EP1570503A1 - Commande de relais electromagnetiques - Google Patents

Commande de relais electromagnetiques

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EP1570503A1
EP1570503A1 EP03789524A EP03789524A EP1570503A1 EP 1570503 A1 EP1570503 A1 EP 1570503A1 EP 03789524 A EP03789524 A EP 03789524A EP 03789524 A EP03789524 A EP 03789524A EP 1570503 A1 EP1570503 A1 EP 1570503A1
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EP
European Patent Office
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voltage
relay
module
supply
controlling
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03789524A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Françis DELAPORTE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Johnson Controls Technology Co
Original Assignee
Johnson Controls Technology Co
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Filing date
Publication date
Application filed by Johnson Controls Technology Co filed Critical Johnson Controls Technology Co
Publication of EP1570503A1 publication Critical patent/EP1570503A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H47/00—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current
    • H01H47/22—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for supplying energising current for relay coil
    • H01H47/32—Energising current supplied by semiconductor device
    • H01H47/325—Energising current supplied by semiconductor device by switching regulator
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H47/00—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current
    • H01H47/002—Monitoring or fail-safe circuits
    • H01H2047/006—Detecting unwanted movement of contacts and applying pulses to coil for restoring to normal status

Definitions

  • the invention relates to the field of electromagnetic relays. It targets in particular the relays used in motor vehicles.
  • the electromagnetic relays have their coil supplied directly, to be active, by a battery, or any other energy source provided for controlling a contact.
  • BSE electrical or electronic service boxes
  • BSM engine monitoring units
  • BCI intelligent service units
  • UCH passenger compartment central units
  • USM engine units
  • these boxes generally include a number of electromagnetic relays with other electrical or electronic components, the assembly being intended to provide calculation and switching functions.
  • the voltage applied to the terminals of an electromagnetic relay coil generates a current exciting an electromagnet which closes or keeps closed the contact of the relay.
  • the coil then dissipates thermal energy by the Joule effect, of the order of a few watts.
  • the contact itself, when closed, allows the passage of an electric current and also dissipates thermal energy, slightly lower than the previous one.
  • document US 5,930,104 proposes a device making it possible to maintain the control voltage of a relay at a minimum level necessary for its operation and to suspend control thereof as long as this voltage is greater than the maximum admissible threshold. by its coil.
  • a BSE box can include up to ten relays of various characteristics. The thermal constraints imposed on the service boxes by the manufacturers have become very severe. As the density of the implanted components continues to increase, these constraints are increasingly difficult to meet, and, for obvious safety reasons, it is not possible to suspend the control of certain BSE box relays if the voltage d the supply becomes unbearable by their coil.
  • An object of the invention is to provide a control method allowing the relays to operate under acceptable thermal and functional conditions, this in a confined environment as described above.
  • the method for controlling electromagnetic relays controlled by a current or voltage supply is characterized in that the control is modulated as a function of the current or voltage supply and of the bonding voltage sufficient for the closure of the relay contacts, and is modulated according to the current or voltage supply and the holding voltage sufficient to maintain this closure.
  • the relay coil dissipates only thermal energy reduced to the minimum necessary both for closing the relay contacts and for maintaining this closing. It is no longer necessary to suspend relay control in the event of too high a supply voltage.
  • the invention also relates to a device for controlling an electromagnetic relay from a voltage source. It is characterized by the fact that it includes a relay power supply module and a control module for controlling the power supply module.
  • control module includes means for controlling the operating time of the adaptation module power supply during bonding of the contacts, time after which it must control the maintenance of the contacts.
  • These means take into account, in particular, the type of relay ordered.
  • control module comprises a module for detecting a micro-interruption of the power supply for, at the end of a micro-interruption of the supply voltage of the relays, commanding the relays to close if they were closed before the micro-interruption.
  • control device comprises an oscillator connected to the power supply adaptation module, which comprises a calculation function and a pulse duration modulation (MID) function of the supply voltage.
  • MID pulse duration modulation
  • the energy dissipated by the coil thus controlled depends on the RC ratio imposed on the MID function.
  • the duty cycle RC imposed by the calculation function during a hold is lower than that imposed during bonding of the relay.
  • FIG. 1 represents a diagram by functional blocks of a device for controlling a relay according to the invention
  • FIG. 2 represents a typical timing diagram of the command applied to a relay by the device of the invention
  • FIG. 3 represents an example of implementation of the invention for an easement box
  • FIG. 4 shows a timing diagram of the operation of the MID in the previous implementation.
  • the device 10 comprises for this a control module 1 1, which receives a command issued by the control-command unit 3, and which controls a power adapter module 12. It also includes an oscillator 13 which delivers a frequency of 20 kHz to the module 12.
  • the module 1 1 comprises a circuit 1 1 1 for detecting micro-breaks, a clock 112 and a memory 1 13 containing the characteristics of the relay 2.
  • the module 12 includes a means 122 for pulse duration modulation, designated by the initials MID or by the acronym PWM for “draw width modulation”. It receives its instructions from a means 123 of calculation and controls by its MID circuit the switch I in cut-off of the supply of relay 2.
  • the switch I is open, the relay 2 is at rest, open contact (here we assume that s' is a contact relay "work").
  • the control-command unit 3 sends a closing order to the device 10, more precisely to its control module 11.
  • the module 10 reads the characteristics of the relay in its memory 1 13. These are the bonding voltage V c , the holding voltage V M to be observed and the minimum duration during which the voltage V c must be applied to bond the contact in full security. This duration is represented by ⁇ t in FIG. 2.
  • the module 1 1 then sends a closing order (OF) of the relay 2 to the power adaptation module 12. At the same time, it triggers its clock 1 12 for a time ⁇ t, at the end of which it sends to the module 12 a hold order (OM) of relay 2.
  • the OF and OM orders also include the characteristics of relay 2 and are processed in the calculation means 123 together with the value of the level of the battery voltage V ⁇ , read by the analog converter 4 digital.
  • the calculation means 123 then calculates the duty cycle RC of the pulse duration modulation means 122 in the following manner. In a first version (see Figure 2),
  • the relay hold command is temporally modulated as a function of the supply and the hold voltage when only hold is necessary.
  • the relay is supplied with an average voltage equal to V M which reduces its heat dissipation by the quantity:
  • R represents the resistance of the relay coil.
  • the means 123 transforms the orders OF and OM into a change in the duty cycle value RC intended for the means 122.
  • the control module sends a release order to the module 12, therefore to the means 123, which simply cancels the RC duty cycle, which opens the switch I.
  • the module 1 1 On a micro-break detected by the circuit 1 1 1, the module 1 1 sends a closing OF order to the module 12 if the relay 2 was affected by an OF or OM command. This avoids the risk of not being able to close the relay, since the holding voltage is not sufficient for this.
  • the ASIC circuit Application Specifies Integrated Circuit", or integrated circuit specific to applications
  • the circuit (control unit command) UCC and the oscillator OSC allow the implementation of the method of the invention.
  • the control command unit comprises the means 123 and those of the module 11, except that provided by the circuit 11 1 for detecting micro-cuts.
  • the module 1 1 is integrated in the ASIC circuit as well as N means 122 of pulse duration modulation, MID, intended to control N relays.
  • Each module corresponding to MID I, MIDi ..., MIDN comprises a register RCU containing an 8-bit number equal to 256 times the duty cycle RC.
  • the frequency oscillator OSC F increments an 8-bit counter whose value is compared with the content of the register RCU. When equal, with reference to FIG. 4, the output signal MIDi used to control a relay i is set to zero. On overflow (OVF) of the 8-bit counter, this same signal is set to l. A MID circuit of frequency F times 256 was thus produced.
  • a DMC circuit compares the battery voltage with a reference function by a CMP comparator to detect micro-cuts. When a micro-break occurs, the output of the MID module i is set to 1, so as to short-circuit the MID circuit if it was in the maintenance phase of relay i, information available in the RC register.

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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

Le procédé de commande de relais électromagnétique comporte au moins un contact, commandé par une alimentation en tension ou en courant. Selon l'invention, la commande est modulée en fonction de l’alimentation en tension ou en courant, de la tension de collage nécessaire pour la fermeture du contact du relais, et de la tension de maintien suffisante pour le maintien de cette fermeture.

Description

Commande de relais électromagnétiques
L'invention concerne le domaine des relais électromagnétiques. Elle vise en particulier les relais utilisés dans les véhicules automobiles.
Les relais électromagnétiques ont leur bobine alimentée directement, pour être actifs, par une batterie, ou toute autre source d'énergie prévue pour la commande d'un contact.
Cela est notamment le cas des relais électromagnétiques équipant les divers boîtiers de servitudes électriques ou électroniques (BSE) des véhicules automobiles. Ce sont par exemple des boîtiers de surveillance moteur (BSM), de servitudes intelligent (BSI) ou encore des unités centrale habitacle (UCH) ou moteur (USM).
De volume restreint, ces boîtiers comportent généralement un certain nombre de relais électromagnétiques avec d'autres composants électriques ou électroniques, l'ensemble étant destiné à assurer des fonctions de calcul et de commutation.
Pour commander un relais électromagnétique, notamment pour fermer le contact, il faut lui fournir une énergie suffisante, c'est-à-dire appliquer sur sa bobine une tension, dite de collage contact. Cette tension est sensiblement plus élevée que la tension, dite de maintien, nécessaire pour simplement le maintenir collé. Pour ouvrir le contact, on applique une tension nécessairement plus faible que la tension, dite de relâchement.
La tension appliquée aux bornes d'une bobine de relais électromagnétique génère un courant excitant un électro-aimant qui ferme ou qui maintient fermé le contact du relais. La bobine dissipe alors une énergie thermique par effet Joule, de l'ordre de quelques watts. Le contact lui-même, lorsqu'il est fermé, permet le passage d'un courant électrique et dissipe également une énergie thermique, légèrement pl s faible que la précédente.
Actuellement, dans les boîtiers, pour commander les relais, on applique la tension batterie du véhicule. Cette tension est variable dans le temps.
Pour pallier cet inconvénient, le document US 5 930 104 propose un dispositif permettant de maintenir la tension de commande d'un relais à un niveau minimum nécessaire à son fonctionnement et d'en suspendre la commande tant que cette tension est supérieure au seuil maximum admissible par sa bobine. Cependant, un boîtier BSE peut comporter jusqu'à une dizaine de relais d& diverses caractéristiques. Les contraintes thermiques imposées sur les boîtiers de servitude par les constructeurs sont devenues très sévères. La densité des composants implantés ne cessant de croître, ces contraintes sont de plus en plus difficiles à respecter, et, pour des raisons de sécurité évidentes, il n'est pas possible de suspendre la commande de certains relais de boîtier BSE si la tension d'alimentation devient non supportable par leur bobine.
Un objectif de l'invention est de fournir un procédé de commande permettant aux relais de fonctionner dans des conditions thermiques et fonctionnelles acceptables, ce dans un environnement confiné tel que décrit ci-dessus.
Conformément à l'invention, le procédé de commande de relais électromagnétiques commandé par une alimentation en courant ou en tension, est caractérisé par le fait que la commande est modulée en fonction de l'alimentation en courant ou en tension et de la tension de collage suffisante pour la fermeture des contacts du relais, et est modulée en fonction de l'alimentation en courant ou en tension et de la tension de maintien suffisante pour le maintien de cette fermeture.
Par ce procédé, la bobine du relais ne dissipe qu'une énergie thermique réduite au minimum nécessaire à la fois pour la fermeture des contacts du relais et pour le maintien de cette fermeture. Il n'est plus nécessaire de suspendre la commande du relais en cas de tension trop élevée de l'alimentation.
L'invention concerne aussi un dispositif de commande de relais électromagnétique à partir d'une source de tension. Il est caractérisé par le fait qu'il comporte un module d'adaptation d'alimentation du relais et un module de commande pour commander le module d'adaptation d'alimentation.
Ainsi, il est possible de fournir au relais les énergies juste nécessaires lors du collage et lors du maintien de ses contacts, ce qui permet d'obtenir une diminution de la dissipation thermique de sa bobine.
De préférence, le module de commande comporte des moyens pour commander la durée de fonctionnement du module d'adaptation d'alimentation lors du collage des contacts, durée à l'issue de laquelle il doit commander le maintien des contacts. Ces moyens tiennent compte, notamment, du type de relais commandé.
De préférence encore, le module de commande comporte un module de détection de microcoupure de l'alimentation pour, en fin de microcoupure de la tension d'alimentation des relais, commander à la fermeture les relais s'ils étaient fermés avant la microcoupure.
De préférence toujours, le dispositif de commande comporte un oscillateur relié au module d'adaptation d'alimentation, lequel comporte une fonction de calcul et une fonction de modulation d'impulsions en durée (MID) de la tension d'alimentation. On obtient ainsi des commandes différentes de collage et de maintien par simple changement du rapport cyclique (RC) de la fonction MID.
L'énergie dissipée par la bobine ainsi commandée dépend du rapport RC imposé à la fonction MID. Notamment, à tension d'alimentation égale, le rapport cyclique RC imposé par la fonction de calcul lors d'un maintien est plus faible que celui imposé lors d'un collage du relais.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante et des dessins l'accompagnant, sur lesquels
- la figure 1 représente un schéma par blocs fonctionnels d'un dispositif de commande d'un relais selon l'invention,
- la figure 2 représente un chronogramme type de la commande appliquée à un relais par le dispositif de l'invention,
- la figure 3 représente un exemple de mise en œuvre de l'invention pour un boîtier de servitude,
- la figure 4 représente un chronogramme du fonctionnement du MID dans la mise en œuvre précédente.
En référence à la figure 1, l'alimentation continue 1 , ici une batterie, dont la tension VA peut varier, en fonction de son utilisation instantanée, entre 9 et 16 volts, alimente :
- un relais 2 en coupure d'une tension d'utilisation U,
- un convertisseur analogique digital 4 fournissant la valeur instantanée de VA, - une unité de contrôle-commande 3 de l'utilisation U et - un dispositif 10 de commande du relais 2.
Le dispositif 10 comporte pour cela un module de commande 1 1 , qui reçoit une commande délivrée par l'unité de contrôle-commande 3, et qui commande un module 12 d'adaptation d'alimentation. Il comporte aussi un oscillateur 13 qui délivre une fréquence de 20 kHz au module 12.
Le module 1 1 comporte un circuit 1 1 1 de détection de microcoupures, une horloge 112 et une mémoire 1 13 contenant les caractéristiques du relais 2.
Le module 12 comporte un moyen 122 de modulation d'impulsions en durée, désigné par les initiales MID ou par le sigle PWM pour « puise width modulation ». Il reçoit ses consignes d'un moyen 123 de calcul et commande par son circuit MID l'interrupteur I en coupure de l'alimentation du relais 2.
Le fonctionnement du dispositif va maintenant être expliqué.
L'interrupteur I étant ouvert, le relais 2 est au repos, contact ouvert (on supposera ici qu'il s'agit d'un relais à contact "travail"). Pour fermer le contact du relais 2, l'unité 3 de contrôle-commande envoie un ordre de fermeture au dispositif 10, plus précisément à son module 1 1 de commande.
Le module 10 lit les caractéristiques du relais dans sa mémoire 1 13. Ce sont la tension de collage Vc, la tension de maintien VM à respecter et la durée minimum durant laquelle la tension Vc doit être appliquée pour coller le contact en toute sécurité. Cette durée est représentée par Δt sur la figure 2.
Le module 1 1 envoie ensuite un ordre de fermeture (OF) du relais 2 au module d'adaptation d'alimentation 12. En même temps, il déclenche son horloge 1 12 pour un temps Δt, au terme duquel il envoie au module 12 un ordre de maintien (OM) du relais 2. Les ordres OF et OM comportent aussi les caractéristiques du relais 2 et sont traités dans le moyen de calcul 123 conjointement avec la valeur du niveau de la tension batterie VΛ, relevée par le convertisseur 4 analogique digital. VA est fonction du temps : VA = VA(t). Le moyen de calcul 123 calcule alors le rapport cyclique RC du moyen 122 de modulation d'impulsion en durée de la façon suivante. Dans une première version (voir figure 2) ,
- entre to et tl, en phase de collage, donc pendant Δt :
RC = 1
- après tl , en phase de maintien, et tant qu'un ordre de relâchement n'est pas intervenu (à t2 sur la fig. 2)
RC = VM / VA(t)
Ainsi, on module temporellement la commande de maintien du relais en fonction de l'alimentation et de la tension de maintien quand seul le maintien est nécessaire. Le relais est alimenté sous une tension moyenne égale à VM ce qui réduit sa dissipation thermique de la quantité :
Q = (V2 A - V2 M) / R
en posant que R représente la résistance de la bobine du relais.
Dans une deuxième version plus élaborée ;
- entre to et tl , pendant Δt
RC = V ./VA(t)
- entre tl et t2
RC = VM / VΛ(t) avec des conséquences semblables à celles vues précédemment sur la dissipation d'énergie du relais.
Si la batterie délivre une tension VA suffisamment stable, on peut simplifier et admettre dans les calculs que la tension VA(t) est égale à une valeur moyenne VAmoy constante.
Le moyen 123 transforme les ordres OF et OM en changement de valeur de rapport cyclique RC à destination du moyen 122. Pour l'ouverture du relais 2, le module de commande envoie un ordre de relâchement au module 12, donc au moyen 123, qui annule simplement le rapport cyclique RC, ce qui a pour effet d'ouvrir l'interrupteur I.
Sur microcoupure détectée par le circuit 1 1 1 , le module 1 1 envoie un ordre de fermeture OF au module 12 si le relais 2 était sous le coup d'un ordre OF ou OM. Cela permet d'éviter le risque de ne pas pouvoir fermer le relais, la tension de maintien n'étant pas suffisante pour cela. On décrit ci-après un autre mode de réalisation en référence à la figure 3. Le circuit ASIC ("Application Spécifie Integrated Circuit", ou circuit intégré spécifique à des applications), le circuit (unité de contrôle commande) UCC et l'oscillateur OSC permettent la mise en œuvre du procédé de l'invention.
L'unité de contrôle commande (UCC) comporte les moyens 123 et ceux du module 11 , excepté celui assuré par le circuit 11 1 de détection de microcoupures.
Le module 1 1 est intégré dans le circuit ASIC ainsi que N moyens 122 de modulation d'impulsions en durée, MID, destinés à commander N relais. Chaque module correspondant à MID I , MIDi ..., MIDN, comporte un registre RCU contenant un nombre de 8 bits égal à 256 fois le rapport cyclique RC. L'oscillateur OSC de fréquence F incrémente un compteur 8 bits dont la valeur est comparée au contenu du registre RCU. A l'égalité, en référence à la figure 4, le signal de sortie MIDi servant à commander un relais i est mis à zéro. Sur débordement (OVF) du compteur 8 bits, ce même signal est mis à l . On a ainsi réalisé un circuit MID de fréquence F fois 256.
Si F = 25 kHz, le cycle de la MID est d'environ 10 millisecondes.
Un circuit DMC compare par un comparateur CMP la tension batterie à une fonction de référence pour détecter des microcoupure. Lorsqu'une microcoupure se produit, la sortie du module MID i est mise à 1 , de façon à court-circuiter le circuit MID i si celui-ci était en phase de maintien du relais i, information disponible dans le registre RC.

Claims

REVENDICATIONS
1.- Procédé de commande de relais électromagnétique (2) comportant au moins un contact, commandé par une alimentation ( 1) en tension ou en courant, caractérisé par le fait que la commande est modulée en fonction de l'alimentation en tension ou en courant et de la tension de collage suffisante pour la fermeture du contact du relais (2), et est modulée en fonction de l'alimentation en tension ou en courant et de la tension de maintien suffisante pour le maintien de cette fermeture.
2.- Dispositif (10) de commande de relais électromagnétique (2) à partir d'une source de tension ( 1 ) mettant en œuvre le procédé de la revendication l, caractérisé par le fait qu'il comporte un module (12) d'adaptation d'alimentation du relais et un module ( 1 1) de commande pour commander le module d'adaptation d'alimentation.
3.- Dispositif selon la revendications 2, dans lequel le module de commande (U ) comporte des moyens ( 1 12) pour commander la durée de fonctionnement du module d'adaptation d'alimentation (12) lors du collage des contacts, durée à l'issue de laquelle il doit commander le maintien des contacts.
4.- Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3 dans lequel le module (1 1 ) de commande comporte un module (1 1 1) de détection des microcoupures de l'alimentation.
5.- Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, comportant un oscillateur ( 13) relié au module (12) d'adaptation d'alimentation, lequel comporte un moyen de calcul (123) et un moyen ( 122) de modulation d'impulsions en durée (MID) de la tension d'alimentation.
6.- Dispositif selon l'une des revendications 2 à 5, comportant une mémoire ( 113) mémorisant les caractéristiques du relais (2).
7.- Circuit intégré spécifique (ASIC) comportant au moins un moyen (122) de modulation d'impulsions en durée, le moyen de modulation (122) étant commandé par une unité (3) de contrôle-commande programmée pour moduler l'alimentation d'au moins un relais électromagnétique 2 selon le procédé de la revendication 1 .
8.- Circuit selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un circuit détecteur (DMC) de microcoupures.
9.- Circuit selon la revendication 8, dans lequel le circuit détecteur de microcoupures, sur intervention d'une microcoupure, commande une tension de collage sur les relais commandés en tension de maintien.
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