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FR3125930A1 - Procédé de protection contre des sous-tension d'une machine électrique de traction de véhicule automobile - Google Patents

Procédé de protection contre des sous-tension d'une machine électrique de traction de véhicule automobile Download PDF

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FR3125930A1
FR3125930A1 FR2108236A FR2108236A FR3125930A1 FR 3125930 A1 FR3125930 A1 FR 3125930A1 FR 2108236 A FR2108236 A FR 2108236A FR 2108236 A FR2108236 A FR 2108236A FR 3125930 A1 FR3125930 A1 FR 3125930A1
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electric
electrical network
traction machine
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Olivier Balenghien
Sylvain Juan
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Abstract

L'invention porte sur un procédé de protection contre des sous-tension d'une machine électrique de traction (11) d'un véhicule automobile comprenant: - une étape de détection d'une sous-tension aux bornes de la machine électrique de traction (11) pendant une durée prédéterminée, - une étape d’ouverture des contacteurs haute tension (13) pour isoler électriquement la batterie de traction (12) par rapport au réseau électrique haute tension (10), - une étape d’arrêt d’une fonction de freinage récupératif pour empêcher que la machine électrique de traction (11) fonctionnant en mode alternateur fournisse un courant au réseau électrique haute tension, et - une étape de réalisation d'une décharge active du réseau électrique haute tension (10) pour évacuer un courant électrique du réseau électrique haute tension (10). Figure 1

Description

PROCÉDÉ DE PROTECTION CONTRE DES SOUS-TENSION D'UNE MACHINE ÉLECTRIQUE DE TRACTION DE VÉHICULE AUTOMOBILE
La présente invention porte sur un procédé de protection contre des sous-tension d'une machine électrique de traction de véhicule automobile. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec les véhicules automobiles de type électrique ou hybride ayant une machine électrique tournante fonctionnant en haute tension, c’est-à-dire une machine électrique tournante ayant une tension de fonctionnement supérieure à 300 Volts.
De façon connue en soi, un véhicule électrique ou hybride peut comporter un réseau électrique haute tension sur lequel sont connectés une machine électrique de traction ainsi qu'une batterie électrique haute tension, dite batterie de traction. D'autres charges électriques peuvent également être connectées sur le réseau électrique haute tension. La batterie électrique haute tension est associée à des contacteurs pour sélectivement connecter ou déconnecter la batterie au réseau électrique haute tension.
La tension aux bornes de la machine électrique de traction est surveillée lorsque les contacteurs de la batterie électrique de traction sont fermés. Autrement dit, la tension aux bornes de la machine électrique de traction est surveillée uniquement lorsque la batterie de traction et la machine électrique de traction sont connectées via le réseau électrique haute tension.
L’apparition d’une sous-tension aux bornes d’alimentation de la machine électrique de traction est problématique, dans la mesure où la machine de traction n’est pas dimensionnée pour fonctionner à ce niveau de tension. En outre, cela peut engendrer des problèmes de sécurité des personnes et de fonctionnement du groupe motopropulseur.
En effet, dans le cas où la chute de tension aux bornes de la machine électrique est liée à une chute de courant, plusieurs causes sont possibles :
- la batterie de traction peut présenter un dysfonctionnement l'empêchant de fournir un courant nominal au réseau électrique. Il existe alors un risque de défaillance grave de la batterie de traction qui pourrait engendrer une surchauffe nocive pour le fonctionnement du groupe motopropulseur.
- une partie du courant débité par la batterie a fuité à l’extérieur de la machine électrique vers le véhicule. Compte tenu des niveaux élevés de tension et d’intensité, il existe alors un risque d’électrocution pouvant mettre en danger la vie des personnes.
- une résistance de la machine électrique est détériorée en raison d'une surchauffe d’un de ses composants, ce qui est susceptible d’endommager la machine électrique.
L'invention vise à remédier efficacement aux inconvénients précités en proposant un procédé de protection contre des sous-tensions d'une machine électrique de traction d'un véhicule automobile comprenant un réseau électrique haute tension auquel est connecté ladite machine électrique de traction ainsi qu'une batterie de traction associée à des contacteurs pour sélectivement connecter ou déconnecter la batterie de traction au réseau électrique haute tension, ledit procédé comportant:
- une étape de détection d'une sous-tension aux bornes de la machine électrique de traction pendant une durée prédéterminée,
- une étape d’ouverture des contacteurs haute tension pour isoler électriquement la batterie de traction par rapport au réseau électrique haute tension,
- une étape d’arrêt d’une fonction de freinage récupératif pour empêcher que la machine électrique de traction fonctionnant en mode alternateur fournisse un courant au réseau électrique haute tension, et
- une étape de réalisation d'une décharge active du réseau électrique haute tension pour évacuer un courant électrique du réseau électrique haute tension.
L'invention permet ainsi de sécuriser entièrement le réseau électrique du véhicule pour éviter tout risque d’électrocution pour une personne intervenant sur le groupe motopropulseur. L'invention permet également d'isoler le réseau électrique par rapport à la batterie de traction pour éviter de détériorer la machine électrique de traction dans le cas où cette dernière présenterait un dysfonctionnement.
Selon une mise en œuvre de l'invention, ledit procédé comporte en outre une étape d'interdiction à un calculateur de la batterie de traction de refermer les contacteurs haute tension de sa propre initiative.
Selon une mise en œuvre de l'invention, la décharge active consiste à transformer un courant emmagasiné dans des faisceaux électriques du réseau électrique haute tension en chaleur au moyen de résistances.
Selon une mise en œuvre de l'invention, ledit procédé comporte en outre une étape d'activation d'une pompe à eau du circuit de refroidissement de la machine électrique au cas où un composant électrique dans la machine électrique de traction aurait été détérioré en raison d’une surchauffe.
Selon une mise en œuvre de l'invention, ledit procédé comporte en outre une étape d'émission d'un signal d'alerte à destination du conducteur.
Selon une mise en œuvre de l'invention, ledit procédé comporte en outre une étape de refroidissement de la batterie de traction dans le cas où un capteur de température associé à la batterie de traction retourne une valeur supérieure à un seuil de température.
Selon une mise en œuvre de l'invention, la durée prédéterminée est de l'ordre de quelques millisecondes.
Selon une mise en œuvre de l'invention, ledit procédé est mis en œuvre uniquement lorsque le véhicule automobile fonctionne dans un mode de roulage.
L'invention a également pour objet un calculateur de véhicule automobile comportant une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre du procédé tel que précédemment défini.
L'invention concerne en outre un véhicule automobile comportant un calculateur tel que précédemment défini.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.
La est une représentation schématique d'un réseau électrique haute tension interfacé avec un réseau de bord d'un véhicule automobile mettant en œuvre le procédé selon l'invention;
La est un diagramme des différentes étapes du procédé de protection contre les sous-tension d'une machine électrique de traction d'un véhicule automobile.
La montre un réseau électrique haute tension 10 d'un véhicule automobile sur lequel est connectée une machine électrique de traction 11. Une batterie électrique haute tension 12, dite "batterie de traction", est associée à des contacteurs 13 pour sélectivement connecter ou déconnecter la batterie de traction 12 au réseau électrique haute tension 10. Ce réseau électrique 10 présente une tension de fonctionnement supérieure à 300 volts. D'autres charges électriques 14, notamment une deuxième machine électrique 11, peuvent également être connectées sur le réseau électrique haute tension 10.
La machine électrique de traction 11 pourra fonctionner dans un mode moteur pour assurer la traction du véhicule automobile. La machine électrique 11 pourra également mettre en œuvre une fonction de freinage récupératif permettant à la machine électrique 11 fonctionnant en mode alternateur de fournir de l'énergie électrique à la batterie lors d'une phase de freinage. Ainsi, lors d'une phase de freinage, la machine électrique 11 transforme au moins une partie de l'énergie cinétique du véhicule en une énergie électrique utilisée pour recharger la batterie de traction 12. La machine électrique 11 pourra par exemple être une machine de type synchrone à aimants permanents ou tout autre type de machine adaptée à l'application (machine asynchrone, polyphasée, avec ou sans balais, etc…).
Le réseau électrique haute tension 10 est interfacé avec un réseau électrique basse tension 16 correspondant au réseau de bord par l'intermédiaire d'un convertisseur continu/continu 17. Des consommateurs électriques 18 du véhicule de type éclairage, actionneurs de vitres ou de sièges, et contrôle moteur, sont connectés au réseau de bord 16. Le réseau de bord 16 est associé à une batterie basse tension 20 présentant une tension de fonctionnement inférieure à celle du réseau électrique haute tension 10. La tension de fonctionnement du réseau de bord 16 est de l'ordre de 12 Volts.
La batterie de traction 12 est associée à un calculateur appelé BMS 21 pour "Battery Management System" en anglais. Le calculateur BMS 21 gère la batterie de traction 12 du véhicule. Le calculateur BMS 21 est apte à estimer le niveau de charge de la batterie de traction 12 et à envoyer l’information au superviseur 22 du groupe motopropulseur appelé eVCU (pour "Electric Vehicle Control Unit" en anglais).
La machine électrique de traction 11 est associée à un calculateur 23 appelé le calculateur MCU (pour "Motor Control Unit"). Le calculateur MCU 23 gère la machine électrique de traction 11 en assurant notamment le pilotage du courant circulant dans les phases de la machine électrique de traction 11 ainsi que le contrôle de la température de la machine électrique 11.
Le superviseur eVCU 22 du groupe motopropulseur coordonne les calculateurs connectés sur un bus de données 19 du véhicule, par exemple un bus de données de type CAN (pour "Controller Area Network"). Le superviseur eVCU 22 calcule notamment l’autonomie restante du véhicule sur la base de l’estimation du niveau de charge retourné par le calculateur BMS 21 de la batterie de traction 12.
Un module de charge OBCDC 24 est un organe composé de deux parties : une partie OBC (pour On-Board Charger) et une partie convertisseur continu/continu (DC/DC). La partie OBC gère un fonctionnement du chargeur de courant électrique du véhicule. En particulier, la partie OBC gère la communication avec les différentes bornes de recharge 25 et surveille la recharge électrique du véhicule. La partie convertisseur DC/DC gère un fonctionnement du convertisseur de courant. Suivant certaines phases de recharges électriques, le convertisseur DC/DC convertit un courant alternatif 220V d'un réseau électrique domestique en un courant continu pouvant atteindre 450V. Suivant d'autres phases de recharges électriques, la partie convertisseur DC/DC n’intervient pas car le courant continu est directement envoyé à la batterie de traction 12 via une tension de 450V continu. Lors d'une phase de roulage, le convertisseur DC/DC convertit une partie du courant continu de la batterie de traction 12 haute tension 350V/450V en un courant basse intensité pour alimenter le réseau de bord 16 et recharger la batterie basse tension 12V correspondante.
La batterie de traction 12 alimente la machine électrique de traction 11 et le convertisseur DC/DC. La tension de la batterie de traction 12 dépend de son état de chargement. Ainsi la tension de la batterie de traction 12 peut varier entre 350V lorsque l’état de charge de cette batterie de traction 12 est inférieur à 5% et 450V lorsque l’état de charge de cette batterie de traction 12 est à 100%. Bien entendu, cette plage de tension varie en fonction de la puissance de la machine électrique 11 implantée dans le groupe motopropulseur du véhicule et des caractéristiques de la batterie de traction 12.
On décrit ci-après, en référence avec la , les différentes étapes du procédé de protection de la machine électrique 11 contre les sous-tension aux bornes de la machine électrique de traction 11. Un ou plusieurs calculateurs du véhicule comporte une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre de ce procédé.
Le procédé est déclenché lorsque le calculateur MCU 23 détecte, au cours d'une étape 100, une sous-tension aux bornes de la machine électrique de traction 11 pendant une durée prédéterminée. On considère que la machine électrique 11 subit une sous-tension lorsque la tension de la machine électrique 11 passe en dessous d'un seuil de tension, par exemple de l'ordre de 220 V pendant la durée prédéterminée. Bien entendu, ce seuil de tension est paramétrable en fonction de la machine électrique de traction 11 embarquée dans le véhicule.
Tant que la tension de la machine électrique 11 demeure supérieure au seuil de tension, le calculateur MCU 23 ne remonte pas de défaut au superviseur du véhicule automobile. Dès que la tension aux bornes de la machine électrique de traction 11 passe sous le seuil de tension pendant la durée prédéterminée, le calculateur MCU 23 remonte un défaut au superviseur eVCU 22. La durée prédéterminée est avantageusement de l'ordre de quelques millisecondes, par exemple 19ms. La durée prédéterminée est bien entendu calibrable en fonction des caractéristiques du groupe motopropulseur.
Même si la tension aux bornes de la machine électrique 11 remonte au-delà de la durée prédéterminée, le calculateur MCU 23 remonte le défaut vers le superviseur eVCU 22. La fonction de protection détaillée ci-après sera lancée sans possibilité de rétablissement sur le cycle de roulage sur lequel le défaut a été détecté.
Il est à noter que la tension aux bornes de la machine électrique de traction 11 est surveillée uniquement lorsque le véhicule fonctionne dans un mode de roulage. Lorsque le véhicule se trouve à l'arrêt dans une phase de recharge à une borne de recharge électrique, la tension aux bornes de la machine électrique 11 n’est pas surveillée. Autrement dit, la tension aux bornes de la machine électrique de traction 11 n’est surveillée qu’une fois que les contacteurs 13 de la batterie de traction 12 sont fermés, c’est-à-dire que la tension aux bornes de la machine électrique de traction 11 n’est surveillée qu’une fois que la batterie de traction 12 et la machine électrique de traction 11 sont connectées via le réseau électrique haute tension 10.
Au cours d'une phase de roulage, lorsque le calculateur MCU 23 remonte une alerte au superviseur eVCU 22 via le bus de données CAN 19, le superviseur eVCU 22 commande, dans une étape 101, l’ouverture des contacteurs haute tension 13. Cela permet d'isoler électriquement la batterie de traction 12 par rapport au réseau électrique haute tension 10.
La batterie de traction 12 ne peut alors plus fournir de courant au réseau électrique haute tension 10 dans le cas où le réseau électrique haute tension 10 serait en court-circuit avec la structure du véhicule. Dans une étape 102, le superviseur eVCU interdit au calculateur BMS 21 de refermer les contacteurs 13 de sa propre initiative.
En outre, le superviseur eVCU 22 arrête, dans une étape 103, la fonction de freinage récupératif pour empêcher que la machine électrique 11 fonctionnant en mode alternateur fournisse un courant au réseau électrique haute tension, en particulier dans le cas où le réseau électrique haute tension 10 serait en court-circuit avec la structure du véhicule.
Lorsque les contacteurs 13 sont ouverts, le superviseur eVCU 22 sollicite le calculateur MCU 23 et/ou le calculateur du module de charge OBCDC 24 pour réaliser, dans une étape 104, une décharge active visant à évacuer le courant électrique encore présent dans le réseau électrique haute tension 10 du véhicule.
La décharge active consiste à transformer un courant emmagasiné dans des faisceaux électriques du réseau électrique haute tension en chaleur au moyen de résistances. En effet, il est possible que le courant de la batterie de traction 12 qui a été fourni au groupe motopropulseur avant l’ouverture des contacteurs 13 n’ait pas encore été consommé. La décharge active permet donc de vider le courant haute intensité des faisceaux électriques du groupe motopropulseur lorsque les contacteurs 13 sont ouverts.
Le circuit électrique du module de charge OBCDC 24 et le circuit électrique de la machine électrique de traction 11 comportent des résistances permettant de réaliser cette fonction de décharge active. La décharge active peut être réalisée de façon indépendante par l’électronique de la machine électrique de traction 11 ou l’électronique du module de charge OBCDC 24. Le réseau électrique haute tension 10 est alors sûr pour les opérateurs qui ne risquent pas d'être électrocutés lors d'une intervention.
S'il y a lieu, le superviseur eVCU 22 active, dans une étape 105, la pompe à eau d'un circuit de refroidissement de la machine électrique 11 au cas où un composant électrique dans la machine électrique de traction 11 aurait été détérioré en raison d’une surchauffe.
Le superviseur eVCU 22 pourra commander, dans une étape 106, une émission d'un signal d'alerte à destination du conducteur. Le signal d'alerte pourra par exemple être un signal sonore ou visuel, comme par exemple l'affichage d'un voyant rouge stop sur le tableau de bord invitant le conducteur à arrêter le véhicule et à contacter le service après-vente.
Le refroidissement de la batterie de traction 12 n’est pas déclenché automatiquement par le superviseur eVCU 22 car la température de la batterie de traction 12 est surveillée par un capteur de température dédié. En effet, tant que la température de la batterie de traction 12 est inférieure à un seuil de température, la procédure de refroidissement de la batterie de traction 12 n'est pas déclenchée. Ce n'est que lorsque le capteur de température retourne une valeur dépassant le seuil de température que la procédure de refroidissement de la batterie de traction 12 est déclenchée dans une étape 107.
On décrit ci-après la stratégie de remise en fonctionnement du véhicule automobile. Le passage d'un véhicule sous tension (état "key on" en anglais) à un véhicule éteint (état "key off" en anglais) puis de nouveau à un véhicule sous tension (état "key on" en anglais) n'est pas suffisant pour inhiber l’alerte du calculateur MCU 23 vers le superviseur eVCU 22.
En effet, il est nécessaire d'attendre un endormissement complet des calculateurs MCU 23, BMS 21, eVCU 22 pour ensuite les réveiller par une mise sous tension du véhicule (état "key on" en anglais).
Suite à cette mise sous tension, le calculateur MCU 23 contrôle la tension aux bornes de la machine électrique de traction 11. Si la tension aux bornes de la machine électrique 11 repasse au-dessus du critère de tension minimal, la machine électrique 11 pourra retrouver un fonctionnement normal. En revanche, si la tension aux bornes de la machine électrique 11 reste ou repasse sous le critère de tension minimal, le procédé de sécurisation est répété avec l'ouverture des contacteurs 13 haute tension, l'arrêt de la fonction de freinage récupératif, et la réalisation d'une décharge active du réseau électrique.
Lors d'une réparation du véhicule, un contrôle des défauts de la batterie de traction 12, de la machine électrique 11, et du réseau électrique haute tension 10 est effectué pour déterminer la cause du problème et y remédier par le remplacement du système défaillant.

Claims (10)

  1. Procédé de protection contre des sous-tension d'une machine électrique de traction (11) d'un véhicule automobile comprenant un réseau électrique haute tension (10) auquel est connecté ladite machine électrique de traction (11) ainsi qu'une batterie de traction (12) associée à des contacteurs (13) pour sélectivement connecter ou déconnecter la batterie de traction (12) au réseau électrique haute tension (10), caractérisé en ce que ledit procédé comporte:
    - une étape de détection d'une sous-tension aux bornes de la machine électrique de traction (11) pendant une durée prédéterminée,
    - une étape d’ouverture des contacteurs haute tension (13) pour isoler électriquement la batterie de traction (12) par rapport au réseau électrique haute tension (10),
    - une étape d’arrêt d’une fonction de freinage récupératif pour empêcher que la machine électrique de traction (11) fonctionnant en mode alternateur fournisse un courant au réseau électrique haute tension, et
    - une étape de réalisation d'une décharge active du réseau électrique haute tension (10) pour évacuer le courant électrique encore présent dans le réseau électrique haute tension (10).
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape d'interdiction à un calculateur de la batterie de traction (12) de refermer les contacteurs haute tension (13) de sa propre initiative.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la décharge active consiste à transformer un courant emmagasiné dans des faisceaux électriques du réseau électrique haute tension en chaleur au moyen de résistances.
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape d'activation d'une pompe à eau du circuit de refroidissement de la machine électrique de traction (11) au cas où un composant électrique dans la machine électrique de traction (11) aurait été détérioré en raison d’une surchauffe.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape d'émission d'un signal d'alerte à destination du conducteur.
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de refroidissement de la batterie de traction (12) dans le cas où un capteur de température associé à la batterie de traction (12) retourne une valeur supérieure à un seuil de température.
  7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la durée prédéterminée est de l'ordre de quelques millisecondes.
  8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre uniquement lorsque le véhicule automobile fonctionne dans un mode de roulage.
  9. Calculateur de véhicule automobile comportant une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre du procédé tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes.
  10. Véhicule automobile comportant un calculateur selon la revendication 9.
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