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1. (FR2963435) Diagnostic system for measuring current/voltage of electric generator in e.g. hybrid vehicle, has hybrid measurement module connected to separate digital processing module, and amplifiers receiving signals of giant magnetoresistive sensors
Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters
Domaine de l'invention
La présente invention concerne un système de diagnostic de mesure de tension ou de courant d'un générateur électrique pouvant notamment être embarqué dans un véhicule pour une application dynamique ou disposé dans une installation statique de production d'électricité et comportant une pluralité de cellules. L'invention s'applique notamment à la mesure de tension ou de courant de générateurs électriques embarqués comportant une pluralité de cellules élémentaires, telles que les piles à combustible ou les racks de batteries des véhicules électriques.
Le domaine auquel se rapporte cette invention est notamment celui de systèmes électroniques embarqués pour la lecture, le traitement et la transmission de la mesure d'une pluralité de sources de tension délivrée dans un contexte environnemental sévère. Entre autres les exigences réglementaires et sécuritaires au vu d'une application automobile imposent une isolation galvanique de l'ordre de 1500V entre l'unité de mesure et la source à mesurer, le niveau d'isolation galvanique étant plus généralement défini par 2*U + 1000V RMS où U est la tension maximum de fonctionnement.
Art antérieur de référence
Ce besoin technologique de mesure d'une pluralité de tensions a déjà été mis en évidence dans le document de brevet FR 2 934 419 Al. La solution technologique présentée dans ce document de l'art antérieur est basée sur un principe de conversion tension/fréquence et la transmission d'un signal binarisé au travers d'optocoupleurs assurant l'isolation galvanique demandée. Toutefois, ce type de dispositif nécessite une alimentation spécifique pour assurer la mesure. Selon ce document, l'énergie est ainsi directement puisée sur les plaques bipolaires de la pile à combustible alimentées en hydrogène et en oxygène.
On connaît par ailleurs différents systèmes dans lesquels des mesures de tensions sont effectuées à l'aide de dispositifs intrusifs qui sont utilisés pendant les phases de mise au point des piles à combustible. Dans ce cas, aucune alimentation embarquée, ni module de mesure, ne sont nécessaires, puisque de tels dispositifs ne restent pas à demeure dans le véhicule, mais ces dispositifs de mesure ne permettent pas d'effectuer un diagnostic permanent interagissant avec le contrôle/commande du système pile à combustible par exemple. Par ailleurs, pour les piles disposant d'un grand nombre de cellules, cela signifie la présence d'ombilicaux assez contraignants pour l'environnement même de la pile et l'utilisation de boîtiers intermédiaires ou de cartes d'acquisition complexes, commerciales ou dédiées, maintenant une isolation correcte entre la pile et le banc de mesures.
Pour les systèmes restant à demeure dans le véhicule, on connaît l'utilisation d'un système électronique embarqué utilisant principalement un convertisseur analogique-numérique et un microcontrôleur associé pour lire, établir éventuellement un diagnostic et transmettre la donnée numérisée. En général, l'isolation galvanique est maîtrisée (> 1500V). Le système est alimenté par un convertisseur continu/continu à partir de la batterie ou de toute source de tension externe et la transmission de la donnée passe par un convertisseur optoélectronique. Ce système composé d'un convertisseur et d'un microcontrôleur permet de lire plusieurs cellules multiplexées sur le ou les canaux du convertisseur, référencés à un même potentiel. Cette lecture peut être directe lorsque la pile n'est formée que d'un petit nombre de cellules, et tant que la tension de la dernière cellule reste compatible avec la tension fournie par le convertisseur continu/continu. Ce n'est plus le cas lorsque le nombre de cellules devient important. On doit alors ramener par pont de résistances les tensions des différentes cellules à des niveaux compatibles avec les caractéristiques du convertisseur et gérer de nombreux multiplexeurs avec le risque inhérent à l'acheminement d'un grand nombre d'informations (présence de nombreux potentiels dans le routage, diaphonie, précision, commutations,
On connaît encore l'utilisation de plusieurs convertisseurs continu/continu à partir d'une source externe à la pile (batterie, alimentation, ...) afin de fournir plusieurs sources d'alimentation de systèmes de diagnostic autonomes gérés en parallèle. Cette méthode permet de disposer de plusieurs référentiels et de regrouper les cellules en paquets associés chacun à un convertisseur et un microcontrôleur. De tels systèmes sont fortement pénalisés par l'encombrement et par la complexité du traitement des informations.
Les systèmes susmentionnés ne donnent pas entière satisfaction lorsque l'on vise des applications où les contraintes d'encombrement et de fiabilité deviennent prépondérantes, comme dans le cas d'une application au domaine automobile, qui implique notamment les contraintes suivantes:
- Encombrement réduit,
- Dissipation thermique des différents modules,
- Précision de la mesure des tensions de chaque cellule qui peut être affectée par la présence des ponts diviseurs et des commutateurs utilisés pour mesurer des tensions parfois faibles et fluctuantes,
- Fiabilité de la mesure durant toute la vie du véhicule, malgré le vieillissement des composants,
- Compatibilité des principes de mesures et de conditionnements des données avec le réseau numérique de l'application, en particulier le réseau CAN (« Controller Area Network ») du véhicule.
Par ailleurs, le développement de capteurs magnétorésistifs à base 5 de magnétorésistances géantes (GMR) fait l'objet d'intenses développements au niveau mondial. La première application est les têtes de lecture de disques durs qui sont maintenant fabriquées à l'aide de cette technologie. Les autres applications sont plus récentes et couvrent surtout des capteurs de position ou d'angle. 10 La société NVE a lancé récemment la commercialisation d'un capteur de courant constitué d'un pont de GMR et d'une ligne de courant.
On peut aussi citer en référence la publication Pannetier-Lecoeur, M; Fermon, C; de Vismes, A, et al., JOURNAL OF MAGNETISM AND MAGNETIC MATERIALS Vol 316 Pages: E246-E248 (2007) qui décrit 15 un capteur de courant à base de GMR.
Objet et description succincte de l'invention
La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités et 20 à permettre de disposer d'un système de diagnostic qui permette des mesures de tension ou de courant en continu notamment pour des générateurs embarqués comprenant une pluralité de cellules et autorise une mise en œuvre compacte et fiable malgré la mise en œuvre d'un relativement grand nombre de voies de mesure. 25 Ces buts sont atteints, conformément à l'invention, grâce à un système de diagnostic de mesure de tension ou de courant d'un générateur électrique comportant une pluralité de cellules, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un module hybride de mesure comprenant une pluralité de capteurs de mesure de tension ou de courant à magnétorésistance géante intégrés sur une même barrette, un module d'amplification comprenant une pluralité d'amplificateurs recevant les signaux délivrés par ladite pluralité de capteurs, un module de multiplexage, un dispositif de liaison et un module séparé de traitement 5 numérique.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le module hybride de mesure comprend un premier circuit imprimé contenant ladite barrette de capteurs et le module d'amplification et un deuxième circuit imprimé contenant le module de multiplexage, des pistes d'échanges de 10 signaux étant formées sur les tranches des circuits imprimés, et les premier et deuxième circuits imprimés étant assemblés, moulés et encapsulés avec des bornes de connexion d'entrée-sortie reliées auxdites pistes d'échange de signaux formées sur les tranches des circuits imprimés et connectées audit dispositif de liaison. 15 Le module de traitement peut comprendre au moins une unité de traitement, des entrées analogiques et des convertisseurs analogique- numérique, des entrées-sorties TOR de type tout ou rien et un circuit imprimé assurant l'ensemble des liaisons entre le module hybride de mesure et le module de traitement. 20 Selon un mode de réalisation préférentiel, chaque capteur intégré de mesure de tension ou de courant à magnétorésistance géante comprend des première et deuxième bornes de connexion à une cellule individuelle du générateur dont la tension ou le courant est à mesurer et une ligne de mesure métallique comprenant des premier et deuxième 25 tronçons allongés et parallèles dans lesquels le courant circule en sens opposés, reliés à une portion destinée à fermer la ligne de mesure, l'ensemble de la ligne de mesure étant disposée sur une couche d'isolation galvanique, elle-même disposée sur une portion de circuit intégré comprenant un pont de magnétorésistances géantes et des pistes de liaison à au moins un contact de polarisation en tension Vcc, un contact de masse et des contacts de pôles négatif V- et positif V+ d'une tension différentielle de sortie, les magnétorésistances géantes présentant elles- mêmes la forme d'un C avec une branche centrale longitudinale constituant une partie sensible de la magnétorésistance qui est essentiellement superposée à l'un des tronçons allongés de la ligne de mesure.
Les premier et deuxième tronçons allongés de la ligne de mesure métallique d'un capteur intégré de mesure de tension ou de courant présentent de préférence une largeur comparable à celle des branches centrales des magnétorésistances géantes.
Selon une caractéristique particulière avantageuse, chacun des premier et deuxième tronçons allongés de la ligne de mesure métallique d'un capteur de mesure de tension ou de courant comprend un rétrécissement dans une zone voisine d'une zone superposée à la piste de liaison au contact de masse, du côté desdites première et deuxième bornes, lesdits rétrécissements servant de fusible intégré en cas de défaut d'isolation créé par un pic de surtension.
Le système peut comprendre en outre une résistance disposée entre un point de mesure de chaque cellule du générateur électrique et la borne d'entrée correspondante de la barrette de capteurs, afin d'étendre la plage de mesure de tension sans reconfigurer tout le système.
Selon un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple, chaque barrette comprend huit capteurs de mesure de tension ou de courant à magnétorésistance géante, le module d'amplification comprend également huit amplificateurs et le module de multiplexage comprend au moins trois étages avec sept cellules élémentaires de multiplexage activées par trois signaux de sélection.
Un circuit de compensation du décalage initial peut être associé à chaque amplificateur.
Selon une autre caractéristique particulière, un circuit de compensation de point de polarisation déterminant une masse flottante peut être associé à chaque amplificateur.
Le système selon l'invention est avantageusement appliqué à la mesure de la tension ou du courant d'un générateur comprenant une pluralité de cellules de pile à combustible présentant une tension de sortie comprise entre 0 et 1,3 V et, plus généralement, de tout générateur comprenant une pluralité de cellules présentant une tension pouvant être ramenée dans la gamme comprise entre -1,2V et +1,2V. L'invention proposée permet de résoudre plusieurs problèmes importants non résolus dans les travaux de l'art antérieur.
Ainsi, la conception modulaire du système permet une mise en œuvre aisée, facilite une adaptation à des générateurs à grands nombres de cellules élémentaires et minimise les sources de bruit externes venant principalement de la connectique. L'invention permet également d'avoir une isolation galvanique importante entre la ligne de courant et le pont de résistances GMR tout en définissant un capteur totalement intégré. Alors que des distances de l'ordre du mm sont en général utilisées, la technologie proposée permet d'avoir les lignes de courant situées typiquement à 8pm du pont de GMR.
La taille et la conformation du pont de GMR choisi permettent d'obtenir des linéarités compatibles avec les spécifications nécessaires pour l'application visée.
Selon cette caractéristique intrinsèque de l'invention, l'utilisation dérivée d'une source d'alimentation externe, comme la batterie véhicule sur les applications automobiles, dès le pont de résistances GMR, simplifie 2963435 la conception des unités d'instrumentation nécessaires à ce pont, et plus globalement des modules de traitement associés.
La configuration particulière des capteurs et des lignes de courant permet d'envisager une fonction fusible intégrée qui fait qu'en cas de 5 surtension trop importante ou de décharge électrostatique dépassant les 2kV, la ligne de courant intégrée peut servir de fusible instantané.
Brève description des dessins 10 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la Figure 1 est une vue schématique de dessus montrant une barrette de mesure dans laquelle sont intégrés une pluralité de capteurs de mesure 15 mettant en œuvre des capteurs magnétorésistifs de type GMR,
- la Figure 2 est un schéma synoptique de principe de l'ensemble d'un système de diagnostic selon l'invention,
- la Figure 3 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier préférentiel d'une configuration d'un capteur intégré de mesure 20 regroupant des GMR, un pont de mesure et une ligne de courant de mesure selon l'invention,
- la Figure 4 est une vue schématique du circuit électrique du capteur intégré du mode de réalisation de la figure 3, et,
- la Figure 5 est un schéma d'exemple de cellule élémentaire 25 d'amplification utilisable dans le cadre de l'invention,
- la Figure 6 est un schéma d'exemple de cellule élémentaire de multiplexage utilisable dans le cadre de l'invention,
- la Figure 7 est un exemple de module de multiplexage utilisable dans un mode particulier de réalisation de l'invention,
- la Figure 8 est un schéma d'un circuit montrant la compensation du décalage initial d'une cellule élémentaire d'amplification,
- la Figure 9 est un schéma d'un circuit montrant la compensation au point milieu, et 5 - la Figure 10 est une variante du schéma synoptique de la Figure 2 qui permet une adaptation à des tensions de cellule plus importantes.
Description détaillée de modes particuliers de réalisation 10 L’effet GMR de magnétorésistance géante (« Giant Magnetoresistive effect») est observé dans des films minces métalliques composés de couches de matériaux ferromagnétiques et non ferromagnétiques. Il se manifeste par une variation importante de la résistance électrique de ces structures en présence d'un champ magnétique. La configuration usuelle 15 d'une magnétorésistance est une vanne de spin composée d'une couche dure (qui est insensible au champ magnétique) et d'une couche libre qui est en libre rotation dans le champ magnétique. La résistance de ce système change en fonction de l'angle entre la couche dure et la couche libre. 20 Pour les capteurs utilisés dans le cadre de la présente invention, la configuration préférentielle est d'avoir l'orientation en absence de champ magnétique de la couche libre perpendiculaire à la direction de la couche bloquée. Cela est réalisé d'une part en utilisant la forme du capteur, d'autre part en appliquant un champ de polarisation (« bias ») contrôlé. La 25 direction de la couche bloquée est obtenue par recuit sous champ magnétique fort, typiquement à 260°C et 0,1T pendant quelques minutes.
Un exemple de représentation de cet assemblage de films minces qui constitue un capteur magnétorésistif de type GMR ayant la structure d'une vanne de spin est décrit par exemple dans le document FR 2876800 Al. A titre d'exemple, l'assemblage de feuilles d'une GMR peut présenter une épaisseur d'environ 30nm, tandis que les dimensions de 5 l'ensemble de la cellule d'un capteur de mesure peuvent être typiquement de 200μιτι*30μηΊ*5μιτι.
Comme expliqué dans la publication « Low noise magnetoresistive sensors for current measurement and compassés » Pannetier-Lecoeur, M; Fermon, C; de Vismes, A, et al. JOURNAL OF MAGNETISM AND 10 MAGNETIC MATERIALS Volume: 316 Issue: 2 Pages: E246-E248 Published: 2007, l'utilisation de capteurs en forme de C permet de réduire fortement le bruit magnétique. De plus, l'application d'un champ magnétique longitudinal permet de contrôler parfaitement la réponse de chaque capteur GMR. Ce sont donc ces configurations optimisées qui sont 15 retenues.
Les figures 3 et 4 illustrent le principe retenu pour l'intégration des GMR dans un capteur individuel 111 à 118 lui-même intégré dans une barrette 100 comme représenté sur la figure 1.
Dans le cadre de la présente application, la polarisation est imposée 20 par l'alimentation à tension constante entre une tension continue Vcc et la masse. Une cellule GMR 30 comprend quatre GMR 31, 32, 33, 34 montées en pont. Le courant de chacune des branches du pont est proportionnel à la résistance des GMR, donc à leur variation en présence d'un champ, ce qui est le principe même de la mesure de tension de cellule. 25 La figure 3 représente un exemple de cellule GMR avec un pont complet 30 de quatre GMR, une couche d'isolation galvanique 8 et une ligne de mesure métallique, avec des première et deuxième bornes 1, 2 de connexion à un générateur dont la tension ou le courant est à mesurer et une ligne de mesure métallique comprenant des premier et deuxième tronçons 4, 5 allongés et parallèles dans lesquels le courant circule en sens opposés, reliés à une portion 3 destinée à fermer la ligne de mesure. L'ensemble de la ligne de mesure 3, 4, 5 est disposée sur la couche d'isolation galvanique 8, elle-même disposée sur une portion de circuit 5 intégré comprenant le pont 30 de magnétorésistances géantes et des pistes 52, 51, 53, 54 de liaison à au moins un contact de polarisation en tension Vcc 42, un contact de masse 41 et des contacts 43, 44 de pôles négatif Vin- et positif Vin+ d'une tension différentielle de sortie. Les magnétorésistances géantes 31, 32, 33, 34 présentent elles-mêmes la 10 forme d'un C avec une branche centrale longitudinale qui constitue la partie sensible qui est essentiellement superposée à l'un des tronçons allongés 4, 5 de la ligne de mesure métallique.
Il est important de noter que toutes les GMR répondent de façon identique au champ magnétique extérieur ce qui implique qu'une 15 perturbation magnétique extérieure ne déséquilibre pas le pont. Par contre, comme la ligne de mesure métallique comprend deux segments alignés avec les GMR qui sont parcourus par des courants de sens opposés, son action est opposée et donc l'apparition d'un courant dans la ligne de mesure métallique crée un déséquilibre du pont. 20 La figure 3 montre un assemblage électrique en pont tel que mis en œuvre dans l'invention pour garantir la précision optimum tout en s'affranchissant des champs récurrents parasites (terrestre, environnement,...).
La figure 4 montre le mode de fonctionnement en pont. 25 On donnera maintenant quelques considérations sur le calcul de la réponse du système.
La Tension cellule de pile Vpile crée un courant Ibias selon la formule lhhs=VpiJ Rligne_de ami.ml A partir de Ibias, on peut déterminer le champ magnétique vu par les capteurs GMR. Il peut s'écrire : B = a.lbjm où le paramètre a dépend de la taille des résistances GMR, de la taille de la ligne de courant et de la distance entre les résistances GMR et la ligne de courant.
La sensibilité se détermine à partir de la résistance GMR Rgmr. En première approximation, la variation de résistance aRgmr en présence de champ magnétique est une fonction linéaire de ce champ. La variation est AR typiquement —— = 0.02.Æ ou B est exprimé en mT.
Rgmr
Lors d'un montage en pont comme représenté sur la figure 4, la tension différentielle de sortie est calculée à partir des valeurs données ci- dessus. Les résistances GMR sont conçues afin d'être le plus homogènes possibles. Elles sont disposées au-dessus de la ligne de courant de manière à pouvoir être sensibilisées par un champ magnétique opposé. Cela permet d'accroître la sensibilité du pont et d'éliminer les champs parasites environnants (champ terrestre, En admettant que la variation des résistances Rgmr soit homogène et égale à aRgmr, l'équation de transfert peut s'écrire : Vm+ - Vin_ - Vcc * àR / r
Les différents coefficients de transfert étant linéaires ou quasi- linéaires en première approximation, on en déduit que Vin+-Vin_ est proportionnelle à la tension de cellule de pile Vpile.
La tension différentielle délivrée par ce transducteur reste faible et est caractérisée par deux paramètres principaux, le décalage entre les branches du pont lorsque aucune tension n'est délivrée par la cellule de pile (appelé OFFSET) et la dynamique issue de la sensibilité du transducteur en présence de champ magnétique découlant de la présence de tension aux bornes de la cellule de pile.
Le décalage est essentiellement introduit par une non-homogénéité des quatre résistances formant le pont, la dynamique étant elle plus liée à la technologie des matériaux du transducteur.
La sensibilité typique d'une cellule GMR est de 50mV aux bornes du pont pour une tension de 1,3V. En ayant une linéarité meilleure que 1%. L'offset dépend de la qualité de fabrication, mais doit préférentiellement être inférieur à 20mV.
Le bruit du système après optimisation des tailles et forme du capteur est principalement relié au bruit basse fréquence des éléments GMR. Le bruit intégré sur une bande allant du courant continu à une fréquence de 100Hz est typiquement de 50nV RMS ce qui donne un bruit en tension au niveau de la mesure de 1,4μν RMS.
On indiquera maintenant le principe de l'optimisation des tailles et des formes du capteur.
La ligne de mesure métallique 3, 4, 5 connectée à la cellule de pile à combustible mesurée en tension, ou à tout autre générateur du même type, est séparée du pont de mesure GMR 30 par une couche d'isolation 8 optimisée pour garantir l'isolation galvanique requise pour l'application automobile, c'est à dire 1500V. L'alimentation du pont 30 peut donc être obtenue par une source externe stabilisée. Une utilisation de 3,3V ou 5V est souvent utilisée pour avoir une compatibilité directe avec les circuits électroniques standard.
On peut remarquer que ce capteur assure deux fonctionnalités fondamentales pour l'application de la présente invention:
- assurer le rôle de transducteur en disposant d'une sortie traditionnelle d'un pont de mesure (Vin-ι- - Vin-), donnant directement une valeur proportionnelle à la tension de la cellule de pile à combustible mesurée,
- assurer l'isolation galvanique au plus près de la mesure, évitant d'intégrer dans la chaîne d'acquisition des étages spécifiques de conditionnement des signaux pour garantir l'isolation galvanique de 1500V ( contrairement à des dispositifs de l'art antérieur devant mettre en œuvre une conversion temps fréquence et des optocoupleurs par exemple).
Par ailleurs, la conception de la ligne de mesure métallique se prête à une variante de réalisation très avantageuse, où cette ligne de courant assure une fonction fusible auto protégeant la cellule de pile à combustible en cas de courant excessif au niveau de la cellule de mesure.
La fonction d'auto fusible est assurée grâce à l'intégration dans la ligne de mesure d'au moins un rétrécissement ou micro-constriction qui sert de fusible dans le cas d'un défaut d'isolation créé par un pic de surtension.
La ligne d'alimentation de la masse passe sous la ligne de courant comme représenté sur la figure 3. Au voisinage de ce point de passage, les tronçons allongés 4, 5 de la ligne de courant contiennent un rétrécissement légèrement décalé en direction des bornes de connexion 1, 2. En cas de pic de surtension initiant un claquage et donc un risque de lien entre l'alimentation de la pile et le circuit basse tension du pont 30, le rétrécissement décalé se vaporise et isole le composant de mesure qui a alors servi d'auto-fusible.
Un certain nombre de paramètres permettent de définir la structure optimale pour avoir la linéarité et la dynamique recherchée pour un capteur intégré selon l'invention. L'optimisation de la taille et de la forme des GMRs se base sur plusieurs critères :
- La résistance recherchée, de l'ordre de 500 Ohms par bras du pont. Cela fixe des longueurs de GMRs de l'ordre de 200pm pour 5pm de largeur, sachant que la résistance par surface carrée d'un empilement GMR est d'environ 12 Ohms.
- La largeur de la GMR est préférentiellement choisie entre 4pm et 8pm. Cela assure une linéarité de réponse suffisante avant application d'un champ de polarisation, mais il est possible de choisir des largeurs plus faibles si les tensions à mesurer sont plus élevées. 5 - La forme des GMR est en C (voir la figure 3), de telle sorte que le bruit magnétique soit réduit dans la zone de mesure.
Un point important est l'homogénéité de fabrication des GMR qui doit assurer un offset du pont inférieur à 1%.
Il est à noter que la réponse intrinsèque de la GMR présente une io variation en sensibilité d'environ 8% sur la plage de température. Cette variation de sensibilité peut être compensée en dimensionnant le champ de stabilisation longitudinal si par exemple celui-ci est créé par un aimant permanent ayant dans la plage de température voulue une décroissance en champ du même ordre. 15 Le choix de la taille et de l'épaisseur de la ligne de courant se fait avec les critères suivants :
- La résistance de la ligne de mesure métallique doit être ajustée pour que la tension de 1,5V délivre 20mA par exemple. Cela correspond à une résistance de 75 Ohms. Des valeurs de courant entre 5 et 30mA sont 20 préférentiellement choisies selon le critère de minimiser le courant tiré de la batterie et de minimiser la puissance dissipée dans le composant tout en gardant une sensibilité suffisante par rapport à la résolution voulue.
- La résistance de la ligne est donnée par la largeur de celle-ci et par son épaisseur. On choisira avantageusement une largeur de ligne comparable 25 et plus grande que la largeur des magnétorésistances. Une largeur trop petite, (inférieure à 3pm) induira une reproductibilité moindre de la résistance. Une largeur trop grande nuira à la réponse du capteur. Des largeurs comprises entre 4pm et 20pm sont préférentiellement choisies.
La résolution voulue est déterminée par le bruit du pont 30 de GMR. A basse fréquence, celui-ci est dominé par les fluctuations de résistance présentant une densité spectrale en 1/f. Pour un pont dessiné suivant les critères de taille et de forme des GMR définis plus haut, le bruit est d'environ 25nT RMS. Avec une largeur de ligne de courant égale à la largeur de la constriction et une épaisseur d'isolation de 5pm, cela correspond à une détectabilité en courant de ΙΟμΑ.
La qualité et la planéité de la couche d'isolation galvanique 8 est un point crucial dans les performances du dispositif. La couche doit être suffisamment épaisse pour assurer l'isolation galvanique requise (1500V à 3000V) et suffisamment plane pour que la croissance de la ligne de mesure 3, 4, 5 et sa liaison au monde extérieur (bornes de connexion 1, 2) soit faisable. On peut envisager des solutions basées sur des dépôts de résines durcies (poly-imides, BCB (Bisbenzocyclotène) par exemple) ou des dépôts d'isolants céramiques (SI3N4, AL2O3 par exemple).
Par exemple, dans un mode de réalisation préférentiel, qui donne des couches très planes et de bonne tenue diélectrique, on utilise une couche de AI2O3 déposée par pulvérisation cathodique sous vapeur d'Argon+Oxygène. L'isolation galvanique est de 400V par pm déposé. Une couche de 6pm assure une isolation théorique de 3200V et une isolation pratique dépassant les 2000V. Cette technique permet d'obtenir des couches de très bonne qualité mais avec des temps de dépôt relativement longs. Une alternative est d'utiliser une technique de PECVD qui donne aussi de bons résultats avec des temps de dépôt plus courts.
Le développement de capteurs de courant à base de magnétorésistances permet d'envisager des solutions très intégrées et avec une résolution inégalée. En particulier, l'isolation galvanique intégrée permet d'atteindre des résolutions de lOpA alors que les capteurs existants adaptés au domaine automobile se situent dans le domaine du mA ou même de 10mA et en outre ne permettent pas de mettre en œuvre la fonction d'auto-fusible.
La cellule élémentaire de capteur telle que décrite ci-dessus et représentée sur la figure 3 peut être dupliquée sur un même support pour intégrer un certain nombre de voies de mesure.
Ainsi, sur la figure 1, on a représenté une barrette 100 sur laquelle sont intégrées huit cellules élémentaires de capteur de mesure 111 à 118 à magnétorésistance géante (GMR). Le nombre de huit cellules est pratique et compatible avec des méthodes de fabrication analogues à celles relatives aux composants microélectroniques, mais l'invention n'est naturellement pas limitée à un tel nombre de cellules élémentaires. A titre d'exemple, la barrette de la figure 1 comportant huit cellules élémentaires de mesure peut présenter une surface de 4 x 13 mm.
Les méthodes employées pour la réalisation de la barrette 100 ont toutefois mis en évidence l'existence d'un signal de décalage entre les branches d'une même cellule GMR en l'absence de tensions de cellule de pile et d'une dispersion entre cellules affectant ce décalage, mais également la dynamique de la tension différentielle mesurée en présence de tension sur la cellule de pile.
Ces paramètres dépendent des technologies employées et de la méthode de fabrication des cellules GMR.
On a retenu pour l'application cible les chiffres de +/-60 mV pour le décalage de branches et +/-80mV pour la dynamique de la cellule GMR. La tension V+-V. peut ainsi varier en moyenne de -140 mV à +140 mV.
La stabilisation et l'homogénéité de ces paramètres peuvent être améliorées si le transducteur est fabriqué selon des méthodes industrielles comparables à celles mises en œuvre pour les composants électroniques.
La barrette 100 permet de disposer de signaux analogiques issus des cellules GMR de très faible amplitude. Il est donc nécessaire d'ajouter des étages spécifiques tels qu'au minimum l'amplification 200 et le multiplexage 300 avant de convertir le signal analogique en donnée numérique compatible avec un calculateur embarqué 400.
Le schéma synoptique de la figure 2 reprend ces différents blocs 5 fonctionnels 100, 200, 300 et 400.
On distingue sur la figure 2 la barrette GMR 100 constituée de 8 structures regroupant la cellule GMR 111 à 118 et son module associé d'amplification 201 à 208.
On peut dire en première approximation que la dynamique de 80 10 mV correspond à une variation de la tension de cellule de pile comprise entre 0V et 1,3V. On en déduit le gain de l'ordre de 10-15 que doit présenter l'étage d'amplification 200 pour délivrer une tension comparable dans un rapport proche de 1 avec la tension de cellule de pile.
Un module 300 de sélection de voies permet de multiplexer, pour la 15 lecture vers un module externe 400, les 8 voies de la barrette 100 sur une voie de sortie 401.
Le schéma électronique de la figure 5 montre un exemple de cellule d'amplification (la cellule 204, mais les autres cellules 201 à 203 et 205 à 208 sont analogues) constituée d'un amplificateur d'instrumentation U4 20 adapté pour les signaux délivrés par la cellule GMR correspondante (ici la cellule 114 reliée par des bornes 4Vin+ et 4Vin- à l'amplificateur U4). Ce composant fonctionne selon les gammes de tension usuelles des composants CMOS actuels, soit pour le composant retenu, une alimentation monotension 0-3,3V. Le gain G est défini par la formule 25 G=2*R11/R10.
Les entrées Vin+ et Vin- correspondent aux sorties différentielles 44 et 43 du pont de GMR 30.
Le signal AMPLIx est le signal amplifié par la cellule d'amplification. Il est défini par AMPLIX= G *(Vin+ - Vin-).
La cellule élémentaire de multiplexage U25 représentée sur la figure 6, qui est choisie dans une technologie compatible avec les signaux délivrés par les amplificateurs qui la précèdent (ici les amplificateurs 111 5 et 112 pour la première cellule élémentaire de multiplexage U25 de la figure 6), multiplexe deux voies vers une voie. Cela sous-entend que pour lire les huit voies de la barrette GMR 100 des figures 1 et 2, le module de sélection comprend trois étages (2**3 donnant 8) permettant de choisir 4 voies, puis 2 voies puis une voie. 10 Comme le montrent les figures 6 et 7, le signal S3 permet de sélectionner les sorties AMPLI1 et AMPLI2 vers le signal sélectionné Ml, pour la première cellule élémentaire de multiplexage U25.
Le module de sélection 300 comprend donc ici sept cellules élémentaires de multiplexage U25 à U31 activées par trois signaux de 15 sélection S, agissant sur chacun des étages (Figure 7).
Le signal S3 permet de sélectionner parmi les huit sorties AMPLIj, quatre signaux intermédiaires Mj (l<=j <=4) constituant les entrées du second étage. Le signal S2 permet de sélectionner parmi les signaux Mj deux signaux intermédiaires Mk (5<=k<=6) constituant les entrées du troisième 20 étage. Le signal SI permet de sélectionner parmi les signaux Mk la sortie AMPLI, (signal final M7) envoyée au module externe 400. Les cellules élémentaires de multiplexage U25 à U28 constituent ainsi le premier étage, les cellules élémentaires de multiplexage U29 et U30 constituent le deuxième étage et la cellule élémentaire de multiplexage U31 constitue le 25 troisième étage.
Une variante de cette implémentation permet de prendre en compte les dérives intrinsèques induites par le décalage à l'origine. Ainsi, selon un mode particulier de réalisation illustré sur la figure 8, un signal de compensation COMP, est ajouté au signal amplifié AMPLIi afin de réduire ou supprimer l'influence du décalage (offset).
Ce signal est déterminé dans un circuit 62 à partir d'un signal Vref selon la formule Vref*R2/(R2+R'2), qui peut être soit la tension 5 d'alimentation des différents modules Valim, soit un signal externe.
Le gain de la cellule ainsi défini est modifié et défini selon la formule G=2*(R2//R'2)/R1.
Ce principe nécessite de connaître avec assez de précision le décalage à l'origine des transducteurs qui sont utilisés pour ajuster au 10 mieux les paramètres comme Vref, les résistances de gain ou la dynamique de l'amplificateur 61.
Les lots de GMR présents sur chaque barrette 100 peuvent dans certains cas montrer une dispersion beaucoup trop importante pour trouver une valeur de compensation moyenne pour chacune des voies. 15 Dans ce cas, on peut alors étendre le principe en introduisant une masse flottante où le signal de sortie AMPLI, ne sera plus référencé par rapport à la masse commune des modules, mais à une masse flottante déterminée par le point milieu des ponts de mesure (type ponts de Wheastone) 63 dans lesquels entrent les cellules GMR, telles que celles 20 des figures 3 et 4, ou par un autre point de polarisation que le point milieu, ce dernier permettant toutefois une réalisation particulièrement simple.
Ce mode de réalisation est illustré sur la figure 9. Le sens et la valeur du décalage ne sont alors plus trop contraignants. 25 Un aspect innovant de ce mode de fonctionnement permet de mesurer les variations de GMR indépendamment du sens du champ rencontré. Cela permet de s'affranchir du positionnement dans lequel s'orientent les GMR à leur implantation, mais également de la tension effectivement appliquée sur la cellule de pile.
On sait que la présence de tensions négatives sur les cellules de pile apparaît pendant certaines phases de fonctionnement de la pile, en particulier lors du démarrage de la pile à combustible (alimentation en réactifs), que l'on rencontre souvent dans les applications automobiles. 5 La valeur de compensation COMP, est fixée à Vref/2 puisque les résistances R2 et R'2 sont égales, Vref pouvant être une référence externe ou simplement la tension Vcc d'alimentation des différents modules. En revanche, le gain est divisé par 2.
En prenant comme hypothèse un décalage (offset) compris entre - 10 60mV et +60mV et une dynamique comprise entre -80mV et +80mV, on arrive à une excursion du signal de pont comprise entre -140mV et +140mV. Si l'on considère que Vref=Vcc=3,3V (tension commune aux technologies électroniques qui peuvent être retenues à titre d'exemple), l'excursion du signal amplifiée est égale à 1,65. On approche alors un gain 15 de l'ordre de 10-12, mais celui-ci peut être plus élevé et par exemple être de l'ordre de 30.
Un autre aspect important de la présente invention concerne la miniaturisation des capteurs, et en particulier de la barrette 100 regroupant les 8 voies.
20 L'intégration sous forme de système hybride encapsulé, ou SiP (System in Package), des différents composants présentés sur la figure 2 est une première étape de miniaturisation technologique. On utilise les techniques de conception en trois dimensions avec empilage de circuits imprimés, les échanges de signaux s'effectuant sur les tranches. 25 On procède ainsi à la réalisation d'un premier circuit imprimé contenant la barrette GMR 100 et les amplificateurs d'instrumentation 201 à 208. On effectue un regroupement des pistes de signaux sur les tranches. Le circuit imprimé découpé est inscrit dans un cadre doré.
On effectue ensuite la réalisation d'un deuxième circuit imprimé contenant les multiplexeurs 300 (tels que les modules U25 à U31 de la figure 7). Là encore, le regroupement des pistes de signaux est effectué sur les tranches. Le circuit imprimé découpé est également inscrit dans un cadre doré.
Ces deux circuits imprimés sont ensuite assemblés ; puis moulés et encapsulés. Les pistes des signaux sur tranches sont reliées ensuite aux broches d'entrées-sorties constituant le dispositif de liaison 401, 402 de la figure 2.
Une telle réalisation permet de disposer l'instrumentation au plus près de la barrette 100, minimisant les sources de bruit externes venant principalement de la connectique.
On dispose ainsi de systèmes hybrides encapsulés prêts à être associés à 8 cellules de pile (pour le cas considéré d'une barrette 100 à 8 cellules à GMR instrumentées).
Ce système hybride encapsulé peut bien sûr s'étendre au suivi de piles à combustibles ou tout autre générateur électrique contenant une pluralité de cellules.
En particulier, cela peut être appliqué à des piles pouvant comprendre par exemple 120 cellules dont il est nécessaire de connaître l'évolution au moins deux fois par seconde.
Les technologies utilisées pour la fabrication des barrettes de GMR s'apparentent à celles utilisées pour la fabrication de composants électroniques plus classiques. Il est donc possible de disposer, avec une dispersion acceptable de lots de barrettes et corrigible par une campagne d'étalonnage, la fabrication en petite série de systèmes hybrides ne présentant, pour la société spécialisée dans ce domaine, aucune difficulté majeure puisque les autres composants du SiP sont des composants discrets. A titre d'exemple, une grappe de 15 systèmes hybrides a été conçue et implantée sur une carte support PCB pour couvrir les 120 voies d'une pile à combustible.
Une partie de l'électronique peut alors être mutualisée entre les 5 différents systèmes en prenant en compte ces contraintes selon le schéma de principe de la figure 2.
Un module de traitement 400, qui assure les échanges de données avec les systèmes hybrides est représenté sur la figure 2 et comprend au moins : 10 une unité de traitement 405, des entrées-sorties de type TOR 404, des entrées analogiques, des convertisseurs analogique-numérique 403, éventuellement une unité de communication vers une entité distante, une 15 communication au protocole CAN étant par exemple possible dans le cas d'une application automobile, un circuit imprimé multicouche assurant l'ensemble des liaisons entre les systèmes hybrides et l'unité de traitement.
Le composant retenu pour l'implantation du système de traitement 20 400 peut par exemple disposer de deux convertisseurs analogiques numériques et assure la conversion quasi-simultanée d'un élément de chaque système hybride (soit 15 voies).
Le principe de fonctionnement simplifié est le suivant :
Sur sollicitation d'un triplet d'entrées-sorties <S1, S2, S3>, sélection d'un 25 signal AMPLI, par barrette (donc d'une cellule GMR, donc d'une tension délivrée par une cellule de pile). Il y a donc 15 signaux présents sur les différents convertisseurs du composant.
Lecture et conversion analogique-numérique par le CA/N 403 des 15 signaux présents
Stockage des valeurs converties, application du logiciel de traitement sur l'ensemble des données, formation de la trame regroupant les 120 valeurs lues et traitées, envoie de la trame sur le bus CAN.
La dispersion contenue des ponts de résistances ou des lignes de 5 courant de la barrette GMR peut se corriger en procédant à un étalonnage de chacune des voies
Pour cela chaque cellule est émulée par une source de tension de référence dans une gamme de tension spécifiée (typiquement de -1,2 à + 1,2V). La réponse des GMR étant quasi-linéaire, en théorie deux points de 10 calibration par cellule GMR suffisent, pris aux extrémités de la gamme de mesure de tension.
En pratique, compte tenu des dispersions mais surtout des décalages à l'origine, sept points ont été utilisés. Cela a permis d'affiner la linéarité des points de mesure observés et d'éliminer les zones non 15 linéaires (saturation).
On peut également optimiser en intégrant les faibles dispersions liées à la température dans la gamme de -20°C à 80°C.
En considérant que les GMR travaillent dans leur zone linéaire, l'étalonnage consiste en la mesure de plusieurs couples ctension 20 appliquée à la cellule GMR Vcell, valeur binaire convertie par le convertisseur analogique/numérique Vbin >.
Par extrapolation linéaire, on calcule les coefficients A, et B, correspondant à ces mesures. L'équation peut s'écrire : VcELLj = A^Vbii^+Bî, VcelLi étant appelée 25 valeur de tension reconstituée.
Un tableau regroupant les 120 coefficients A, et B, est constitué. Il est ensuite écrit dans le logiciel de traitement, soit recopié dans un fichier externe lu par le logiciel de traitement.
Le logiciel de traitement effectue ce calcul et délivre donc des tensions de cellule de pile reconstituées. En fonction de l'application visée, d'autres traitements peuvent être appliqués sur ces données reconstituées (moyennage, seuillage, .....) permettant un diagnostic sur l'état des 5 cellules et un suivi pour la mesure de leur vieillissement.
Ces différents traitements peuvent déboucher sur la génération de différentes trames de résultats (données état des cellules, tensions reconstituées, ...) qui sont ensuite émises à partir des ports CAN vers le contrôle-commande véhicule. 10 L'application présentée ci-dessus permet la mesure de tension issue de piles à combustible comprise entre 0 et +1,2V tout en permettant la lecture de tension négative.
La lecture de tension de cellules plus élevée, comme par exemple les tensions de cellules de batterie, autour de 3,6V voire plus (6V), n'est 15 pas directement possible à l'aide de ces systèmes hybrides, la technologie retenue pour la cellule GMR ne le permettant pas sans risque majeur de vieillissement accéléré, voire de destruction.
Une approche simple et fonctionnelle peut être appliquée au système hybride pour répondre à ces niveaux de tension. Une résistance 20 adaptée 121 à 128 est insérée entre les points de mesure de la tension pile et les entrées correspondantes du système hybride comme le montre la figure 10. Elle fait diviseur résistif avec la résistance de la ligne de courant. Le choix de cette résistance du pont d'entrée est bien sûr adapté à la gamme de mesure délivrée par les cellules de pile ou de batterie. En 25 tout état de cause, la sélection de la résistance tiendra compte de la résistance de la ligne (définie à partir du courant dérivé maximum de 20mA sous 1,2V, soit autour de 50 Ohms), de la sensibilité globale attendue pour le système hybride et d'une dissipation thermique qu'elle va créer (en dehors de la puce toutefois).
On peut naturellement également redéfinir la ligne de courant en l'adaptant aux tensions mesurées, mais cela sous entend de réaliser des composants SIP dédiés à des plages de mesures de tension et il sera nécessaire de prendre en considération dans la conception du composant la dissipation thermique globale interne à la puce dans ce contexte. Le mode de réalisation de la figure 10 permet au contraire de conserver les mêmes modules hybrides de base et de les adapter facilement à des niveaux de tension de pile plus élevés.
Le développement de capteurs de courant à base de magnétorésistances GMR permet d'envisager des solutions très intégrées et présentant une résolution inégalée. L'isolation galvanique intégrée qui permet d'atteindre des résolutions de ΙΟμΑ alors que les réalisations connues se situent dans le domaine du mA ou même de 10mA et la fonction d'auto-fusible sont des caractéristiques avantageuses pouvant être mises en œuvre avec la présente invention.
Enfin l'intégration dans un même module de la partie amplification, de plusieurs voies partageant un multiplexage avec un décodage d'adresse est aussi une amélioration importante par rapport aux systèmes existants.
La technologie GMR, telle que conditionnée dans le cadre de la présente invention, présente notamment les intérêts suivants :
- carte de mesure de tension permettant la surveillance du système de pile à combustible (PAC) et l'optimisation et la sécurisation du contrôle commande du système PAC,
- système permettant de doter la pile d'un capteur intelligent accessible par l'ensemble des calculateurs à travers un réseau CAN pour l'application automobile visée comme application importante de la présente invention,
- Technologie développée pour la mesure de tensions (positives et négatives) avec une grande précision (typiquement de 10 mV) et justesse assurée par le principe d'étalonnage,
- Technologie permettant intrinsèquement la mesure de courant,
- sûreté de fonctionnement du dispositif de diagnostic pile assuré intrinsèquement par les GMR,
- Isolation galvanique assurée par le capteur lui-même,
- Le capteur assure par ailleurs une fonction sécuritaire de fusible en cas de surintensité,
- Précision des mesures : technologie très bien adaptée à la mesure des faibles courant comparativement aux capteurs à effet Hall, seuls composants concurrent dédiés à la mesure de courant,
- Compacité de la technologie, simple à intégrer notamment pour des applications embarquées. Possibilité de miniaturisation des composants,
- Possibilité de connecter directement les composants GMR intégrés sur la pile à combustible,
- Modularité des composants électroniques GMR (1 SiP GMR comprend 8 ponts (cellules) GMR assurant la mesure de 8 tensions),
- Robustesse des mesures même dans un environnement sévère avec perturbation électromagnétique,
- Technologie s'apparentant à une puce de coût de fabrication faible par rapport aux technologies partiellement concurrentes, induit par un champ d'application très large qui permet d'envisager une production à fort volume,
- Faible consommation énergétique (< à 1 mA par pont GMR), hors consommation de la ligne de courant dans la résistance de polarisation dont la consommation est ajustable en fonction du besoin,
- Capteur autonome de mesure de tension ne nécessitant pas de composants annexes pour réaliser la fonction (ligne de courant externe, câble,...),
- Le domaine d'application est particulièrement étendu et intéressant pour le monde automobile avec l'avènement des véhicules électriques et hybrides (thermique/ électrique,...) : - Adapté à toutes mesures de courant ou de tension, 5 - Application à la gestion de la charge de batteries ou de supercapacités,
- Surveillance de la tension individuelle de cellules de pile à combustible,
- Applicable aux électrolyseurs,
- Instrumentation / diagnostic sur toute technologie électrotechnique nécessitant une/des mesures de courant / tensions.