WO2023217643A1 - Capteur de courant haute intensité, notamment pour batterie de véhicule automobile electrique ou hybride - Google Patents

Capteur de courant haute intensité, notamment pour batterie de véhicule automobile electrique ou hybride Download PDF

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WO2023217643A1
WO2023217643A1 PCT/EP2023/061898 EP2023061898W WO2023217643A1 WO 2023217643 A1 WO2023217643 A1 WO 2023217643A1 EP 2023061898 W EP2023061898 W EP 2023061898W WO 2023217643 A1 WO2023217643 A1 WO 2023217643A1
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WO
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measurement
current
contact points
sensitive component
contact
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/061898
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English (en)
Inventor
Eric Walker
Andrej PACHOMOV
Original Assignee
Vitesco Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R1/00—Details of instruments or arrangements of the types included in groups G01R5/00 - G01R13/00 and G01R31/00
    • G01R1/20—Modifications of basic electric elements for use in electric measuring instruments; Structural combinations of such elements with such instruments
    • G01R1/203—Resistors used for electric measuring, e.g. decade resistors standards, resistors for comparators, series resistors, shunts

Definitions

  • High-intensity current sensor particularly for electric or hybrid automobile vehicle batteries
  • the invention relates to a current sensor intended to measure a high intensity electric current, in particular an electric current of intensity greater than or equal to 200 A continuously.
  • a particularly advantageous application of such a current sensor concerns the field of electric or hybrid motor vehicles, and in particular current measurements at the input and/or output of a battery in such a vehicle.
  • the resistive bar is formed of an electrically resistive material, and thus forms a measuring resistance. It is soldered on each side to a respective interconnection plate, simply ensuring the passage of current. In use, each respective interconnection plate is connected to an electrical circuit incorporating the battery.
  • the sensitive component is connected to a printed circuit board, which receives current measurement electronics.
  • the current measurement electronics are configured to carry out an electrical voltage measurement, and to deduce a current value taking into account the known electrical resistance of the resistive bar.
  • the printed circuit board is advantageously superimposed on the sensitive component, and connected to the latter at welding points between the sensitive component and the printed circuit board.
  • An objective of the present invention is to propose a solution to offer both high reliability of current measurement, a reduced manufacturing cost, and a great compactness.
  • said plurality of contact points includes:
  • the current measurement electronics are configured to provide: at least one so-called main current measurement, at the output of the first measurement channel; and at least one so-called redundant current measurement, at the output of the second measurement channel.
  • the first two contact points are located on either side of the resistive bar, each on a respective one of the two interconnection plates. Together they define a first measurement resistance.
  • This first measuring resistor makes it possible to measure an electric current via a measurement of electric voltage, as in “busbar shunt” type sensors known in the prior art. The current measurement using this first measuring resistor forms a so-called main current measurement.
  • the two second contact points are both located on a respective one of the two interconnection plates. Together they frame a portion of said plate, which forms a second measuring resistance.
  • This second measuring resistor makes it possible to measure the same electrical current, via a measurement of electrical voltage. The current measurement via this second measuring resistor thus forms a so-called redundant measurement, redundant with the current measurement via the first measuring resistor.
  • the main measurement and the redundant measurement are both based on a voltage measurement across a resistor, but they each use a different measurement resistor.
  • the two measuring resistors each have their own chemical composition, with their own associated physical properties. Thus, the reliability of the current measurement is maximum.
  • the second measurement resistor has a much lower value. However, she presents a non-zero value, which allows a current measurement to be carried out. Below we detail different solutions for maximizing the value of the second measuring resistor, and thus optimizing the precision of the corresponding current measurement.
  • the invention does not use any other sensitive component than that of a “busbar shunt” type sensor. Current measurements are both done via voltage measurement. We therefore use one and the same measuring electronics, simply equipped with two measuring channels.
  • the invention thus offers both high reliability in current measurement and a reduced manufacturing cost, substantially equal to the manufacturing cost of a “busbar shunt” type sensor according to the prior art. For the same reasons, the invention also offers great compactness, substantially equal to the compactness of a “busbar shunt” type sensor according to the prior art.
  • the invention offers the possibility of detecting or even correcting the effect of aging of the sensitive component.
  • the current measurement via the second measurement resistor is not subject to a gain drift, or in a completely negligible manner, since by construction we do not find this phenomenon of migration of atoms towards the resistive bar. It is then possible, by using this redundant measurement, to detect, or even correct, a possible drift in the gain at the level of the main current measurement.
  • one of the two second contact points is connected to the electrical ground, and the other of the two second contact points is connected to the input of said second measurement channel of the measurement electronics.
  • a first axis connecting the first two contact points together, and a second axis connecting the two second contact points together extend parallel to each other or coincide.
  • the first point of contact and the second point of contact formed together distinctly or combined, can be formed distinct and aligned along an axis perpendicular to said first and second axes.
  • the value of a second measurement resistance, defined between the two second contact points, is advantageously greater than or equal to 10% of the value of a first measurement resistance, defined between the two first contact points.
  • a distance between the two first points of contact, called the first gap, is advantageously strictly less than a distance between the two second points of contact, called the second gap.
  • a distance between the two second contact points is advantageously greater than or equal to 65% of a length of the interconnection plate receiving said second contact points, where said distance and said length are measured along parallel axes or confused.
  • One of the interconnection plates may have a so-called narrow zone, located between the two second contact points, a width of the interconnection plate in the narrow zone being less than a width of the interconnection plate at the interface with the resistive bar, where said widths are defined along an axis perpendicular to an axis connecting the two second contact points.
  • the electrically resistive bar can be arranged off-center on the sensitive component, with the extent of one of the interconnection plates which is greater than the extent of the other of the interconnection plates, and with both second contact points located on the larger interconnection plate.
  • the invention also covers a system comprising a current sensor according to the invention, and a signal processing device configured to receive as input main current measurements and redundant current measurements, and to compare the main measurements current with redundant current measurements so as to detect possible aging of the sensitive component.
  • the signal processing device is further configured to:
  • the invention also covers a battery module intended to be integrated into a hybrid or electric motor vehicle, and comprising:
  • At least one electrical energy storage battery intended to provide said vehicle with power supply energy for at least one engine
  • At least one current sensor configured to measure an electric current at the input and/or output of said battery.
  • the battery module may further comprise a signal processing device configured to receive as input main current measurements and redundant current measurements, and to compare the main current measurements with the redundant current measurements so as to detect possible aging of the sensitive component.
  • the signal processing device can be configured in besides for:
  • the signal processing device can be configured to receive as input main current measurements and redundant current measurements, all associated with rapid charging phases of the at least one battery, and to detect possible aging of the sensitive component using these measurements.
  • FIG. 1 A Figure 1 A schematically illustrates the sensitive component of a current sensor according to a first embodiment of the invention, in a top view;
  • Figure 1 B illustrates schematically, in a side view, the current sensor incorporating the sensitive component of Figure 1 A;
  • FIG. 1 C Figure 1C schematically illustrates, in a perspective view, the current sensor of Figure 1 B;
  • Figure 2 illustrates schematically, in a top view, a first variant of the sensitive component of Figure 1 A;
  • Figure 3 illustrates schematically, in a top view, a second variant of the sensitive component of Figure 1 A;
  • Figure 4 illustrates schematically, in a top view, a third variant of the sensitive component of Figure 1 A;
  • FIG. 5 Figure 5 schematically illustrates a system comprising a current sensor of the invention.
  • FIG. 6 Figure 6 schematically illustrates a battery module according to the invention.
  • FIG. 1 B the current sensor 100 is illustrated in a side view.
  • Figure 1C the current sensor is illustrated in a perspective view.
  • Figure 1 A illustrates, according to a view of above, the sensitive component 110 of the current sensor 100.
  • the sensitive component 110 is of the “busbar shunt” type. It is made up of:
  • the electrically resistive bar 111 is made of an electrically resistive material, for example a manganese-based alloy. It has a bar shape, with a height (largest dimension, defined along the axis (Ox)) of for example between 15 mm and 40 mm.
  • the electrically resistive bar 111 has two opposite edges each welded to a respective one of the interconnection plates 112. These two opposite edges each extend along the axis of the height of the resistive bar, here parallel to the axis (Ox).
  • the interconnection plates 112 each have the general shape of a rectangular plate, the largest dimension of which is oriented along the axis (Oy).
  • the resistive bar 111 does not protrude relative to the rectangular plates 112, neither along the axis (Ox) of its height, nor along the axis (Oz) of its thickness.
  • the resistive bar 111 can, however, have a thickness less than that of the rectangular plates 112, as illustrated in Figure 1 B.
  • the main function of the two interconnection plates 112 is to cause an electric current to flow from one edge to the other of the resistive bar 111.
  • the material of the interconnection plates 112 has a low electrical resistivity of less than that of the material of the resistive bar 111.
  • the interconnection plates 112 are for example made of copper, or of a copper-based alloy, or of aluminum, or of an aluminum-based alloy.
  • the sensitive component 110 comprises two through openings 113, each located in a respective one of the interconnection plates 112, on the side opposite the resistive bar 111.
  • the through openings 113 are circular in shape.
  • the through openings 113 ensure the mechanical fixing and electrical connection of the sensitive component 110 on an electrical circuit traversed by a current to be measured, in particular an electrical circuit incorporating a battery to be monitored in an electric or hybrid automobile vehicle. Fixing is done for example by screwing.
  • the sensitive component 110 has the general shape of a rectangular plate, with:
  • the general shape of the sensitive component 110 is defined for example by:
  • e thickness of between 2 mm and 5 mm, for example 3 mm (generally with a lesser thickness at the level of the resistive bar 111, as illustrated in the figures);
  • the invention is not limited to these shapes of the sensitive component, and may include variants with other shapes of the interconnection plates, in particular non-planar shapes with one or more folding zones and/or non-linear shapes with one or more turns.
  • the current sensor 100 also includes a printed circuit board 120.
  • the printed circuit board 120 receives current measurement electronics 121, in the form of an integrated circuit.
  • the current measurement electronics 121 advantageously comprises a voltage sensor, capable of measuring at least one voltage between an input terminal and an output terminal, and at least one microcontroller, capable of converting a voltage measurement into a measurement current using at least one resistance value stored in a memory.
  • the current measurement electronics 121 has two measurement channels. In other words, it is capable of simultaneously providing two current measurements, using two respective voltage measurements, each between a respective input terminal and a respective output terminal.
  • each contact point 130 designates an area, on the sensitive component 110, at which the electrical connection is established with the printed circuit board 120.
  • each contact point 130 corresponds to a small surface on the sensitive component 110, at the level of which a soldering material extends.
  • each contact point may correspond to a small projecting tip.
  • the contact points 130 are constituted by:
  • the first two contact points 131 are each arranged on a respective one of the interconnection plates 112, in the immediate vicinity of the resistive bar 111.
  • a distance between the one contact point 131 and the resistive bar 111 is less than 2 mm, or even less than 1 mm.
  • the first two contact points 131 are arranged to together provide a signal at the input of a first of the measurement channels of the current measurement electronics 121.
  • the current measurement electronics 121 can thus measure a electric current circulating in the sensitive component 110, via a voltage measurement across a first measuring resistor, formed by the resistive bar 111.
  • the two second contact points 132 are both arranged on the same interconnection plate 112. They are arranged to together provide a signal as an input to the other of the measurement channels of the current measurement electronics 121
  • the current measurement electronics 121 can thus measure an electric current circulating in the sensitive component 110, via a voltage measurement across a second measurement resistor, formed by at least part of one of the plates. interconnection 112.
  • a redundant measurement of the electric current circulating in the sensitive component 110 is thus carried out.
  • a first current measurement (main measurement) uses an electrical resistance formed by the resistive bar 111, and thus offers great precision, or sensitivity.
  • a second current measurement uses an electrical resistance formed by an interconnection plate, and thus offers a less precise but redundant measurement. The invention thus offers a current sensor having great reliability and great robustness, while being compact and inexpensive.
  • the redundant measurement is insensitive to the aging phenomenon described above, linked to the migration of copper atoms from the interconnection plates 112 towards the resistive bar 111.
  • This second current measurement thus makes it possible to detect, and if necessary correct, a drift in the gain associated with the first current measurement.
  • Figure 1 C the current sensor 100 is shown in a perspective view.
  • Figure 1C shows in particular the electrically conductive tracks 122, formed on the printed circuit board 120, each starting from at least one of the contact points 130.
  • the first two contact points 131 are aligned along an axis A1
  • the two second contact points are aligned along an axis A2, with A1 and A2 parallel to each other or even coincident.
  • the axes A1 and A2 extend along the axis (Oy).
  • the axis (Oy) extends perpendicular to the interface edges between the resistive bar 111 and the interconnection plates 112. Here, it also corresponds to the axis of elongation of the sensitive component 110.
  • one of the first contact points 131 is connected to the electrical ground of the electronic circuit integrated on the printed circuit board 120.
  • one of the first contact points 132 is connected to said electrical mass. It is thus easy to compare the measurements provided at the output of each of the two measurement channels.
  • these two contact points connected to ground are distinct from each other. Here they are aligned along an axis (Ox) perpendicular to axes A1 and A2.
  • a first measurement resistance is defined between the two first contact points 131.
  • a second measurement resistance is defined between the two second contact points 132.
  • the value of the second measurement resistor is greater than or equal to 10% of the first measurement resistance. This guarantees satisfactory precision in the current measurement carried out using the second measuring resistor.
  • the value of the second measurement resistance is between 10% and 25% of the first measurement resistance.
  • the value of the first measurement resistor is between 1 pO and 200 pO, more preferably between 25 pO and 100 pO, for example equal to 50 pO.
  • the desired ratio between the first measuring resistor and the second measuring resistor is obtained by adjusting the value of the second measuring resistor.
  • the value of the second measuring resistor can be adjusted by adjusting a gap E2 between the two second contact points 132.
  • the difference E2 is advantageously greater than or equal to 65% of a length of the interconnection plate 112, where said length is measured along an axis parallel to the axis A2 connecting the two second contact points 132.
  • one of the second contact points 132 is fixed closest to the resistive bar 11 1, while the another of the second contact points 132 is fixed closest to an opening 113 on the interconnection plate 112.
  • closes we mean “located at a distance less than 2 mm, or even less than 1 mm”.
  • the first measurement resistor is worth 50 pQ.
  • a second measurement resistance of approximately 5 pQ, with a gap E2 of approximately 18 mm.
  • the gap E2 is advantageously greater than a gap E1 between the first two contact points 131.
  • the different measurement errors include:
  • an offset error (not relevant for measurements of high currents intended to be measured using the current sensor according to the invention); - a gain error at the level of the first measurement channel, which includes an error coming from the electronics (approximately 0.1%), an error linked to variations in sensor temperature (approximately 2% without compensation for the variation in temperature, less than 0.2% otherwise), and an error linked to the aging of the sensor, here the aging of the resistive bar 111;
  • a gain error at the level of the second measurement channel which includes an error coming from the electronics (around 0.1%), an error linked to variations in sensor temperature (up to 30% without compensation of the temperature variation, around 0.5% otherwise), and an error linked to the aging of the sensor, here the aging of a portion of the interconnection plate 112 (negligible, for the reasons explained above).
  • the errors linked to variations in the temperature of the sensor correspond to variations in the resistivity of the materials of the sensitive component, when the temperature increases (by Joule effect).
  • the current sensor 100 cooperates with a temperature sensor, configured to measure a temperature at said current sensor. The temperature measurement is sent to a computer, also receiving the measurements provided by the current sensor and compensating for said variations in resistivity.
  • the gain error at the level of the second measurement channel can be further reduced, if the error linked to temperature variations is completely eliminated.
  • one solution consists of detecting a possible drift in the gain on the first or even measurement, at times all associated with the same temperature of the current sensor.
  • a fast charging phase advantageously designates charging at constant and high current, for a reduced duration.
  • this constant current charging phase is followed by a longer constant voltage charging phase.
  • the constant current is advantageously greater than 200 A, for example equal to 500 A.
  • the reduced duration is advantageously less than 30 minutes, for example equal to 20 minutes.
  • the fast charging phase has a repetitive nature, with a relatively stable and homogeneous temperature at the battery level.
  • a current value 11 is measured at the first measurement channel and a current value I2 at the second measurement channel, with:
  • I2 500A +/- 0.5 A (error coming from the electronics) +/- the interconnection plate).
  • Xi and X 2 are fixed from one current measurement to the next, due to the repeatability of the fast charging phases.
  • Y 2 is substantially zero, since the interconnection plate is not sensitive to the aging phenomenon.
  • Yi varies for example from 0 A, at the start of the life of the sensor, to 1 A, after a certain duration of use (drift of 0.2% of the gain).
  • the resolution of the second measurement channel being 200 mA, this variation of 1 A can be detected and measured, by following the evolution over time of the difference 12-11.
  • the sensitive component 210 of Figure 2 only differs from the sensitive component of Figure 1 A in that the two contact points 231, 232 connected to ground form only one.
  • the sensitive component 310 of Figure 3 differs from the sensitive component of Figure 1A only in that the width of the interconnection plate 312 is locally reduced, between the two second contact points 332.
  • one of the interconnection plates 312 therefore has a variable width, with a narrow zone 315 located between the two second contact points 332.
  • the widths are defined along an axis (Ox), perpendicular to an axis connecting the two second contact points 332 and parallel to the largest face of the interconnection plate 312.
  • the sensitive component 410 of Figure 4 differs from the sensitive component of Figure 1 A, only in that the resistive bar 411 is arranged off-center on the sensitive component, with one of the interconnection plates 412 well longer than the other.
  • the length is defined along the axis (Oy), parallel to an axis connecting the two second contact points 432.
  • the two second contact points 432 are located on the longest interconnection plate 412. This variant makes it possible to increase the distance between the two second contact points 432, and therefore the electrical resistance defined between these two points 432.
  • Figure 5 then illustrates, schematically, a system 50 according to the invention, comprising: a current sensor 500 according to the invention, with a sensitive component 510 and current measurement electronics 521 as described below -Before ; and a signal processing device 550.
  • the sensitive component 510 is configured to provide a voltage U1, respectively U2, at the input of the first, respectively the second measurement channel of the current measurement electronics 521.
  • the current measurement electronics 521 is integrated on the printed circuit board as described above, not shown. It is configured to provide: a current measurement 11, or main measurement, at the output of the first measurement channel (associated with the first two contact points); and a current measurement I2, or redundant measurement, at the output of the second measurement channel (associated with the two second contact points).
  • the signal processing device 550 may include a microcontroller, advantageously integrated with the current measurement electronics 521 on the same integrated circuit card.
  • the signal processing device 550 is an integral part of a external computer also integrating other functions, for example a system for controlling a motor vehicle battery (or “Battery Management System”, in English) or a control unit of a motor vehicle (or “Electronic Control Unit” , in English).
  • a motor vehicle battery or “Battery Management System”, in English
  • a control unit of a motor vehicle or “Electronic Control Unit” , in English.
  • the signal processing device 550 is configured to receive current measurements 11 and I2 as input, and to deduce information V relating to aging of the sensitive component 510.
  • the signal processing device 550 is configured to monitor the values of 11 and I2 over time, so as to detect aging of the sensitive component 510 when a difference between 11 and I2 varies over time. This aging corresponds to the appearance of an error on the main current measurement, 11. This error is associated with a drift in the gain of the first measurement channel and an aging of the resistive bar.
  • the signal processing device 550 can be further configured to quantify this measurement error, and to compensate for this measurement error so as to provide a corrected value of the main measurement of the current. It is possible to quantify the measurement error, when the redundant current measurement provides sufficient accuracy.
  • the corrected value of the main current measurement advantageously corresponds to the main current measurement, reduced by the measurement error thus determined.
  • the battery module 60 is intended to be integrated into a hybrid or electric motor vehicle. It comprises :
  • At least one electrical energy storage battery 61 intended to provide said vehicle with power supply energy for at least one motor
  • At least one current sensor 600 configured to measure an input or output current of the at least one battery, in particular a battery charging current and/or a battery discharge current and/or a supply current for the at least one motor of the hybrid or electric motor vehicle.
  • the electrical connection of the current sensor 600 makes it possible to measure the current as soon as the battery contactors are closed (battery in use).
  • the battery module further comprises a signal processing device as described with reference to Figure 5, capable of detecting or even correcting a measurement error on the first measurement channel of the current sensor .
  • the signal processing device is then configured to receive as input main and redundant measurements associated with rapid charging phases of the at least one battery, and to use these measurements in order to detect a possible aging of the sensitive component.
  • control module can be part of a control unit of a motor vehicle, or “Electronic Control Unit”, in English.
  • the thermal aspect does not impact the current measurements, which allows access to a very low gain error at the level of the second measurement channel, and thus to detect and/or correct very small drifts of the gain on the first measurement channel.
  • the detection and possible compensation of the aging of the sensor is implemented only during rapid battery charging phases, while the main and redundant current measurements are implemented throughout. the duration the battery is on.
  • the invention is not limited to the examples described above, and in particular covers variants in which the sensitive component has other dimensions, other chemical compositions, etc.
  • the current sensor according to the invention is intended to measure a high intensity electric current, in particular an electric current of intensity greater than or equal to 200 A continuously. It finds a particularly advantageous application for measuring an electric current at the input and/or output of an electric battery, where said battery is intended to power an electric motor in an electric or hybrid motor vehicle.
  • the current measured can be a battery charging current, or a battery discharge current, or a power supply current to the electric motor from the battery.
  • the invention makes it possible to carry out reliable measurements of high currents, thanks to measurement redundancy based on the use of two separate sensitive elements.
  • the invention also makes it possible to compensate for a gain drift linked to the aging of the resistive bar, to achieve high levels of security and reliability.

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Abstract

L'invention concerne un capteur de courant comportant : - un composant sensible (110), avec un barreau électriquement résistif (111) entre deux plaques d'interconnexion (112); et - une carte de circuit imprimé, recevant une électronique de mesure de courant ayant deux voies de mesure. La carte de circuit imprimé est connectée électriquement au composant sensible au niveau de points de contact (130) incluant : - deux premiers points de contact (131), situés de part et d'autre du barreau résistif (111) et configurés pour fournir un signal en entrée de l'une des deux voies de mesure de l'électronique de mesure de courant; et - deux seconds points de contact (132), situés tous deux sur une même plaque d'interconnexion (112) et configurés pour fournir un signal en entrée de l'autre des voies de mesure. L'invention trouve notamment à s'appliquer dans le domaine de la surveillance de batterie, dans un véhicule automobile électrique ou hybride.

Description

Description
Capteur de courant haute intensité, notamment pour batterie de véhicule automobile électrique ou hybride
Domaine technique
[0001] L’invention concerne un capteur de courant destiné à mesurer un courant électrique de forte intensité, notamment un courant électrique d’intensité supérieure ou égale à 200 A en continu.
[0002] Une application particulièrement avantageuse d’un tel capteur de courant concerne le domaine des véhicules automobiles électriques ou hybrides, et en particulier les mesures de courant en entrée et/ou en sortie d’une batterie dans un tel véhicule.
Etat de la technique
[0003] On connaît dans l’art antérieur des capteurs de courant destinés à mesurer un courant électrique en entrée et/ou en sortie d’une batterie électrique, où ladite batterie est destinée à alimenter un moteur électrique dans un véhicule automobile électrique ou hybride. De tels capteurs de courant peuvent être basés sur un composant sensible de type barreau-résistance, ou plus communément « busbar shunt ». Un tel composant sensible est constitué par un barreau résistif (ou « shunt », en anglais), encadré par deux plaques d’interconnexion (ou « busbar », en anglais).
[0004] Le barreau résistif est formé d’un matériau électriquement résistif, et forme ainsi une résistance de mesure. Il est soudé de chaque côté à une plaque d’interconnexion respective, assurant simplement le passage du courant. En utilisation, chacune respective des plaques d’interconnexion est reliée à un circuit électrique incorporant la batterie.
[0005] Le composant sensible est connecté à une carte de circuit imprimé, qui reçoit une électronique de mesure du courant. L’électronique de mesure du courant est configurée pour réaliser une mesure de tension électrique, et pour en déduire une valeur de courant compte tenu de la résistance électrique connue du barreau résistif. La carte de circuit imprimé est avantageusement superposée au composant sensible, et connectée à ce dernier au niveau de points de soudure entre le composant sensible et la carte de circuit imprimé.
[0006] Afin de garantir une fiabilité maximale de la mesure de courant, il est avantageux de mettre en œuvre une mesure redondante. Par exemple, on peut doubler la mesure de courant à l’aide du capteur de type « busbar shunt », par une mesure de courant à l’aide d’un autre type de capteur. En particulier, on peut doubler la mesure de courant à l’aide du capteur de type « busbar shunt », par une mesure de courant à l’aide d’un capteur de type magnétique (capteur à effet Hall, capteur à effet magnéto-résistif, etc), comme décrit dans la demande de brevet US20200064380A1.
[0007] Un inconvénient de ces solutions est qu’elles augmentent fortement le coût de fabrication du système de mesure de courant, ainsi que son encombrement.
[0008] Un objectif de la présente invention est de proposer une solution pour offrir à la fois une grande fiabilité de la mesure de courant, un coût de fabrication réduit, et une grande compacité.
Exposé de l’invention
[0009] Cet objectif est atteint avec un capteur de courant comportant :
- un composant sensible, avec un barreau électriquement résistif intercalé entre deux plaques d’interconnexion électriquement conductrices ; et
- une carte de circuit imprimé, recevant une électronique de mesure de courant munie de deux voies de mesure, ladite carte de circuit imprimé étant connectée électriquement au composant sensible au niveau d’une pluralité de points de contact sur le composant sensible.
[0010] Selon l’invention, ladite pluralité de points de contacts inclut :
- deux premiers points de contact, situés de part et d’autre du barreau résistif, et configurés pour fournir un signal en entrée de l’une première des voies de mesure de l’électronique de mesure de courant ; et
- deux seconds points de contact, situés tous deux sur l’une même plaque d’interconnexion, et configurés pour fournir un signal en entrée de l’une seconde des voies de mesure de l’électronique de mesure de courant ; l’un parmi les deux premiers points de contact et l’un parmi les deux seconds points de contact pouvant être formés ensemble distincts ou confondus.
[0011] L’électronique de mesure de courant est configurée pour fournir : au moins une mesure de courant dite principale, en sortie de la première voie de mesure ; et au moins une mesure de courant dite redondante, en sortie de la seconde voie de mesure.
[0012] Les deux premiers points de contact sont situés de part et d’autre du barreau résistif, chacun sur l’une respective des deux plaques d’interconnexion. Ils définissent ensemble une première résistance de mesure. Cette première résistance de mesure permet de mesurer un courant électrique via une mesure de tension électrique, comme dans les capteurs de type « busbar shunt » connus dans l’art antérieur. La mesure de courant à l’aide de cette première résistance de mesure forme une mesure de courant dite principale.
[0013] Les deux seconds points de contact sont situés tous deux sur l’une respective parmi les deux plaques d’interconnexion. Ils encadrent ensemble une portion de ladite plaque, qui forme une seconde résistance de mesure. Cette seconde résistance de mesure permet de mesurer le même courant électrique, via une mesure de tension électrique. La mesure de courant via cette seconde résistance de mesure forme ainsi une mesure dite redondante, redondante avec la mesure de courant via la première résistance de mesure.
[0014] La mesure principale et la mesure redondante sont basées toutes deux sur une mesure de tension aux bornes d’une résistance, mais elles utilisent chacune une résistance de mesure différente. Les deux résistances de mesure ont chacune une composition chimique propre, avec des propriétés physiques associées qui leur sont propres. Ainsi, la fiabilité de la mesure de courant est maximale.
[0015] La seconde résistance de mesure présente une valeur bien moindre. Pour autant, elle présente une valeur non nulle, qui permet de réaliser une mesure de courant. On détaille dans la suite différentes solutions pour maximiser la valeur de la seconde résistance de mesure, et optimiser ainsi la précision de la mesure de courant correspondante.
[0016] L’invention n’utilise pas d’autre composant sensible que celui d’un capteur de type « busbar shunt ». Les mesures de courant se font toutes deux via une mesure de tension. On utilise donc une seule et même électronique de mesure, équipée simplement de deux voies de mesure. L’invention offre ainsi à la fois une grande fiabilité de la mesure de courant et un coût de fabrication réduit, sensiblement égal au coût de fabrication d’un capteur de type « busbar shunt » selon l’art antérieur. Pour les mêmes, raisons, l’invention offre également une grande compacité, sensiblement égale à la compacité d’un capteur de type « busbar shunt » selon l’art antérieur.
[0017] En plus d’une mesure de courant redondante, l’invention offre la possibilité de détecter, voire même corriger l’effet d’un vieillissement du composant sensible.
[0018] En effet, au fur et à mesure des utilisations d’un capteur de courant de type « busbar shunt », et lorsque la température de ce dernier augmente trop fortement (par effet Joule), il se produit un phénomène de vieillissement du composant sensible. En particulier, des atomes vont migrer depuis l’une plaque d’interconnexion vers le barreau résistif. Cette migration d’atomes va modifier légèrement la composition chimique du barreau résistif, et donc sa résistance électrique. Cette modification de la résistance électrique du barreau résistif se traduit par une dérive du gain associé à la première voie de mesure, et impacte la mesure principale du courant.
[0019] Or, la mesure de courant via la seconde résistance de mesure n’est pas soumise à une dérive du gain, ou de façon totalement négligeable, puisque par construction on n’y retrouve pas ce phénomène de migration d’atomes vers le barreau résistif. Il est alors possible, en utilisant cette mesure redondante, de détecter, voire même corriger, une éventuelle dérive du gain au niveau de la mesure principale de courant.
[0020] On peut remarquer qu’une solution pour s’affranchir de cette dérive du gain pourrait être d’utiliser un composant sensible surdimensionné au regard des courants électriques qu’il devra supporter. Ainsi, on limiterait les risques de surchauffe du composant sensible, et ainsi les risques d’apparition d’une telle dérive. Un inconvénient est bien sûr que le composant sensible serait alors plus encombrant, et plus onéreux.
[0021] De préférence :
- l’un parmi les deux premiers points de contact est connecté à la masse électrique, et l’autre parmi les deux premiers points de contact est connecté en entrée de ladite première voie de mesure de l’électronique de mesure ; et
- l’un parmi les deux seconds points de contact est connecté à la masse électrique, et l’autre parmi les deux seconds points de contact est connecté en entrée de ladite seconde voie de mesure de l’électronique de mesure.
[0022] Avantageusement, un premier axe reliant ensemble les deux premiers points de contact, et un second axe reliant ensemble les deux seconds points de contact, s’étendent parallèles entre eux ou confondus.
[0023] Le premier point de contact et le second point de contact formés ensemble distincts ou confondus, peuvent être formés distincts et alignés le long d’un axe perpendiculaire auxdits premier et second axes.
[0024] La valeur d’une seconde résistance de mesure, définie entre les deux seconds points de contact, est avantageusement supérieure ou égale à 10% de la valeur d’une première résistance de mesure, définie entre les deux premiers points de contact.
[0025] Une distance entre les deux premiers points de contact, nommée premier écart, est avantageusement strictement inférieure à une distance entre les deux seconds points de contact, nommée second écart.
[0026] Une distance entre les deux seconds points de contact est avantageusement supérieure ou égale à 65% d’une longueur de la plaque d’interconnexion recevant lesdits seconds points de contact, où ladite distance et ladite longueur sont mesurées selon des axes parallèles ou confondus.
[0027] L’une des plaques d’interconnexion peut présenter une zone dite étroite, située entre les deux seconds points de contact, une largeur de la plaque d’interconnexion dans la zone étroite étant inférieure à une largeur de la plaque d’interconnexion à l’interface avec le barreau résistif, où lesdites largeurs sont définies selon un axe perpendiculaire à un axe reliant les deux seconds points de contact.
[0028] Le barreau électriquement résistif peut être agencé décentré sur le composant sensible, avec l’étendue de l’une des plaques d’interconnexion qui est supérieure à l’étendue de l’autre des plaques d’interconnexion, et avec les deux seconds points de contact situés sur la plaque d’interconnexion de plus grande étendue.
[0029] L’invention couvre également un système comportant un capteur de courant selon l’invention, et un dispositif de traitement de signal configuré pour recevoir en entrée des mesures principale de courant et des mesures redondantes de courant, et pour comparer les mesures principales de courant avec les mesures redondantes de courant de manière à détecter un éventuel un vieillissement du composant sensible.
[0030] Avantageusement, le dispositif de traitement de signal est configuré en outre pour :
- quantifier une erreur de mesure, associée à une mesure principale de courant et due au vieillissement du composant sensible ;
- fournir une valeur principale corrigée, correspondant à une mesure principale de courant corrigée de ladite erreur de mesure.
[0031] L’invention couvre aussi un module batterie destiné à être intégré au sein d’un véhicule automobile hybride ou électrique, et comportant :
- au moins une batterie de stockage d’énergie électrique, destinée à fournir audit véhicule une énergie d’alimentation d’au moins un moteur ; et
- au moins un capteur de courant selon l’invention configuré pour mesurer un courant électrique en entrée et/ou en sortie de ladite batterie.
[0032] Le module batterie peut comporter en outre un dispositif de traitement de signal configuré pour recevoir en entrée des mesures principale de courant et des mesures redondantes de courant, et pour comparer les mesures principales de courant avec les mesures redondantes de courant de manière à détecter un éventuel vieillissement du composant sensible.
[0033] Dans le module batterie, le dispositif de traitement de signal peut être configuré en outre pour :
- quantifier une erreur de mesure, associée à une mesure principale de courant et due au vieillissement du composant sensible ;
- fournir une valeur principale corrigée, correspondant à une mesure principale de courant corrigée de ladite erreur de mesure.
[0034] Dans le module batterie, le dispositif de traitement de signal peut être configuré pour recevoir en entrée des mesures principale de courant et des mesures redondantes de courant, toutes associées à des phases de charge rapide de l’au moins une batterie, et pour détecter un éventuel vieillissement du composant sensible à l’aide de ces mesures.
Description des figures
[0035] D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
[0036] [Fig. 1 A] La figure 1 A illustre de manière schématique le composant sensible d’un capteur de courant selon un premier mode de réalisation de l’invention, selon une vue de dessus ;
[0037] [Fig. 1 B] La figure 1 B illustre de manière schématique, selon une vue de côté, le capteur de courant incorporant le composant sensible de la figure 1 A ;
[0038] [Fig. 1 C] La figure 1C illustre de manière schématique, selon une vue en perspective, le capteur de courant de la figure 1 B ;
[0039] [Fig. 2] La figure 2 illustre de manière schématique, selon une vue de dessus, une première variante du composant sensible de la figure 1 A ;
[0040] [Fig. 3] La figure 3 illustre de manière schématique, selon une vue de dessus, une deuxième variante du composant sensible de la figure 1 A ;
[0041] [Fig. 4] La figure 4 illustre de manière schématique, selon une vue de dessus, une troisième variante du composant sensible de la figure 1 A ;
[0042] [Fig. 5] La figure 5 illustre de manière schématique un système comportant un capteur de courant l’invention ; et
[0043] [Fig. 6] La figure 6 illustre de manière schématique un module batterie selon l’invention.
Description détaillée d’au moins un mode de réalisation
[0044] Pour faciliter leur compréhension, on a représenté sur certaines figures les axes d’un repère orthonormé (Oxyz).
[0045] On décrit pour commencer, en référence aux figures 1A à 1C, un capteur de courant 100 selon un premier mode de réalisation de l’invention. A la figure 1 B, le capteur de courant 100 est illustré selon une vue de côté. A la figure 1C, le capteur de courant est illustré selon une vue en perspective. Enfin, la figure 1 A illustre, selon une vue de dessus, le composant sensible 110 du capteur de courant 100.
[0046] Le composant sensible 110 et de type « busbar shunt ». Il est constitué par :
- un barreau électriquement résistif 111 , ou « shunt », en anglais ; et
- deux plaques d’interconnexion 112, ou « busbar », en anglais.
[0047] Le barreau électriquement résistif 111 , ou simplement barreau résistif 111 , est constitué d’un matériau électriquement résistif, par exemple un alliage à base de manganèse. Il présente une forme de barreau, avec une hauteur (dimension la plus grande, définie selon l’axe (Ox)) comprise par exemple entre 15 mm et 40 mm.
[0048] Le barreau électriquement résistif 111 a deux bords opposés soudés chacun à l’une respective des plaques d’interconnexion 112. Ces deux bords opposés s’étendent chacun selon l’axe de la hauteur du barreau résistif, ici parallèles à l’axe (Ox).
[0049] Ici, les plaques d’interconnexion 112 présentent chacune une forme générale de plaque rectangulaire, dont la plus grande dimension est orientée selon l’axe (Oy).
[0050] De préférence, le barreau résistif 111 ne dépasse pas relativement aux plaques rectangulaires 112, ni selon l’axe (Ox) de sa hauteur, ni selon l’axe (Oz) de son épaisseur. Le barreau résistif 111 peut en revanche présenter une épaisseur inférieure à celle des plaques rectangulaires 112, comme illustré à la figure 1 B.
[0051] Les deux plaques d’interconnexion 112 ont pour fonction principale d’amener un courant électrique à circuler d’un bord à l’autre du barreau résistif 111. Le matériau des plaques d’interconnexion 112 présente une faible résistivité électrique inférieure à celle du matériau du barreau résistif 111. Les plaques d’interconnexion 112 sont par exemple constituées de cuivre, ou d’un alliage à base de cuivre, ou d’aluminium, ou d’un alliage à base d’aluminium.
[0052] De préférence, et comme illustré sur la figure 1A, le composant sensible 110 comporte deux ouvertures traversantes 113, situés chacune dans l’une respective des plaques d’interconnexion 112, du côté opposé au barreau résistif 111. Ici, mais de manière non limitative, les ouvertures traversantes 113 sont de forme circulaire. Les ouvertures traversantes 113 permettent d’assurer la fixation mécanique et la connexion électrique du composant sensible 110 sur un circuit électrique traversé par un courant à mesurer, notamment un circuit électrique incorporant une batterie à surveiller dans un véhicule automobile électrique ou hybride. La fixation se fait par exemple par vissage.
[0053] Ici, mais de manière non limitative, le composant sensible 110 présente une forme générale de plaque rectangulaire, avec :
- la plus grande dimension orientée selon l’axe (Oy) (longueur L),
- la plus petite dimension définie selon l’axe (Oz) (épaisseur e), et
- la dimension selon l’axe (Ox) qui correspond ici à la plus grande dimension du barreau résistif 111 (largeur I).
La forme générale du composant sensible 110 est définie par exemple par :
- une longueur L comprise entre 80 mm et 90 mm, par exemple 84 mm ;
- une épaisseur e comprise entre 2 mm et 5 mm, par exemple 3 mm (avec généralement une épaisseur moindre au niveau du barreau résistif 111 , comme illustré sur les figures) ; et
- une largeur I comprise entre 15 mm et 40 mm, par exemple 20 mm. [0054] L’invention n’est pas limitée à ces formes du composant sensible, et peut inclure des variantes avec d’autres formes des plaques d’interconnexion, notamment des formes non-planaires avec une ou plusieurs zones de pliage et/ou des formes non linéaires avec un ou plusieurs virages.
[0055] Comme illustré aux figures 1 B et 1 C, le capteur de courant 100 comporte également une carte de circuit imprimé 120.
[0056] La carte de circuit imprimé 120 reçoit une électronique de mesure de courant 121 , sous la forme d’un circuit intégré. L’électronique de mesure de courant 121 comporte avantageusement un capteur de tension, apte à mesurer au moins une tension entre une borne d’entrée et une borne de sortie, et au moins un microcontrôleur, apte à convertir une mesure de tension en une mesure de courant à l’aide d’au moins une valeur de résistance stockée dans une mémoire.
[0057] Ici, l’électronique de mesure de courant 121 comporte deux voies de mesure. En d’autres termes, elle est apte à fournir simultanément deux mesures de courant, à l’aide de deux mesures de tension respectives, chacune entre une borne respective d’entrée et une borne respective de sortie.
[0058] Selon l’invention, la carte de circuit imprimé 120 et le composant sensible 110 sont connectés électriquement au niveau de plusieurs points de contact 130. Chaque point de contact 130 désigne une zone, sur le composant sensible 110, au niveau de laquelle s’établit la connexion électrique avec la carte de circuit imprimé 120. Ici, chaque point de contact 130 correspond à une petite surface sur le composant sensible 110, au niveau de laquelle s’étend un matériau de soudure. En variante, chaque point de contact peut correspondre à une petite pointe en saillie.
[0059] Selon l’invention, les points de contact 130 sont constitués par :
- deux premiers points de contact 131 , encadrant le barreau résistif 111 ; et
- deux second points de contact 132, disposés tous deux sur une même plaque d’interconnexion 112.
[0060] Les deux premiers points de contact 131 sont disposés chacun sur l’une respective des plaques d’interconnexion 112, à proximité immédiate du barreau résistif 111. Par exemple, une distance entre l’un point de contact 131 et le barreau résistif 111 est inférieure à 2 mm, voire même inférieure à 1 mm.
[0061] Les deux premiers points de contact 131 sont agencés pour fournir ensemble un signal en entrée de l’une première des voies de mesure de l’électronique de mesure de courant 121. L’électronique de mesure de courant 121 peut ainsi mesurer un courant électrique circulant dans le composant sensible 110, via une mesure de tension aux bornes d’une première résistance de mesure, formée par le barreau résistif 111.
[0062] Les deux seconds points de contact 132 sont disposés tous deux sur la même plaque d’interconnexion 112. Ils sont agencés pour fournir ensemble un signal en entrée de l’autre des voies de mesure de l’électronique de mesure de courant 121. L’électronique de mesure de courant 121 peut ainsi mesurer un courant électrique circulant dans le composant sensible 110, via une mesure de tension aux bornes d’une seconde résistance de mesure, formée par une partie au moins de l’une des plaques d’interconnexion 112. [0063] On réalise ainsi une mesure redondante du courant électrique circulant dans le composant sensible 110. Une première mesure de courant (mesure principale) utilise une résistance électrique formée par le barreau résistif 111 , et offre ainsi une grande précision, ou sensibilité. Une seconde mesure de courant (mesure redondante) utilise une résistance électrique formée par une plaque d’interconnexion, et offre ainsi une mesure moins précise mais redondante. L’invention offre ainsi un capteur de courant présentant une grande fiabilité et une grande robustesse, tout en étant compact et peu onéreux.
[0064] En outre, la mesure redondante est insensible au phénomène de vieillissement décrit ci-avant, lié à la migration d’atomes de cuivre depuis les plaques d’interconnexion 112 vers le barreau résistif 111. Cette seconde mesure de courant permet ainsi de détecter, et le cas échéant corriger, une dérive du gain associé à la première mesure de courant.
[0065] Une façon évidente d’utiliser l’électronique de mesure de courant 121 , aurait consisté à utiliser la résistance électrique du barreau résistif pour chacune des deux voies de mesure. On aurait eu alors une première paire de points de contact encadrant le barreau résistif, et une seconde paire de points de contact encadrant également le barreau résistif. Cette solution n’aurait cependant pas permis d’offrir une fiabilité suffisante, puisque les deux mesures de courant auraient utilisé le même barreau résistif. En outre, cette solution n’aurait pas permis d’utiliser la seconde mesure de courant pour détecter, voire corriger, une dérive du gain sur la première mesure de courant.
[0066] Sur la figure 1 C, le capteur de courant 100 est représenté selon une vue en perspective. La figure 1C montre en particulier les pistes électriquement conductrice 122, formées sur la carte de circuit imprimé 120, chacune au départ de l’un au moins des points de contact 130.
[0067] Ici, et de manière avantageuse, les deux premiers points de contact 131 sont alignés selon un axe A1 , et les deux seconds points de contact sont alignés selon un axe A2, avec A1 et A2 parallèles entre eux voire même confondus.
[0068] Ici, et de manière avantageuse, les axes A1 et A2 s’étendent selon l’axe (Oy). L’axe (Oy) s’étend perpendiculaire aux bords d’interface entre le barreau résistif 111 et les plaques d’interconnexion 112. Ici, il correspond également à l’axe d’allongement du composant sensible 110.
[0069] Ici, et de manière avantageuse, l’un des premiers points de contact 131 est connectée à la masse électrique du circuit électronique intégré sur la carte de circuit imprimé 120. De même, l’un des premiers points de contact 132 est connectée à ladite masse électrique. Il est ainsi aisé de comparer les mesures fournies en sortie de chacune des deux voies de mesure. Ici, mais de manière non limitative, ces deux points de contact connectés à la masse sont distincts l’un de l’autre. Ils sont ici alignés le long d’un axe (Ox) perpendiculaire aux axes A1 et A2.
[0070] Comme détaillé ci-avant, une première résistance de mesure est définie entre les deux premiers points de contact 131. De même, une seconde résistance de mesure est définie entre les deux seconds points de contact 132.
[0071] De manière avantageuse, la valeur de la seconde résistance de mesure est supérieure ou égale à 10% de la première résistance de mesure. On garantit ainsi une précision satisfaisante sur la mesure de courant réalisée à l’aide de la seconde résistance de mesure. De manière avantageuse, la valeur de la seconde résistance de mesure est comprise entre 10% et 25% de la première résistance de mesure.
[0072] Compte tenu de la faible résistivité du matériau des plaques d’interconnexion, une solution pour obtenir un tel rapport de résistances est d’avoir une valeur limitée de la première résistance de mesure. Avantageusement, la valeur de la première résistance de mesure est comprise entre 1 pQ et 200 pQ, plus préférentiellement entre 25 pO et 100 pO, par exemple égale à 50 pO.
[0073] En complément ou en variante, on obtient le rapport souhaité entre la première résistance de mesure et la seconde résistance de mesure en ajustant la valeur de la seconde résistance de mesure.
[0074] On peut ajuster la valeur de la seconde résistance de mesure en ajustant un écart E2 entre les deux seconds points de contact 132. Une valeur optimale de l’écart E2 est avantageusement déterminé en tenant compte de la section S2 de la plaque d’interconnexion 112, de la résistivité r2 du matériau de la plaque d’interconnexion, et de la valeur souhaitée R2 de la deuxième résistance de mesure, avec E2= R2/(r2*S2).
[0075] En pratique, et comme illustré sur les figures 1 A à 1 C, l’écart E2 est avantageusement supérieur ou égal à 65% d’une longueur de la plaque d’interconnexion 112, où ladite longueur est mesurée selon un axe parallèle à l’axe A2 reliant les deux seconds points de contact 132. Avantageusement, et afin de maximiser l’écart E2, l’un des seconds points de contact 132 est fixé au plus proche du barreau résistif 11 1 , tandis que l’autre des seconds points de contact 132 est fixé au plus proche de l’une ouverture 113 sur la plaque d’interconnexion 112. Par « au plus proche », on entend « situé à une distance inférieure à 2 mm, voire même inférieure à 1 mm ».
[0076] Par exemple, la première résistance de mesure vaut 50 pQ. On obtient alors une seconde résistance de mesure d’environ 5 pQ, avec un écart E2 d’environ 18 mm.
[0077] En pratique, l’écart E2 est avantageusement supérieur à un écart E1 entre les deux premiers points de contact 131. On a avantageusement un rapport entre l’écart E2 et l’écart E1 qui est supérieur ou égal à 1 ,5.
[0078] On décrit dans la suite le résultat de simulations et calculs, montrant l’un des avantages d’un capteur de courant selon l’invention.
[0079] On suppose que l’on a par exemple une résolution de 1 pV sur les mesures de tension réalisée au niveau de l’électronique de mesure de courant 121 , ce qui correspond à :
- une résolution de 20 mA sur la valeur de courant mesurée sur la première voie de mesure (résistance de 50 pQ entre les deux premiers points de contact) ; et
- une résolution de 200 mA sur la valeur de courant mesurée sur la seconde voie de mesure (résistance de 5 pQ entre les deux seconds points de contact).
[0080] Les différentes erreurs de mesure comprennent :
- une erreur d’offset (non pertinente pour des mesures de courants forts destinés à être mesurés à l’aide du capteur de courant selon l’invention) ; - une erreur de gain au niveau de la première voie de mesure, qui comporte une erreur provenant de l’électronique (environ 0,1 %), une erreur liée aux variations de température du capteur (environ 2% sans compensation de la variation de température, moins de 0,2% sinon), et une erreur liée au vieillissement du capteur, ici le vieillissement du barreau résistif 111 ; et
- une erreur de gain au niveau de la seconde voie de mesure, qui comporte une erreur provenant de l’électronique (environ 0,1 %), une erreur liée aux variations de température du capteur (jusqu’à 30% sans compensation de la variation de température, environ 0,5% sinon), et une erreur liée au vieillissement du capteur, ici le vieillissement d’une portion de la plaque d’interconnexion 112 (négligeable, pour les raisons exposées ci-avant).
[0081] Les erreurs liées aux variations de la température du capteur correspondent aux variations de la résistivité des matériaux du composant sensible, lorsque la température augmente (par effet Joule). De manière avantageuse et connue en soi, le capteur de courant 100 coopère avec un capteur de température, configuré pour mesurer une température au niveau dudit capteur de courant. La mesure de température est envoyée à un calculateur, recevant également les mesures fournies par le capteur de courant et réalisant une compensation desdites variations de résistivité.
[0082] Dans le cas où on compense la variation de température, on obtient une erreur de gain d’environ 1 %, sur la deuxième voie de mesure. Cette valeur de 1 % correspond à des hypothèses pessimistes, et on s’attend à obtenir aisément une précision encore meilleure. En tout état de cause, une telle erreur de gain permet néanmoins de détecter une dérive du gain sur la première voie de mesure, correspondant à une augmentation de l’erreur liée au vieillissement du capteur. On peut par exemple détecter une dérive d’environ 0,2% sur le gain de la première voie de mesure.
[0083] L’erreur de gain au niveau de la seconde voie de mesure peut être réduite encore, si l’on s’affranchit entièrement de l’erreur liée aux variations de température. Pour cela, une solution consiste à détecter une éventuelle dérive du gain sur la première voire de mesure, à des instants tous associés à une même température du capteur de courant.
[0084] Par exemple, on détecte une éventuelle dérive du gain sur la première voie de mesure, à l’aide du capteur de courant selon l’invention et lors de phases de charge rapide d’une batterie de véhicule automobile. Une phase de charge rapide désigne avantageusement une charge à courant constant et élevé, pendant une durée réduite. Généralement, cette phase de charge à courant constant est suivie d’une phase de charge à tension constante, plus longue. Le courant constant est avantageusement supérieur à 200 A, par exemple égal à 500 A. La durée réduite est avantageusement inférieure à 30 minutes, par exemple égale à 20 minutes. La phase de charge rapide présente un caractère répétitif, avec une température relativement stable et homogène au niveau de la batterie.
[0085] La température étant stable d’une mesure de courant à l’autre, on s’affranchit de toute erreur liée aux variations de température. On atteint alors une erreur de gain d’environ 0,2% sur la deuxième voie de mesure. Il est alors possible non seulement de détecter, mais même de corriger une dérive d’environ 0,2% sur le gain de la première voie de mesure.
[0086] Par exemple, pour un courant de charge rapide d’environ 500 A, on mesure une valeur 11 de courant au niveau de la première voie de mesure et une valeur I2 de courant au niveau de la deuxième voie de mesure, avec :
11= 500A +/- 0,5 A (erreur provenant de l’électronique) +/- Xi (erreur liée aux variations de température du capteur) +/- Yi (erreur liée au vieillissement du capteur, ici le vieillissement du barreau résistif)
I2= 500A +/- 0,5 A (erreur provenant de l’électronique) +/- X2 (erreur liée aux variations de température du capteur) +/- Y2 (erreur liée au vieillissement du capteur, ici le vieillissement de la plaque d’interconnexion).
[0087] Xi et X2 sont fixes d’une mesure de courant à l’autre, en raison de la répétabilité des phases de charge rapide.
[0088] Y2 est sensiblement nul, puisque la plaque d’interconnexion n’est pas sensible au phénomène de vieillissement.
[0089] Yi varie par exemple de 0 A, en début de vie du capteur, à 1 A, après une certaine durée d’utilisation (dérive de 0,2% du gain). La résolution de la deuxième voie de mesure étant de 200 mA, cette variation de 1 A pourra être détectée et mesurée, en suivant l’évolution en fonction du temps de la différence 12-11.
[0090] On décrit ensuite, en référence à la figure 2, une première variante du composant sensible de la figure 1A. Le composant sensible 210 de la figure 2 ne diffère du composant sensible de la figure 1 A, qu’en ce que les deux points de contact 231 , 232 connectés à la masse ne forment qu’un.
[0091] On décrit ensuite, en référence à la figure 3, une deuxième variante du composant sensible de la figure 1 A. Dans cette variante, on a ajusté la valeur de la seconde résistance de mesure, en ajustant notamment une valeur locale de section de la plaque d’interconnexion, entre les deux seconds points de contact 332.
[0092] Le composant sensible 310 de la figure 3 ne diffère du composant sensible de la figure 1A, qu’en ce que la largeur de la plaque d’interconnexion 312 est localement réduite, entre les deux seconds points de contact 332. L’une des plaques d’interconnexion 312 présente donc une largeur variable, avec une zone étroite 315 située entre les deux seconds points de contact 332. Les largeurs sont définies selon un axe (Ox), perpendiculaire à un axe reliant les deux seconds points de contact 332 et parallèle à la plus grande face de la plaque d’interconnexion 312.
[0093] On peut définir : une largeur h, correspondant à la largeur de la plaque d’interconnexion 312 à l’interface avec le barreau résistif 311 ; et une largeur lmin correspondant à la plus petite largeur de la plaque d’interconnexion 312, dans la zone étroite 315.
[0094] On a par exemple un rapport li/lmin supérieur ou égal à 1 ,5, voire même 2.
[0095] On peut définir également une largeur moyenne lmoy, correspondant à la largeur moyenne de la plaque d’interconnexion 112, entre les deux seconds points de contact 332. On a par exemple un rapport h/lmoy supérieur ou égal à 1 ,3, voire même 1 ,7. [0096] Cette variante permet d’augmenter la résistance électrique entre les deux seconds points de contact 332, par une réduction locale de la section de l’une des plaques d’interconnexion. Cela permet d’améliorer la résolution de mesure du courant sur la deuxième voie de mesure.
[0097] On décrit ensuite, en référence à la figure 4, une troisième variante du composant sensible de la figure 1 A. Dans cette variante, on a ajusté la valeur de la seconde résistance de mesure, en adaptant l’emplacement du barreau résistif de manière à pouvoir augmenter encore l’écart entre les deux seconds points de contact 432.
[0098] Le composant sensible 410 de la figure 4 ne diffère du composant sensible de la figure 1 A, qu’en ce que le barreau résistif 411 est agencé décentré sur le composant sensible, avec l’une des plaques d’interconnexion 412 bien plus longue que l’autre. La longueur est définie selon l’axe (Oy), parallèle à un axe reliant les deux seconds points de contact 432.
[0099] Les deux seconds points de contact 432 sont situés sur la plaque d’interconnexion 412 la plus longue. Cette variante permet d’augmenter l’écart entre les deux seconds points de contact 432, et donc la résistance électrique définie entre ces deux points 432.
[0100] On a par exemple un rapport supérieur à 2, voire même supérieur à 3, entre d’une part l’écart entre les deux seconds points de contact 432, et d’autre part l’écart entre les deux premiers points de contact 431. Cela permet d’améliorer la résolution de mesure du courant sur la deuxième voie de mesure. Cette variante peut être combinée à la variante de la figure 3, pour augmenter encore la valeur de la deuxième résistance de mesure.
[0101] Les variantes des figures 3 et 4 peuvent bien sûr être combinées avec la variante de la figure 2, où les deux points de contact connectés à la masse ne forment qu’un.
[0102] La figure 5 illustre ensuite, de manière schématique, un système 50 selon l’invention, comportant : un capteur de courant 500 selon l’invention, avec un composant sensible 510 et une électronique de mesure de courant 521 tels que décrits ci-avant ; et un dispositif de traitement de signal 550.
[0103] Le composant sensible 510 est configuré pour fournir une tension U1 , respectivement U2, en entrée de la première, respectivement la deuxième voie de mesure de l’électronique de mesure de courant 521.
[0104] L’électronique de mesure de courant 521 est intégrée sur la carte de circuit imprimé telle que décrite ci-avant, non représentée. Elle est configurée pour fournir : une mesure de courant 11 , ou mesure principale, en sortie de la première voie de mesure (associée aux deux premiers points de contact) ; et une mesure de courant I2, ou mesure redondante, en sortie de la seconde voie de mesure (associée aux deux seconds points de contact).
[0105] Le dispositif de traitement de signal 550 peut comporter un microcontrôleur, avantageusement intégré avec l’électronique de mesure de courant 521 sur la même carte de circuit intégré.
[0106] En variante, le dispositif de traitement de signal 550 fait partie intégrante d’un calculateur externe intégrant également d’autres fonctions, par exemple un système de pilotage d’une batterie de véhicule automobile (ou « Battery Management System », en anglais) ou une unité de contrôle d’un véhicule automobile (ou « Electronic Control Unit », en anglais).
[0107] Le dispositif de traitement de signal 550 est configuré pour recevoir en entrée les mesures de courant 11 et I2, et pour en déduire une information V relative à un vieillissement du composant sensible 510. En particulier, le dispositif de traitement de signal 550 est configuré pour réaliser un suivi des valeurs de 11 et I2, au cours du temps, de manière à détecter un vieillissement du composant sensible 510 lorsqu’une différence entre 11 et I2 varie au cours du temps. Ce vieillissement correspond à l’apparition d’une erreur sur la mesure principale de courant, 11. Cette erreur est associée à une dérive sur le gain de la première voie de mesure et à un vieillissement du barreau résistif.
[0108] Le dispositif de traitement de signal 550 peut être configuré en outre pour quantifier cette erreur de mesure, et pour compenser cette erreur de mesure de manière à fournir une valeur corrigée de la mesure principale du courant. Il est possible de quantifier l’erreur de mesure, lorsque la mesure redondante du courant offre une précision suffisance. La valeur corrigée de la mesure principale de courant correspond avantageusement à la mesure principale de courant, diminuée de l’erreur de mesure ainsi déterminée.
[0109] On a illustré enfin, en référence à la figure 6 et de manière schématique, un module batterie 60 selon l’invention. Le module batterie 60 est destiné à être intégré au sein d’un véhicule automobile hybride ou électrique. Il comporte :
- au moins une batterie 61 de stockage d’énergie électrique, destinée à fournir audit véhicule une énergie d’alimentation d’au moins un moteur ; et
- au moins un capteur de courant 600 selon l’invention, configuré pour mesurer un courant d’entrée ou de sortie de l’au moins une batterie, notamment un courant de charge de la batterie et/ou un courant de décharge de la batterie et/ou un courant d’alimentation de l’au moins un moteur du véhicule automobile hybride ou électrique.
[0110] Avantageusement, la connexion électrique du capteur de courant 600 permet de réaliser la mesure de courant dès que des contacteurs de la batterie sont fermés (batterie en utilisation).
[0111] Dans une variante non représentée, le module batterie comporte en outre un dispositif de traitement de signal tel que décrit en référence à la figure 5, apte à détecter voire corriger une erreur de mesure sur la première voie de mesure du capteur de courant.
[0112] De manière avantageuse, le dispositif de traitement de signal est alors configuré pour recevoir en entrée des mesures principales et redondantes associées à des phases de charge rapide de l’au moins une batterie, et pour utiliser ces mesures afin de détecter un éventuel vieillissement du composant sensible.
[0113] L’acquisition des mesures principales et redondantes, à des instants déterminés, est avantageusement pilotée à l’aide d’un module de pilotage. Ce module de pilotage peut faire partie d’une unité de contrôle d’un véhicule automobile, ou « Electronic Control Unit », en anglais. [0114] Comme expliqué ci-avant, il est avantageux de réaliser les mesures de courant pendant ces phases de charge rapide, car elles sont reproductibles au cours du temps, notamment en termes de température du capteur. Ainsi, l’aspect thermique n’impacte pas les mesures de courant, ce qui permet d’accéder à une très faible erreur de gain au niveau de la deuxième voie de mesure, et ainsi de détecter et/ou corriger de très faibles dérives du gain sur la première voie de mesure.
[0115] Ainsi, de manière avantageuse, la détection et l’éventuelle compensation du vieillissement du capteur est mise en œuvre uniquement pendant des phases de charge rapide de la batterie, tandis que les mesures de courant principales et redondantes sont mises en œuvre pendant toute la durée où la batterie est allumée.
[0116] L’invention n’est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus, et couvre notamment des variantes dont le composant sensible présente d’autres dimensions, d’autres compositions chimiques, etc.
[0117] Le capteur de courant selon l’invention est destiné à mesurer un courant électrique de forte intensité, notamment un courant électrique d’intensité supérieure ou égale à 200 A en continu. Il trouve une application particulièrement avantageuse pour mesurer un courant électrique en entrée et/ou en sortie d’une batterie électrique, où ladite batterie est destinée à alimenter un moteur électrique dans un véhicule automobile électrique ou hybride. Le courant mesuré peut être un courant de charge de la batterie, ou un courant de décharge de la batterie, ou un courant d’alimentation du moteur électrique par la batterie.
[0118] L’invention permet de réaliser des mesures fiables de courant forts, grâce à une redondance de la mesure basée sur l’utilisation de deux éléments sensibles distincts. L’invention permet également de compenser une dérive de gain liée au vieillissement du barreau résistif, pour atteindre de forts niveaux de sécurité et de fiabilité.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Capteur de courant (100 ; 500 ; 600) comportant :
- un composant sensible (110 ; 210 ; 310 ; 410 ; 510), avec un barreau électriquement résistif (111 ; 411) intercalé entre deux plaques d’interconnexion (112 ; 312 ; 412) électriquement conductrices ; et
- une carte de circuit imprimé (120), recevant une électronique de mesure de courant (121) munie de deux voies de mesure, ladite carte de circuit imprimé (120) étant connectée électriquement au composant sensible au niveau d’une pluralité de points de contact (130) sur le composant sensible ; dans lequel ladite pluralité de points de contacts (130) inclut :
- deux premiers points de contact (131 ; 231 ; 431), situés de part et d’autre du barreau résistif, et configurés pour fournir un signal en entrée de l’une première des voies de mesure de l’électronique de mesure de courant (121) ; et
- deux seconds points de contact (132 ; 232 ; 332 ; 432), situés tous deux sur l’une même plaque d’interconnexion, et configurés pour fournir un signal en entrée de l’une seconde des voies de mesure de l’électronique de mesure de courant (121) ; l’un parmi les deux premiers points de contact et l’un parmi les deux seconds points de contact pouvant être formés ensemble distincts ou confondus ; et caractérisé en ce que l’électronique de mesure de courant (521) est configurée pour fournir au moins une mesure de courant dite principale (11), en sortie de la première voie de mesure, et au moins une mesure de courant dite redondante (I2), en sortie de la seconde voie de mesure.
[Revendication 2] Capteur de courant (100 ; 500 ; 600) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que :
- l’un parmi les deux premiers points de contact (131 ; 231 ; 431) est connecté à la masse électrique, et l’autre parmi les deux premiers points de contact (131 ; 231 ; 431) est connecté en entrée de ladite première voie de mesure de l’électronique de mesure (121) ; et
- l’un parmi les deux seconds points de contact (132 ; 232 ; 332 ; 432) est connecté à la masse électrique, et l’autre parmi les deux seconds points de contact (132 ; 232 ; 332 ; 432) est connecté en entrée de ladite seconde voie de mesure de l’électronique de mesure (121).
[Revendication 3] Capteur de courant (100 ; 500 ; 600) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu’un premier axe (A1), reliant ensemble les deux premiers points de contact (131 ; 231 ; 431), et un second axe (A2), reliant ensemble les deux seconds points de contact (132 ; 232 ; 332 ; 432), s’étendent parallèles entre eux ou confondus.
[Revendication 4] Capteur de courant (100 ; 500 ; 600) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier point de contact (131 ; 431) et le second point de contact (132 ; 332 ; 432) formés ensemble distincts ou confondus, sont formés distincts et alignés le long d’un axe perpendiculaire auxdits premier et second axes (A1 , A2).
[Revendication 5] Capteur de courant (100 ; 500 ; 600) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la valeur d’une seconde résistance de mesure, définie entre les deux seconds points de contact (132 ; 232 ; 332 ; 432), est supérieure ou égale à 10% de la valeur d’une première résistance de mesure, définie entre les deux premiers points de contact (131 ; 231 ; 431).
[Revendication 6] Capteur de courant (100 ; 500 ; 600) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’une distance (E1) entre les deux premiers points de contact, nommée premier écart, est strictement inférieure à une distance (E2) entre les deux seconds points de contact, nommée second écart.
[Revendication 7] Capteur de courant (100 ; 500 ; 600) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’une distance (E2) entre les deux seconds points de contact est supérieure ou égale à 65% d’une longueur de la plaque d’interconnexion recevant lesdits seconds points de contact (132 ; 232 ; 332 ; 432), où ladite distance et ladite longueur sont mesurées selon des axes parallèles ou confondus.
[Revendication 8] Capteur de courant selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l’une des plaques d’interconnexion (312) présente une zone dite étroite (315), située entre les deux seconds points de contact (332), une largeur (lmin) de la plaque d’interconnexion dans la zone étroite étant inférieure à une largeur ( ) de la plaque d’interconnexion à l’interface avec le barreau résistif, où lesdites largeurs sont définies selon un axe perpendiculaire à un axe reliant les deux seconds points de contact (332).
[Revendication 9] Capteur de courant selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le barreau électriquement résistif (411) est agencé décentré sur le composant sensible (410), avec l’étendue de l’une des plaques d’interconnexion (412) qui est supérieure à l’étendue de l’autre des plaques d’interconnexion, et avec les deux seconds points de contact (432) situés sur la plaque d’interconnexion de plus grande étendue.
[Revendication 10] Système (50) comportant un capteur de courant (500) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, et un dispositif de traitement de signal (550) configuré pour recevoir en entrée des mesures principale de courant (11) et des mesures redondantes de courant (I2), et pour comparer les mesures principales de courant (11) avec les mesures redondantes de courant (I2) de manière à détecter un éventuel un vieillissement du composant sensible (510). [Revendication 11] Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que le dispositif de traitement de signal (550) est configuré en outre pour :
- quantifier une erreur de mesure, associée à une mesure principale de courant (11) et due au vieillissement du composant sensible (510) ;
- fournir une valeur principale corrigée, correspondant à une mesure principale de courant
(11) corrigée de ladite erreur de mesure.
[Revendication 12] Module batterie (60) destiné à être intégré au sein d’un véhicule automobile hybride ou électrique, et comportant :
- au moins une batterie de stockage d’énergie électrique (61), destinée à fournir audit véhicule une énergie d’alimentation d’au moins un moteur ; et
- au moins un capteur de courant (600) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, configuré pour mesurer un courant électrique en entrée et/ou en sortie de ladite batterie.
[Revendication 13] Module batterie (60) selon la revendication 12, caractérisé en ce qu’il comporte en outre un dispositif de traitement de signal configuré pour recevoir en entrée des mesures principale de courant et des mesures redondantes de courant, et pour comparer les mesures principales de courant avec les mesures redondantes de courant de manière à détecter un éventuel vieillissement du composant sensible.
[Revendication 14] Module batterie (60) selon la revendication 13, caractérisé en ce que le dispositif de traitement de signal est configuré pour recevoir en entrée des mesures principale de courant et des mesures redondantes de courant, toutes associées à des phases de charge rapide de l’au moins une batterie (61), et pour détecter un éventuel vieillissement du composant sensible à l’aide de ces mesures.
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