an electric motor vehicle or in a hybrid motor vehicle.
  • a hybrid vehicle 1 as described in Figure 1 is known.
  • This vehicle comprises an internal combustion engine 2 mechanically coupled to a mechanical transmission 3. It also comprises electromechanical means 4 for converting mechanical energy into electrical energy or electrical energy into mechanical energy.
  • electromechanical means are mechanically coupled to the mechanical transmission, on the one hand, and electrically coupled to a means 5 for storing electrical energy such as a battery, on the other hand.
  • the mechanical transmission is mechanically coupled to a drive axle 6 of the motor vehicle.
  • an electrical disconnect device 10 between the energy storage means and the AC / DC voltage converters of the electromechanical means is required. It allows in particular to cut the electrical connection between the battery and a common filter to AC-DC converters, the filter mainly comprising a filtering capacitor 7. Nevertheless, the device must allow the precharging of this filtering capacity which is initially discharged by a suitable device, such as a disconnector. Such a disconnector device must withstand currents substantially of the order of
  • the electrical power transferred through this device is substantially of the order of 10 to
  • FIG. 2 A device of this type is shown in FIG. 2.
  • the closing of the contactors 11 and 14 makes it possible to load the filtering capacitance through a current limiting device 12.
  • the closing of the contactors 13 and 14 allows the direct connection filtering capacity and converters.
  • the opening of all the contactors makes it possible to electrically isolate the battery.
  • a fuse 15 is provided in series with the battery to protect the electrical elements against significant overcurrent short-circuit type.
  • the electrical energy storage element (battery, supercapacitor, or any other technology) remains loaded vehicle stopped (contact cut). Due to its large volume, this element is generally quite far from the traction system (converter and electrical machines) and must be isolated from the rest of the electrical circuit which is de-energized.
  • the problem is to obtain a reliable cut, which can be controlled by a supervisory system managing the operation of the hybrid or electric motor vehicle, and can achieve a cut even when the battery delivers current including overload.
  • An operation of precharging the filtering capacity and direct connection of the battery to the filtering capacity and the converters is done at the start of the vehicle (for example during the insertion of the ignition key). Conversely, an operation of disconnecting the battery and then discharging the filtering capacity is performed during the breaking of the vehicle contact.
  • a battery disconnection operation can also take place in the event of a failure, for example during a crash or when a problem of electrical insulation is detected, or in the event of operation of the motor vehicle in a degraded mode in which it There is no longer any provision of electrical assistance for driving the vehicle, for using the kinetic energy of the vehicle to recharge the battery or for driving the vehicle in motion solely thanks to the energy of the battery.
  • US Pat. No. 4,203,040 proposes a circuit intended to ensure the function of electronic switch between a load and a source of energy. electric. It is intended for AC circuits. It is therefore complex: it has four thyristors, three diodes, two inductors and a capacitor.
  • JP 7-336869 proposes a system intended to ensure a cut-off or voltage regulation by means of a transistor arranged in series with the load. This system is intended for the control of low power loads, typically less than 1 kW, and is not suitable for large overloads for the following reasons: - the bipolar or IGBT type transistor in series with the load must be oversized to support overloads,
  • the inductance of the line must be minimized so as to limit overvoltages during cuts. This requires to put a filter capacity on both sides of the transistor and closer to it, the system does not protect the load against short-circuits by fuse without destroying the transistor.
  • DE 36 36 104 proposes an electronic relay with transistors and optocouplers. As before, this type of technology does not allow overload and there is no effective protection against short circuits to prevent destruction of the system.
  • the application WO 01/61818 proposes a circuit providing a precharge and a monopolar break between a DC power source and a load. If in principle, such a circuit provides the functions necessary for the realization of a power cut-off device for an electric vehicle or hybrid vehicle, it imposes to provide in series with the load a cascade of field effect transistors (MOSFETs). ) in series which significantly degrades the overall efficiency because of the on-state resistances of these transistors.
  • MOSFETs field effect transistors
  • the current of desaturation of the transistors can limit the fault current but makes blocking of the transistors in series very delicate, on the one hand because of the high current (5 to 10 times the nominal current of the component), and, on the other hand, to maintain a balanced voltage between the series transistors during the blocking phase.
  • EP 0 758 137 proposes a system comprising two contacts in series. A first is sized for a fault current, with a low number of undercurrent maneuvers, and a second is sized for the lower current rated current. The second contact therefore allows a greater number of maneuvers under reduced current.
  • the assembly is assisted by a passive circuit and a clipper in parallel.
  • the system has the following drawbacks: it does not make it possible to precharge the input capacitance of the load and does not provide a bipolar cutoff. These necessary functions would require at least two additional contacts which would make the circuit complex and bulky, - the cut is made by mechanical contacts that remain bulky and unreliable, especially because of their sensitivity to vibration.
  • the object of the invention is to provide a switch device obviating the disadvantages mentioned above and improving the switch devices known from the prior art.
  • the invention proposes a switch device having a simple structure, compact and allowing the power supply to be cut without deterioration in an electric or hybrid motor vehicle even when a high intensity passes through it.
  • the cuts can be repeated a large number of times without damage to the device.
  • the switch device is also less sensitive to vibration than a contactor device.
  • the invention is based more precisely on a switch device for controlling the supply of an electrical load by an electrical source, the electrical source supplying an energy used to drive a motor vehicle, the device being a static switch device, characterized in that the switch device comprises: two main thyristors mounted head to tail in parallel on a line connecting the electrical source to the electric load, - at least one first capacitor, a means for charging the first capacitor and - a means for connect the first capacitor across the main thyristors, the connection of the first capacitor charged across the main thyristors blocking the main thyristor in the on state.
  • the charging means of the first capacitor comprises the electrical source, a first auxiliary thyristor for connecting the first capacitor to the electrical source and biasing the first capacitor in a first direction and a second auxiliary thyristor for connecting the first capacitor to the first capacitor. electrical source and bias the first capacitor in a second direction.
  • the means for connecting the first capacitor across the main thyristors comprises two auxiliary thyristors mounted head to tail in parallel between a terminal of the first capacitor and a terminal common to the two main thyristors.
  • the switch device comprises means for inverting the polarization of the first capacitor.
  • the polarization inversion means of the first capacitor comprises a branch comprising an inductor and two inversion control thyristors mounted head-to-side in parallel, the branch being connected to the terminals of the first capacitor.
  • the switch device comprises a second capacitor, a means for charging the second capacitor and a means for connecting the second capacitor across the main thyristors, the connection of the second capacitor charged across the main thyristors blocking the capacitor. one of the main thyristors in the on state.
  • the charging means of the first capacitor comprises the electrical source and a first diode for connecting the first capacitor to the source and in that the charging means of the second capacitor comprises the electrical source and a second diode for connecting the first capacitor. second capacitor at the source.
  • the means for connecting the first capacitor across the main thyristors comprises a first auxiliary thyristor and in that the means for connecting the second capacitor across the main thyristors comprises a second auxiliary thyristor.
  • the switch device comprises a means for controlling the triggers of the thyristors.
  • the invention also relates to a motor vehicle comprising a switch device as previously mentioned.
  • the appended drawing shows, by way of example, various embodiments of a switch device according to the invention.
  • Figure 1 is a diagram of a hybrid motor vehicle known from the prior art.
  • Figure 2 is a circuit diagram of a disconnector device known from the prior art and for isolating the battery of the electrical system of a hybrid motor vehicle.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of a part of an electrical system of a hybrid motor vehicle, this system comprising a first embodiment of a switch device according to the invention.
  • FIG. 4 is a time chart illustrating, during a phase of use of the energy stored in the battery for driving the vehicle, the variations of the electrical quantities in the components of the first embodiment of the switch.
  • FIG. 5 is a time chart illustrating, during a storage phase of energy in the battery, the variations of the electrical quantities in the components of the first embodiment of the switch.
  • FIG. 6 is a circuit diagram of part of an electrical system of a hybrid motor vehicle, this system comprising a second embodiment of a switch device according to the invention.
  • Figure 7 is a circuit diagram of a portion of an electrical system of a hybrid motor vehicle, the system comprising a third embodiment of a switch device according to the invention.
  • Fig. 8 is a time chart illustrating the variations of electrical quantities in components of the third embodiment of the switch.
  • FIG. 1 A first embodiment of an electronic switch or static switch, that is to say without moving contact 21 according to the invention is described with reference to FIG.
  • This electronic switch 21 is integrated into an electrical assembly 20 similar to that described with reference to FIG. 2.
  • This assembly comprises, in addition to the electronic switch 21, a battery 25 for storing electrical energy and delivering a DC voltage, terminals 30 and 31 for electrically connecting the assembly to electromechanical means for converting mechanical energy into electrical energy or electrical energy into mechanical energy.
  • a filter capacitor 29 also called filtering capacitance.
  • a fuse 26 is arranged in series with the battery.
  • a normally closed disconnector 28 is disposed between the negative pole of the battery and the terminal 31.
  • a normally closed disconnector 27 is disposed between the fuse 26 and the terminal 30.
  • This disconnector is in series with an electronic switch 21.
  • These Normally closed disconnectors 27 and 28 can be controlled.
  • a series circuit comprising a resistor 24 and a switch 23 controlled by a control means 22 is arranged. The closing of this controlled switch 23 makes it possible to charge the filter capacitor through resistance limiting the load current.
  • the electronic switch 21 mainly comprises a set T P of two thyristors 41 and 42 mounted head to tail in parallel with each other between the switch 27 and the terminal 30.
  • the gate of these thyristors is common. It is controlled by a control means 45.
  • parallel of these thyristors is mounted a series circuit comprising a set of two thyristors 44 and 43, also referenced respectively T A i and T A2 , mounted head to tail in parallel with each other, and a capacitor 40.
  • Triggers of the thyristors T A i and T A 2 are also controlled by the control means 45 but they are independent of each other.
  • the switch 21 is preferably arranged in the battery compartment so as to cut the circuit as far upstream as possible. It can notably use a battery cooling system.
  • FIG. 4 illustrates a conduction phase of the switch during which the battery discharges, that is to say a conduction phase of the switch during which battery energy is used to set the vehicle in motion.
  • FIG. 5 illustrates a conduction phase of the switch during which the battery is charged, that is to say a phase of conduction of the switch during which energy is supplied to the battery. to recharge it.
  • the operating principle of such a switch is to control its switching from a state to a blocked state by connecting across the thyristor set Tp the capacitor 40 while it is polarized so as to "short-circuit"
  • the thyristor of the set Tp is in the on state and thus cause its transition to the off state. In this way, the switch 21 is in the off state.
  • the capacitor 40 in a first phase, is charged to polarize it in the right direction if it is not. To do this, at a first instant Ti, it is controlled, by means of the control means 45, the transmission of a signal on the gate of the thyristor T A i. This one goes into the on state if the potential of its anode is superior to that of its cathode. The current I TAI then flowing in the thyristor charges the capacitor 40 and positively polarizes it, that is to say according to the arrow represented next to the capacitor.
  • the voltage across the capacitor is noted V C s- Once the capacitor sufficiently charged, it controls the operation of electromechanical machines electromechanical means 4 so that the current flowing in the capacitor, and therefore in the thyristor T AI, is canceled. . The thyristor then hangs at this moment T2. This first phase is executed only if the capacitor 40 is not initially biased in the right direction to control the blocking of the electronic switch.
  • the capacitor 40 is first charged to polarize it in the right direction if it is not.
  • the control means 45 sends a signal to the trigger of the thyristor T A 2. This goes into the on state ( if the potential of its anode is greater than that of its cathode).
  • the current lj A 2 flowing then in the capacitor charge thyristor 40 and negatively bias it, i.e. the opposite of the arrow shown next to the capacitor.
  • the capacitor controls the operation of the electromechanical machines electromechanical means 4 so that the current flowing in the capacitor and therefore in the thyristor T AI is canceled.
  • the thyristor then blocks at time T 6 . This phase is executed only if the capacitor 40 is not initially biased in the right direction to control the blocking of the electronic switch.
  • the thyristor T A i becomes passing and "bypasses" the thyristor 41 that hangs.
  • the capacitance of the capacitor 40 is very small with regard to the capacitance of the filter capacitor 29. Typically, there is a ratio of 200 to 300 between these capacitors. In fact, the polarization phases of the capacitor 40 are of very short duration and consume a negligible energy compared to the rest of the electrical system of the vehicle. It should also be noted that the current flowing in the electronic switch is that of the battery and is imposed by the load represented by the converters and the electromechanical machines associated therewith.
  • the control of the machines must therefore be synchronized with the control of the thyristors T AI and T A2 -
  • the capacitor 40 continues to charge or discharge until an overvoltage or under-voltage protection threshold is measured across the capacitor 29.
  • the degraded mode or stop mode is implemented to treat the fault knowing that the energy source that represents the battery will be isolated and can not aggravate the fault.
  • a second embodiment of an electronic switch 21 'according to the invention is described with reference to FIG. 6.
  • This second embodiment of the electronic switch differs from the first embodiment in that it comprises, in parallel thyristors 41 and 42 of the set T P : a series circuit comprising:
  • a capacitor 53, and a series circuit comprising:
  • the anodes of the diode 54 and the thyristor 58 and the cathodes of the diode 57 and the thyristor 55 are connected to a common node.
  • the triggers of the thyristors are controlled by the control means 45. Thanks to such a structure, the capacitors 53 and 56 remain polarized in opposite directions. Thus, the capacitor 53 will still be used to block the thyristor 41 and the capacitor 56 will still be used to block the thyristor 42.
  • the recharge of the capacitor 53 is in the discharge phase of the battery by a delay in the ignition of the thyristor 42 which allows the current of the battery to recharge the capacitor 53 via the diode 54.
  • the recharging of the capacitor 56 is done in the charging phase of the battery by a delay in the ignition of the thyristor 41 which allows the current of the battery to recharge the capacitor 56 via the diode 57.
  • the charge level of these capacitors is determined by the difference of the voltages measured at the terminals of the battery and at the terminals of the filtering capacitor. When this voltage is sufficient, a signal is sent on the triggers of the set T P.
  • a third embodiment of an electronic switch 21 "according to the invention is described with reference to FIG. 7.
  • This third embodiment of the electronic switch differs from the first embodiment in that it comprises, in parallel capacitor 40 a series circuit comprising an inductance Ls and a set Tc of two thyristors 67 and 68 mounted head to tail in parallel with each other.
  • the triggers of these two thyristors are preferably common.A signal transmitted on this common trigger makes it possible to invert the polarization of the capacitor 40.
  • the emission of a signal on these triggers is controlled by the control means 45.
  • the series circuit comprising the capacitor 40 and the inductance Ls is in fact an electronic oscillator in which one can block the current thanks to the set T c .
  • the capacitor 40 is initially loaded live. A signal transmitted on the thyristor gate will turn on the thyristor 68. The current flowing in the circuit will first discharge the capacitor 40 before charging it in reverse. Once the capacitor 40 is charged in reverse, the current will cancel in the circuit and the two thyristors of the set Tc will then be blocked. This operation is illustrated by the timing diagrams of FIG. 8. The polarization inversion is independent of the control of the electromechanical machines.
  • This third embodiment can still differ in that the switch 23 and the resistor 24 are connected in parallel with the single switch 27.
  • the capacitor 40 can be preloaded together with the filtering capacitor according to the following chronology: closing switch 28, closing switch 23; the battery is then connected to the electronic switch device 21 "via the resistor 24, the primer of the thyristor T A 2, the preload of the capacitors 40 and 29 begins, once the capacitor 40 is charged, the primer of the thyristor 42 of the set T P until the end of the precharging of the capacitor 29.
  • the switch according to the invention has many advantages. It does not have mobile contacts. Thus, it is not sensitive to vibrations, it allows a large number of switches during its lifetime and it also allows cuts while a large current passes through. It allows transient current overloads and can even provide cut-off in case of overload.
  • the only mechanical contacts (which support the battery current) are the two switches 27 and 28 which are maneuvers with zero current, without delay or speed constraint. They are thus inexpensive and bulky components necessary to ensure the logging procedure especially during maintenance operations.
  • the electronic switch according to the invention makes it possible to control the pre-charge of the filtering capacitor.
  • the switch 23, the control circuit 22 and the resistor 24 are not necessarily necessary.
  • the battery 25 of the vehicle and the electromechanical means 4 of the vehicle have different functions.
  • the battery in a phase where energy from the battery is used to drive the vehicle, the battery is a source of energy and the electromechanical means constitute a load.
  • the battery in a phase where the kinetic energy of the vehicle is recovered to charge the battery, the battery constitutes a charge while the electromechanical means constitute a source.

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Abstract

Dispositif d'interrupteur (21) pour commander l'alimentation d'une charge électrique (25) par une source électrique, la source électrique fournissant une énergie utilisée pour entraîner un véhicule automobile. Le dispositif est un dispositif d interrupteur statique. L'interrupteur statique comprend -deux thyristors principaux (41) montés tête-bêche en parallèle sur une ligne reliant la source électrique à la charge électrique, -au moins un premier condensateur (40), -un moyen (25, 43, 44) de charge du premier condensateur et -un moyen (43, 44) pour connecter le premier condensateur aux bornes des thyristors principaux, la connexion du premier condensateur chargé aux bornes des thyristors principaux bloquant le thyristor principal se trouvant à l'état passant.

Description

Dispositif d'interrupteur électronique pour commander l'alimentation d'une charge de forte puissance dans un véhicule automobile.
L'invention concerne un dispositif d'interrupteur pour un circuit électrique haute puissance dans un véhicule automobile, notamment dans un véhicule automobile électrique ou dans un véhicule automobile hybride.
Un véhicule hybride 1 tel que décrit à la figure 1 est connu. Ce véhicule comprend un moteur à combustion interne 2 couplé mécaniquement à une transmission mécanique 3. Il comprend aussi des moyens électromécaniques 4 pour convertir une énergie mécanique en énergie électrique ou une énergie électrique en énergie mécanique. Ces moyens électromécaniques sont couplés mécaniquement à la transmission mécanique, d'une part, et couplés électriquement à un moyen 5 de stockage d'énergie électrique comme une batterie, d'autre part. En outre, la transmission mécanique est couplée mécaniquement à un essieu moteur 6 du véhicule automobile.
Dans un tel véhicule hybride à dérivation de puissance, un dispositif de sectionneur électrique 10 entre le moyen de stockage d'énergie et les convertisseurs de tension alternatif - continu des moyens électromécaniques est nécessaire. Il permet en particulier de couper la liaison électrique entre la batterie et un filtre commun aux convertisseurs de tension alternatif - continu, le filtre comprenant principalement une capacité de filtrage 7. Néanmoins, le dispositif doit permettre la précharge de cette capacité de filtrage qui est initialement déchargée par un dispositif approprié, tel qu'un sectionneur. Un tel dispositif de sectionneur doit supporter des courants sensiblement de l'ordre de
200 ampères en régime nominal. En effet, la puissance électrique transférée au travers de ce dispositif est sensiblement de l'ordre de 10 à
100 kW dans les véhicules hybrides et dans les véhicules électriques. Pour des raisons de sécurité, il faut pouvoir isoler la batterie en cas de crash ou lors d'opérations de maintenance (après décharge de la capacité de filtrage).
En outre, il est nécessaire d'assurer la précharge de la capacité de filtrage du véhicule après qu'un certain temps se soit écoulé depuis la dernière utilisation du véhicule.
Il est connu de réaliser un tel dispositif de sectionneur électrique 10 avec des contacteurs mécaniques 11 , 13, 14 permettant à la fois de réaliser des manœuvres d'isolement et de réaliser des manœuvres de précharge. Un dispositif de ce type est représenté à la figure 2. La fermeture des contacteurs 11 et 14 permet le chargement de la capacité de filtrage au travers d'un dispositif de limitation de courant 12. La fermeture des contacteurs 13 et 14 permet la connexion directe à la capacité de filtrage et aux convertisseurs. L'ouverture de tous les contacteurs permet de réaliser un isolement galvanique de la batterie. Un fusible 15 est prévu en série avec la batterie pour protéger les éléments électriques contre les surintensités importantes de type court-circuit.
Dans un véhicule hybride, l'élément de stockage d'énergie électrique (batterie, supercondensateur, ou toute autre technologie) reste chargé véhicule arrêté (contact coupé). Du fait de son volume important, cet élément est généralement assez éloigné du système de traction (convertisseur et machines électriques) et doit donc être isolé du reste du circuit électrique qui est mis hors tension.
Le problème consiste à obtenir une coupure fiable, qui puisse être pilotée par un système superviseur gérant le fonctionnement du véhicule automobile hybride ou électrique, et puisse réaliser une coupure même lorsque la batterie débite du courant y compris en surcharge. Une opération de précharge de la capacité de filtrage puis de connexion directe de la batterie à la capacité de filtrage et aux convertisseurs se fait à la mise en route du véhicule (par exemple lors de l'insertion de la clé de contact). A l'inverse, une opération de déconnexion de la batterie puis de décharge de la capacité de filtrage est réalisée lors de la coupure du contact du véhicule.
Une opération de déconnexion de la batterie peut aussi avoir lieu en cas de défaillance, par exemple lors d'un crash ou lorsqu'un problème d'isolement électrique est détecté, ou en cas de fonctionnement du véhicule automobile dans un mode dégradé dans lequel il n'existe plus de prestation d'assistance électrique à l'entraînement du véhicule, d'utilisation de l'énergie cinétique du véhicule pour recharger la batterie ou encore d'entraînement en mouvement du véhicule exclusivement grâce à l'énergie de la batterie.
L'ouverture du circuit électrique réalisée par des contacteurs mécaniques présente plusieurs inconvénients :
- les contacteurs mécaniques sont des pièces volumineuses, d'une fiabilité limitée, le nombre de manœuvres pouvant être effectuées pendant leur durée de vie est notamment limité,
- ils sont très sensibles aux vibrations qui sont toujours présentes à bord d'un véhicule,
- si en fonctionnement normal, ils sont manœuvres à courant nul, ils doivent, en cas de défaillance, pouvoir assurer une ouverture alors qu'un courant électrique les traverse. Dans ce cas, les contacts doivent être dimensionnés en conséquence, ou au pire être capables de supporter une ouverture sous charge avant d'être remplacés.
Le brevet US 4,203,040 propose un circuit destiné à assurer la fonction d'interrupteur électronique entre une charge et une source d'énergie électrique. Il est destiné à des circuits à courant alternatif. Il est de ce fait complexe : il présente quatre thyristors, trois diodes, deux inductances et un condensateur.
Le document JP 7-336869 propose un système destiné à assurer une coupure voire une régulation de tension grâce à un transistor disposé en série avec la charge. Ce système est destiné à la commande de charges de faible puissance, typiquement inférieure à 1 kW, et n'est pas adapté à des surcharges importantes pour les raisons suivantes : - le transistor de type bipolaire ou de type IGBT en série avec la charge doit être surdimensionné pour supporter des surcharges,
- il faut minimiser l'inductance de la ligne de façon à limiter les surtensions lors des coupures. Cela impose de mettre une capacité de filtrage de part et d'autre du transistor et au plus proche de celui-ci, le système ne permet pas de protéger la charge contre les courts-circuits par fusible sans détruire le transistor.
La demande DE 36 36 104 propose un relais électronique à transistors et optocoupleurs. Comme précédemment, ce type de technologie ne permet pas de surcharge et il n'y a pas de protection efficace contre les courts-circuits pour éviter la destruction du système.
La demande WO 01/61818 propose un circuit assurant une précharge et une coupure monopolaire entre une source électrique continue et une charge. Si dans le principe, un tel circuit assure les fonctions nécessaires à la réalisation d'un dispositif de coupure d'alimentation pour véhicule électrique ou véhicule hybride, il impose de prévoir en série avec la charge une cascade de transistors à effet de champs (MOSFET) en série ce qui dégrade sensiblement le rendement global à cause des résistances à l'état passant de ces transistors. En cas de court-circuit, le courant de désaturation des transistors peut limiter le courant de défaut mais rend le blocage des transistors en série très délicat, d'une part à cause du courant élevé (5 à 10 fois le courant nominal du composant), et, d'autre part, pour maintenir une tension équilibrée entre les transistors en série durant la phase de blocage.
La demande EP 0 758 137 propose un système comprenant deux contacts en série. Un premier est dimensionné pour un courant de défaut, avec un faible nombre de manœuvres sous courant, et un deuxième est dimensionné pour le courant nominal d'intensité inférieure. Le deuxième contact permet donc un plus grand nombre de manœuvres sous courant réduit. L'ensemble est assisté par un circuit passif et un écrêteur en parallèle.
Le système présente les inconvénients suivants : - il ne permet pas d'assurer une précharge de la capacité d'entrée de la charge et n'assure pas de coupure bipolaire. Ces fonctions nécessaires demanderaient au moins deux contacts supplémentaires ce qui rendrait le circuit complexe et volumineux, - la coupure se fait par des contacts mécaniques qui restent volumineux et peu fiables, notamment du fait de leur sensibilité aux vibrations.
Le but de l'invention est de fournir un dispositif d'interrupteur obviant aux inconvénients évoqués plus haut et améliorant les dispositifs d'interrupteurs connus de l'art antérieur. En particulier, l'invention propose un dispositif d'interrupteur ayant une structure simple, compacte et permettant la coupure de l'alimentation électrique sans détérioration dans un véhicule automobile électrique ou hybride même lorsqu'une forte intensité le traverse. En outre, les coupures peuvent être répétées un grand nombre de fois sans endommagement du dispositif. Le dispositif d'interrupteur est en outre moins sensible aux vibrations qu'un dispositif à contacteurs. L'invention repose plus précisément sur un dispositif d'interrupteur pour commander l'alimentation d'une charge électrique par une source électrique la source électrique fournissant une énergie utilisée pour entraîner un véhicule automobile, le dispositif étant un dispositif d'interrupteur statique, caractérisé en ce que le dispositif d'interrupteur comprend : deux thyristors principaux montés tête-bêche en parallèle sur une ligne reliant la source électrique à la charge électrique, - au moins un premier condensateur, un moyen de charge du premier condensateur et - un moyen pour connecter le premier condensateur aux bornes des thyristors principaux, la connexion du premier condensateur chargé aux bornes des thyristors principaux bloquant le thyristor principal se trouvant à l'état passant.
Selon une variante, le moyen de charge du premier condensateur comprend la source électrique, un premier thyristor auxiliaire pour relier le premier condensateur à la source électrique et polariser le premier condensateur dans un premier sens et un deuxième thyristor auxiliaire pour relier le premier condensateur à la source électrique et polariser le premier condensateur dans un deuxième sens.
Selon un autre mode d'exécution, le moyen pour connecter le premier condensateur aux bornes des thyristors principaux comprend deux thyristors auxiliaires montés tête-bêche en parallèle entre une borne du premier condensateur et une borne commune aux deux thyristors principaux.
Selon une autre variante, le dispositif d'interrupteur comprend un moyen d'inversion de la polarisation du premier condensateur. Selon une autre variante, le moyen d'inversion de la polarisation du premier condensateur comprend une branche comprenant une inductance et deux thyristors de commande d'inversion montés tête- bêche en parallèle, la branche étant connectée aux bornes du premier condensateur.
Selon une autre variante, le dispositif d'interrupteur comprend un deuxième condensateur, un moyen de charge du deuxième condensateur et un moyen pour connecter le deuxième condensateur aux bornes des thyristors principaux, la connexion du deuxième condensateur chargé aux bornes des thyristors principaux bloquant l'un des thyristors principaux se trouvant à l'état passant.
Selon une autre variante, le moyen de charge du premier condensateur comprend la source électrique et une première diode pour relier le premier condensateur à la source et en ce que le moyen de charge du deuxième condensateur comprend la source électrique et une deuxième diode pour relier le deuxième condensateur à la source.
Selon une autre variante, le moyen pour connecter le premier condensateur aux bornes des thyristors principaux comprend un premier thyristor auxiliaire et en ce que le moyen pour connecter le deuxième condensateur aux bornes des thyristors principaux comprend un deuxième thyristor auxiliaire.
Selon une autre variante, le dispositif d'interrupteur comprend un moyen de commande des gâchettes des thyristors.
L'invention porte aussi sur un véhicule automobile comprenant un dispositif d'interrupteur tel que dit précédemment. Le dessin annexé représente, à titre d'exemples, différents modes de réalisation d'un dispositif d'interrupteur selon l'invention.
La figure 1 est un schéma d'un véhicule automobile hybride connu de l'art antérieur.
La figure 2 est un schéma électrique d'un dispositif de sectionneur connu de l'art antérieur et permettant d'isoler la batterie du système électrique d'un véhicule automobile hybride.
La figure 3 est un schéma électrique d'une partie d'un système électrique d'un véhicule automobile hybride, ce système comprenant un premier mode de réalisation d'un dispositif d'interrupteur selon l'invention.
La figure 4 est un graphique temporel illustrant, lors d'une phase d'utilisation de l'énergie stockée dans la batterie pour entraîner le véhicule, les variations des grandeurs électriques dans les composants du premier mode de réalisation de l'interrupteur.
La figure 5 est un graphique temporel illustrant, lors d'une phase de stockage d'énergie dans la batterie, les variations des grandeurs électriques dans les composants du premier mode de réalisation de l'interrupteur.
La figure 6 est un schéma électrique d'une partie d'un système électrique d'un véhicule automobile hybride, ce système comprenant un deuxième mode de réalisation d'un dispositif d'interrupteur selon l'invention.
La figure 7 est un schéma électrique d'une partie d'un système électrique d'un véhicule automobile hybride, ce système comprenant un troisième mode de réalisation d'un dispositif d'interrupteur selon l'invention. La figure 8 est un graphique temporel illustrant les variations des grandeurs électriques dans des composants du troisième mode de réalisation de l'interrupteur.
Un premier mode de réalisation d'un interrupteur électronique ou interrupteur statique, c'est-à-dire sans contact mobile 21 selon l'invention est décrit en référence à la figure 3.
Cet interrupteur électronique 21 est intégré à un montage électrique 20 similaire à celui décrit en référence à la figure 2. Ce montage comprend, outre l'interrupteur électronique 21 , une batterie 25 pour stocker de l'énergie électrique et délivrer une tension continue, des bornes 30 et 31 pour relier électriquement le montage à des moyens électromécaniques pour convertir une énergie mécanique en énergie électrique ou une énergie électrique en énergie mécanique. Entre les bornes 30 et 31 est connecté un condensateur de filtrage 29 aussi appelé capacité de filtrage. Un fusible 26 est disposé en série avec la batterie. Un sectionneur normalement fermé 28 est disposé entre le pôle négatif de la batterie et la borne 31. De même, un sectionneur normalement fermé 27 est disposé entre le fusible 26 et la borne 30. Ce sectionneur est en série avec un interrupteur électronique 21. Ces sectionneurs normalement fermés 27 et 28 peuvent être commandés. En parallèle du sectionneur 27 et de l'interrupteur électronique 21 , sont disposés un circuit série comprenant une résistance 24 et un interrupteur 23 commandé par un moyen de commande 22. La fermeture de cet interrupteur commandé 23 permet de charger le condensateur de filtrage au travers de la résistance limitant le courant de charge.
L'interrupteur électronique 21 comprend principalement un ensemble TP de deux thyristors 41 et 42 montés tête-bêche en parallèle l'un avec l'autre entre l'interrupteur 27 et la borne 30. La gâchette de ces thyristors est commune. Elle est commandée par un moyen de commande 45. En parallèle de ces thyristors, est monté un circuit série comprenant un ensemble de deux thyristors 44 et 43, également référencés respectivement TAi et TA2, montés tête-bêche en parallèle l'un avec l'autre, et un condensateur 40. Les gâchettes des thyristors TAi et TA2 sont également commandées par le moyen de commande 45 mais elles sont indépendantes l'une de l'autre. L'interrupteur 21 est de préférence disposé dans le compartiment batterie de façon à couper le circuit le plus en amont possible. Il peut notamment utiliser un système de refroidissement de la batterie.
Le fonctionnement de cet interrupteur électronique 21 est décrit en référence aux figures 4 et 5. La figure 4 illustre une phase de conduction de l'interrupteur durant laquelle la batterie se décharge, c'est-à-dire une phase de conduction de l'interrupteur durant laquelle de l'énergie de la batterie est utilisée pour mettre en mouvement le véhicule. A l'inverse, la figure 5 illustre une phase de conduction de l'interrupteur durant laquelle la batterie se charge, c'est-à-dire une phase de conduction de l'interrupteur durant laquelle de l'énergie est fournie à la batterie pour la recharger.
Le principe de fonctionnement d'un tel interrupteur est de commander sa commutation d'un état passant à un état bloqué en connectant aux bornes de l'ensemble de thyristors Tp le condensateur 40 alors qu'il est polarisé de façon à « court-circuiter » le thyristor de l'ensemble Tp se trouvant à l'état passant et à provoquer ainsi son passage à l'état bloqué. De cette manière, l'interrupteur 21 se retrouve à l'état bloqué.
Comme représenté à la figure 4, on commence dans une première phase à charger le condensateur 40 pour le polariser dans le bon sens si celui- ci ne l'est pas. Pour ce faire, lors d'un premier instant Ti, on commande, par le biais du moyen de commande 45, l'émission d'un signal sur la gâchette du thyristor TAi. Celui-ci passe à l'état passant si le potentiel de son anode est supérieur à celui de sa cathode. Le courant ITAI circulant alors dans le thyristor, charge le condensateur 40 et le polarise positivement, c'est-à-dire selon la flèche représentée à côté du condensateur. La tension aux bornes du condensateur est notée VCs- Une fois le condensateur suffisamment chargé, on pilote le fonctionnement des machines électromécaniques des moyens électromécaniques 4 pour que le courant circulant dans le condensateur, et donc dans le thyristor TAI , s'annule. Le thyristor se bloque alors à cet instant T2. Cette première phase n'est exécutée que si le condensateur 40 ne se trouve pas initialement polarisé dans le bon sens permettant de commander le blocage de l'interrupteur électronique.
A partir de cet instant T2, on peut commander, par le biais du moyen de commande 45, l'émission d'un signal sur la gâchette des thyristors de l'ensemble Tp. Le thyristor 42 passe alors à l'état passant. Lorsque l'on souhaite commander le blocage de l'interrupteur électronique, on commande, à un instant T3, par le biais du moyen de commande 45, l'émission d'un signal sur la gâchette du thyristor TA2- Le potentiel de la cathode du thyristor TA2 se trouvant être inférieur à celui de la cathode du thyristor 42 du fait de la charge du condensateur 40 et le potentiel des anodes des deux thyristors se trouvant être égal, le thyristor TA2 devient passant et « court-circuite » le thyristor 42 qui se bloque. Une fois le condensateur 40 chargé en inverse, à l'instant T4, plus aucun courant ne circule dans l'interrupteur électronique. L'interrupteur électronique 21 est alors à l'état bloqué.
Comme représenté à la figure 5, on commence dans une première phase à charger le condensateur 40 pour le polariser dans le bon sens si celui- ci ne l'est pas. Pour ce faire, lors d'un instant T5, on commande, par le biais du moyen de commande 45, l'émission d'un signal sur la gâchette du thyristor TA2. Celui-ci passe à l'état passant (si le potentiel de son anode est supérieur à celui de sa cathode). Le courant ljA2 circulant alors dans le thyristor charge de condensateur 40 et le polarise négativement, c'est-à-dire à l'inverse de la flèche représentée à côté du condensateur. Une fois le condensateur suffisamment chargé, on pilote le fonctionnement des machines électromécaniques des moyens électromécaniques 4 pour que le courant circulant dans le condensateur et donc dans le thyristor TAI s'annule. Le thyristor se bloque alors à l'instant T6. Cette phase n'est exécutée que si le condensateur 40 ne se trouve pas initialement polarisé dans le bon sens permettant de commander le blocage de l'interrupteur électronique.
A partir de cet instant T6, on peut commander, par le biais du moyen de commande 45, l'émission d'un signal sur la gâchette des thyristors de l'ensemble TP. Le thyristor 41 passe alors à l'état passant. Lorsque l'on souhaite commander le blocage de l'interrupteur électronique, on commande, à un instant T7, par le biais du moyen de commande 45, l'émission d'un signal sur la gâchette du thyristor TAI . Le potentiel de l'anode du thyristor TAI se trouvant être supérieur à celui de l'anode du thyristor 41 du fait de la charge du condensateur 40 et le potentiel des cathodes des deux thyristors se trouvant être égal, le thyristor TAi devient passant et « court-circuite » le thyristor 41 qui se bloque. Une fois le condensateur 40 chargé en inverse, à l'instant T8, plus aucun courant ne circule dans l'interrupteur électronique. L'interrupteur électronique 21 est alors à l'état bloqué.
II est noter que la capacité du condensateur 40 est très faible au regard de la capacité du condensateur de filtrage 29 Typiquement, il existe un rapport de 200 à 300 entre ces capacités. De fait, les phases de polarisation du condensateur 40 sont de très courte durée et consomment une énergie négligeable au regard du reste du système électrique du véhicule. II est en outre à noter que le courant circulant dans l'interrupteur électronique est celui de la batterie et est imposé par la charge que représentent les convertisseurs et les machines électromécaniques qui y sont associées. Le pilotage des machines doit donc être synchronisé avec la commande des thyristors TAI et TA2- En cas de défaut où le pilotage des machines électromécaniques n'est plus maîtrisé, donc l'annulation du courant batterie après amorçage d'un des thyristors TAI ou TA2 ne se produit pas, le condensateur 40 continue à se charger ou à se décharger jusqu'à ce que l'on atteigne un seuil de protection en surtension ou de sous tension mesuré aux bornes de la capacité 29. Après quoi, la procédure de mode dégradé ou d'arrêt se met en oeuvre pour traiter le défaut sachant que la source d'énergie que représente la batterie sera isolée et ne pourra pas aggraver le défaut.
Un deuxième mode de réalisation d'un interrupteur électronique 21 ' selon l'invention est décrit en référence à la figure 6. Ce deuxième mode de réalisation de l'interrupteur électronique diffère du premier mode de réalisation en ce qu'il comprend, en parallèle des thyristors 41 et 42 de l'ensemble TP : - un circuit série comprenant :
• un ensemble d'un thyristor 55 (également référencé TAi) et d'une diode 54 montés tête-bêche et
• un condensateur 53, et - un circuit série comprenant :
• un ensemble d'un thyristor 58 (également référencé TA2) et d'une diode 57 montés tête-bêche et
• un condensateur 56.
Les anodes de la diode 54 et du thyristor 58 et les cathodes de la diode 57 et du thyristor 55 sont connectées à un nœud commun. Les gâchettes des thyristors sont commandées par les moyen de commande 45. Grâce à une telle structure, les condensateurs 53 et 56 restent polarisés en sens inverses. Ainsi, le condensateur 53 sera toujours utilisé pour bloquer le thyristor 41 et le condensateur 56 sera toujours utilisé pour bloquer le thyristor 42.
La recharge du condensateur 53 se fait en phase de décharge de la batterie par un retard à l'amorçage du thyristor 42 qui permet au courant de la batterie de recharger le condensateur 53 via la diode 54.
La recharge du condensateur 56 se fait en phase de recharge de la batterie par un retard à l'amorçage du thyristor 41 qui permet au courant de la batterie de recharger le condensateur 56 via la diode 57.
En phase de recharge des condensateurs, le niveau de charge de ceux- ci est déterminé par la différence des tensions mesurées aux bornes de la batterie et aux bornes du condensateur de filtrage. Lorsque cette tension est suffisante, on envoie un signal sur les gâchettes de l'ensemble TP.
Un troisième mode de réalisation d'un interrupteur électronique 21" selon l'invention est décrit en référence à la figure 7. Ce troisième mode de réalisation de l'interrupteur électronique diffère du premier mode de réalisation en ce qu'il comprend, en parallèle du condensateur 40 un circuit série comprenant une inductance Ls et un ensemble Tc de deux thyristors 67 et 68 montés tête-bêche en parallèle l'un avec l'autre. Les gâchettes de ces deux thyristors sont de préférence commune. Un signal émis sur cette gâchette commune permet d'inverser la polarisation du condensateur 40. L'émission d'un signal sur ces gâchettes est commandée par le moyen de commande 45.
En effet, le circuit série comprenant le condensateur 40 et l'inductance Ls est en fait un oscillateur électronique dans lequel on peut bloquer le courant grâce à l'ensemble Tc. Imaginons que le condensateur 40 soit initialement chargé en direct. Un signal émis sur la gâchette des thyristors va rendre passant le thyristor 68. Le courant circulant dans le circuit déchargera d'abord le condensateur 40 avant de le charger en inverse. Une fois le condensateur 40 chargé en inverse, le courant s'annulera dans le circuit et les deux thyristors de l'ensemble Tc se retrouveront alors bloqués. Ce fonctionnement est illustré par les chronogrammes de la figure 8. L'inversion de polarisation est indépendante du pilotage des machines électromécaniques.
Ce troisième mode de réalisation peut encore différer en ce que l'interrupteur 23 et la résistance 24 sont montés en parallèle du seul interrupteur 27. Ainsi, le condensateur 40 peut être préchargé en même temps que le condensateur de filtrage selon la chronologie suivante : - fermeture de l'interrupteur 28, fermeture de l'interrupteur 23 ; la batterie est alors connectée au dispositif d'interrupteur électronique 21" par l'intermédiaire de la résistance 24, amorce du thyristor TA2 ; la précharge des condensateurs 40 et 29 commence, une fois le condensateur 40 chargé, amorce du thyristor 42 de l'ensemble TP jusqu'à la fin de la précharge du condensateur 29.
L'interrupteur selon l'invention présente de nombreux avantages. Il ne présente pas de contacts mobiles. Ainsi, il n'est pas sensible aux vibrations, il permet de réaliser un grand nombre de commutations durant sa durée de vie et il permet en outre des coupures alors qu'un courant important le traverse. Il permet les surcharges transitoires en courant et peut même assurer la coupure en cas de surcharge.
Les seuls contacts mécaniques (qui supportent le courant batterie) sont les deux interrupteurs 27 et 28 qui sont manœuvres à courant nul, sans contrainte de délai ou de rapidité. Ce sont donc des composants peu onéreux et peu volumineux nécessaires pour assurer la procédure de consignation notamment lors d'opérations de maintenance.
Dans les montages des figures 3, 6 et 7, il est prévu un fusible. En cas de court-circuit ou de forte surcharge, ce fusible protège à la fois la batterie, les câbles et les thyristors.
L'interrupteur électronique selon l'invention permet de bien commander la pré-charge du condensateur de filtrage. On peut par exemple exploiter des déconnections et re-connections entre les convertisseurs et la batterie (par exemple, dans des modes dégradés, dans les phases de mise en route...) fréquemment sans endommager ou réduire la durée de vie de l'interrupteur. Ainsi, l'interrupteur 23, le circuit de commande 22 et la résistance 24 ne sont pas forcément nécessaires.
Selon les phases de fonctionnement du véhicule, la batterie 25 du véhicule et les moyens électromécaniques 4 du véhicule ont des fonctions différentes. Ainsi, dans une phase où de l'énergie de la batterie est utilisée pour entraîner le véhicule, la batterie constitue une source d'énergie et les moyens électromécaniques constituent une charge. A l'inverse, dans une phase où de l'énergie cinétique du véhicule est récupérée pour charger la batterie, la batterie constitue une charge alors que les moyens électromécaniques constituent une source.

Claims

Revendications :
1. Dispositif d'interrupteur (21 ; 21 ' ; 21 ") pour commander l'alimentation d'une charge électrique (4, 25) par une source électrique (25, 4), la source électrique fournissant une énergie utilisée pour entraîner un véhicule automobile, le dispositif étant un dispositif d'interrupteur statique, caractérisé en ce que le dispositif d'interrupteur (21 ; 21 ' ; 21") comprend : deux thyristors principaux (41 , 42) montés tête-bêche en parallèle sur une ligne reliant la source électrique à la charge électrique, - au moins un premier condensateur (40 ; 53, 56), un moyen (25, 4, 43, 44 ; 25, 4, 54, 57) de charge du premier condensateur et - un moyen (43, 44 ; 55, 58) pour connecter le premier condensateur aux bornes des thyristors principaux, la connexion du premier condensateur chargé aux bornes des thyristors principaux bloquant le thyristor principal se trouvant à l'état passant.
2. Dispositif d'interrupteur (21 ; 21") selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le moyen de charge du premier condensateur comprend la source électrique, un premier thyristor auxiliaire (44) pour relier le premier condensateur à la source électrique et polariser le premier condensateur dans un premier sens et un deuxième thyristor auxiliaire (43) pour relier le premier condensateur à la source électrique et polariser le premier condensateur dans un deuxième sens.
3. Dispositif d'interrupteur (21 ; 21 ") selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen pour connecter le premier condensateur aux bornes des thyristors principaux comprend deux thyristors auxiliaires (43, 44) montés tête-bêche en parallèle entre une borne du premier condensateur et une borne commune aux deux thyristors principaux.
4. Dispositif d'interrupteur (21") selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen (66, 67, 68) d'inversion de la polarisation du premier condensateur.
5. Dispositif d'interrupteur (21 ") selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le moyen d'inversion de la polarisation du premier condensateur comprend une branche comprenant une inductance (66) et deux thyristors de commande d'inversion (67, 68) montés tête-bêche en parallèle, la branche étant connectée aux bornes du premier condensateur.
6. Dispositif d'interrupteur (21 ') selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième condensateur (56), un moyen (25, 4, 57) de charge du deuxième condensateur et un moyen (58) pour connecter le deuxième condensateur aux bornes des thyristors principaux, la connexion du deuxième condensateur chargé aux bornes des thyristors principaux bloquant l'un (42) des thyristors principaux se trouvant à l'état passant.
7. Dispositif d'interrupteur (21 ') selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moyen de charge du premier condensateur comprend la source électrique et une première diode (54) pour relier le premier condensateur à la source et en ce que le moyen de charge du deuxième condensateur comprend la source électrique et une deuxième diode (57) pour relier le deuxième condensateur à la source.
8. Dispositif d'interrupteur (21 ') selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le moyen pour connecter le premier condensateur (53) aux bornes des thyristors principaux comprend un premier thyristor auxiliaire (55) et en ce que le moyen pour connecter le deuxième condensateur (56) aux bornes des thyristors principaux comprend un deuxième thyristor auxiliaire (58).
9. Dispositif d'interrupteur (21 ; 21 ' ; 21 ") selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de commande (45) des gâchettes des thyristors.
10. Véhicule automobile comprenant un dispositif d'interrupteur (21 ; 21 ' ; 21 ") selon l'une des revendications précédentes.
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