Brevet FR2133845A1 — publié le 19721201

La présente invention concerne la pharge d'éléments, secondaires éleetrochimiques et plus particulièrement un procédé et des circuits électroniques nouveaux pour réaliser cette charge. On emploie de plus en plus des éléments de batterie de capa-5 cité relativement faible et on a par conséquent de plus en plus besoin de moyens permettant de recharger rapidement ces batteries entre les périodes d'emploi intermittent. Un exemple d'une telle application est constitué par les .tondeuses électriques autonomes, alimentées par des batteries, pour coiffeurs. Le coiffeur doit 10 employer la tondeuse pendant peut-être une minute et ensuite la replacer sur son support, qui peut jouer le rôle de chargeur i dans ces conditions, la batterie doit être rechargée rapidement puis à nouveau employée pendant un court instant (décharge) auquel succède une autre charge rapide, courte, etc.. Il est évidem-15. ment nécessaire de porter au maximum l'intensité du courant de charge pour que le coiffeur puisse disposer très rapidement de ces tondeuses mais, en même temps, une régulation de la charge est nécessaire pour empêcher tout excès de charge sous ces grandes intensités. 20 Bien qu'on ait mis récemment dans le commerce un certain nombre de chargeurs rapides de batterie dits autorégulateurs, les circuits employés sont souvent compliqués, complexes et relativement coûteux. De plus, ces circuits de charge de la technique antérieure ne permettent pas en général une charge aussi rapide qu'il le fau-25 drait pour de nombreux usages qui se développent, en particulier quand la batterie peut n'être chargée qu'à une fraction de sa capacité nominale, par exemple 80$. Une des raisons pour lesquelles ces chargeurs de la technique antérieure ont été en général défectueux tient à ce qu'ils comportent des voies pour la dissipation 30 de la chaleur provenant d'éléments;de circuit qui dégagent de la chaleur pendant le fonctionnement du circuit de charge. Le rendement et le régime de charge sont compromis du fait de cette impossibilité de maîtriser l'énergie calorifique dissipée. On peut trouver des indications sur la technique antérieure C £L~C G £TOX*l S 35 dans la classification du "United States Patent Office",/320, électricité, charge et décharge des batteries et condensateurs. On .les brevets des peut citer, comme donnant des exemples de l'état de la technique,/ Etats-Unis d'Amérique n05 289 328, 3 321 692, 3 341 764, 3 534 241, 3 538 415 et le brevet canadien n° 859 862. BAD ORIGINAL GO^ .,L 72 13561 2133845 La présente inyention a pour objet un circuit de charge d'une batterie capable de charger rapidement cette batterie à 1Q0# de sa charge nominale et qui arrête automatiquement la charge pour empêcher toute détérioration des éléments quand leur charge est 5 complète. Elle a aussi pour objet un circuit de charge qui a un rendement amélioré en utilisant effectivement la chaleur dégagée dans un redresseur commandé pour raccourcir- la durée de la charge tout au moins jusqu'à une fraction importante de la charge nominale, 10. qui comporte un nombre minimal de composants électroniques et est d'un prix de revient peu élevé. Enfin elle a pour objet, dans une de ses formes de réalisation, un dispositif de compensation thermique inclus dans le circuit de charge pour verrouiller le redresseur commandé dans des 15 conditions correspondant à une interruption de la charge en un point choisi du cycle de charge, pour empêcher tout excès de charge. Ces objets, ainsi que d'autres, sont atteints et les inconvénients de la technique antérieure sont éliminés grâce aux pro-20 cédés et réalisations de la présente invention, décrits ci-après. Le chargeur rapide de batterie selon l'invention comprend un circuit de chargé dans lequel un redresseur commandé comportant une gâchette ou electrode de commande est monte en serie avec une source de courant et une batterie ou un autre élément électrochi-25 mique à charger, ladite source de courant étant de préférence une source de courant alternatif dont une ou deux alternances sont redressées. Un circuit de commande est incorporé pour appliquer une tension à la gâchette du redresseur commandé par l'intermédiaire d'un diviseur de tension créant une tension de référence 30 en parallèle sur la batterie à charger. Au lieu de limiter fortement le courant appliqué au redresseur commandé ou. d'incorporer des moyens pour dissiper une grande quantité de chaleur dégagée dans ledit redresseur commandé, la présente invention tire parti de 1'échauffement du redresseur commandé pour abaisser la tension 35 de la gâchette et (après un retard thermique bref et avantageux) appliquer ainsi au début aux éléments de la batterie un courant de charge intense sans effet nuisible. Quand la batterie n'est pas complètement chargée, la tension du circuit de commande pendant chaque alternance positive de la BAD original 72 13561 3 2133845 tension proye.nant de la source d'énergie; est suffisante pour rendre conducteur le redresseur commandé. Lorsque la batterie se rapproche de la charge complète, la force contre-électromotrice engendrée par cette batterie augmente jusqu'à ce que la tension 5 directe de la gâchette ne puisse plus engendrer un courant de gâchette suffisant pour rendre conducteur le redresseur commandé. Par conséquent, la charge est ainsi automatiquement arrêtée. L'élévation de température de la batterie, du redresseur commandé ou de la source de courant, par exemple un transformateur, peut 10 être employée avantageusement pour réduire automatiquement la tension du circuit de commande et, par conséquent, accélérer l'arrêt de la charge. Le chargeur de batterie selon l'invention est particulièrement intéressant pour la charge des éléments secondaires électro-15 chimiques étanches tels ceux au nickel-cadmium, au nickel-zinc et au plomb-acide. Cependant, la présente invention n'est pas limitée à ces applications particulières. D'autres objets et avantages (Je la présente invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un 20 exemple de réalisation et en référence au dessin annexé dans lequel les mêmes numéros de référence se rapportent à des pièces analogues dans les diverses figures. La figure 1 représente schématiquement le chargeur selon l'invention ; 25 la figure 2 représente une autre forme de réalisation du cir cuit de commande faisant partie des circuits de batterie de la figure 1 1 la figure 3 représente graphiquement, à titre d'exemple, la variation de la tension d'un élément, particulier pendant la pé-30 riode de charge. La figure 1 représente une batterie B à charger qui est constituée par un ou plusieurs éléments. Une source de courant électrique destinée à charger la batterie est constituée par un transformateur T comportant un primaire 10 et un secondaire 12, le pri-35 maire étant alimenté en courant alternatif 115 V 50 Iîz^ou analogue, par la prise 14. Un interrupteur marche-arrêt 16 ainsi qu'un fusible protecteur 18 sont incorporés. Les conducteurs de l'enroulement secondaire 12 du trains formateur définissent une première borne de charge 20 et une seconde borne de charge 22. co^i 72 13561 2133845 Le courant proyenant du secondaire 12. est applique à la batterie B par un SCR (redresseur commandé au silicium ou thyristor) sans refroidisseur, comportant une borne d'anode 24, une borne de cathode 26 et une gâchette 28. 5 Un diviseur de tension est branché entre les bornes de charge 20 et 22 et comprend une résistance RI et un élément 30 donnant une tension de référence avec un noeud commun 32 entre eux. La tension de référence peut êtrè créée par un dispositif approprié 30, tel qu'une thermistance, une jauge de contrainte, un capteur 10. de pression, une résistance, une photodiode ou une diode Zener. Le dispositif 30 doit être capable de laisser passer un courant électrique et de faire apparaître dans ces conditions une tension entre ses bornes. Dans une forme de réalisation de l'invention, la tension 'de 15 référence entre les noeuds 36 et 22 engendrée par le dispositif 34 encadré par des traits interrompus est fournie par l'ensemble représenté sur la figure 2 du dessin annexé. La diode Zener ZD2 crée une tension de référence pu de seuil qui est presque indépendante de l'intensité du courant traversant l'appareil tant 20 qu'il fonctionne suivant le mode dit "d'avalanche inverse", au-dessous du coude dit de Zener. La tension de référence désirée entre le noeud 36 et la borne de charge 22 est obtenue par déplacement du curseur mobile 38 le long de la résistance R2 du potentiomètre. Le noeud 32 du diviseur de tension ou le curseur 25 de contact 38 du potentiomètre est relié à la gâchette 28 du thyristor par une diode D1 comportant une borne anode 36 et une borne cathode 38. Certaines modifications des circuits représentés sont évidentes pour l'homme de l'art. Par exemple,- les deux alternances 30 du courant d'entrée provenant du secondaire 12 du transformateur peuvent être redressées, par exemple à l'aide d'un pont redresseur des deux alternances ou d'un dispositif à prise médiane. Par ailleurs, une diode peut être branchée en série avec RI ou le dispositif 30 pour bloquer complètement l'alternance négative 35 passant par la borne de charge 22. En fonctionnement, la tension provenant du secondaire 12 du transformateur est appliquée au circuit diviseur de tension définissant une tension de référence entre les noeuds 36 et 22. La valeur de la tension de l'élément de référence 30 ou la position copy 5 72 13561 2133845 du curseur mobile 38 du potentiomètre, sont choisies de manière à créer une tension de référence afin que la tension directe de gâchette au noeud 28 soit sensiblement égale à la somme de la tension de fin de charge de la batterie B plus la chute de tension 5 aux bornes de la jonction gâchette-cathode du thyristor. Cette tension de fin de charge de la batterie est en général un peu supérieure à la tension finale à circuit ouvert de l'élément après la charge. Par exemple, une tension de fin de charge convenable pour un élément nickel-zinc (ayant normalement une tension à cir-- 1Q cuit ouvert d'environ 1,7 V) est d'environ 1,85 V. Tant que la batterie n'est pas complètement chargée, la tension appliquée à la gâchette au noeud 28, définie par la tension de référence, est suffisante pour amorcer le thyristor et laisser passer en direction de la batterie B une impulsion de charge pen-15. dant chaque alternance positive. La régulation de la charge est commandée par une réaction de tension à partir de la batterie. A la fin de chaque alternance positive d'une impulsion de charge, la tension de charge est réduite à zéro et le thyristor cesse d'être conducteui^ku début de toutes les impulsions successives 20 appliquées au secondaire du transformateur, le thyristor est amorcé si la tension appliquée à la gâchette (noeud 28) est au moins égale à la tension aux bornes de la batterie plus la chute de tension à travers/jonction gâchette-cathode du thyristor. Bien qu'au début de la charge le thj'ristor s'amorce relativement tôt 25 lors de chaque alternance positive, c'est-à-dire avec un grand angle de conduction, à mesure que le pourcentage de charge de la batterie augmente et se rapproche d'une charge quasi complète, le thyristor s'amorce plus tard au cours de l'alternance, c'est-à-dire sous un petit angle de conduction, jusqu'à.ce que le thyris-30 tor soit commandé en vue de la suppression des impulsions de char- Une caractéristique nouvelle et importante du chargeur de batteries selon l'invention est le fait qu'il arrête rapidement la charge. Cette caractéristique est obtenue par l'action de la 35 température du redresseur commandé sur les conditions de déclenchement. Lorsque la température du redresseur commandé augmente au début de la période de charge, le signal à appliquer à la gâchette pour rendre conducteur le redresseur commandé est moindre. Lorsque la batterie se rapproche de la fin de charge et que le charge . 72 13561 6 2133845 geur passe, en régime de réglage 4e l'angle de phase (cela signi^ fie que l'angle de conduction diminue.)*, le courant moyen à travers le redresseur commandé diminue et celui-ci se refroidit. Ce refroidissement, augmente l'amplitude du signal à appliquer à la 5 gâchette et retarde l'amorçage par rapport au début de l'alternance, réduisant ainsi le courant de charge et abaissant encore la température du redresseur commandé. Cette contre-réaction dure jusqu'à ce que le courant de charge soit interrompu et verrouille le redresseur commandé à l'état de non conduction. Lorsque la 10 batterie reste à circuit ouvert, sa tension diminue graduellement jusqu'à ce qu'une tension d'équilibre soit atteinte. Par un choix approprié des valeurs des composants, le circuit peut être réalisé de manière à laisser passer des impulsions de charge d'entretien à partir de l'instant où la tension d'équilibre de la 15. batterie est presque atteinte. De nombreux chargeurs de batterie sont basés sur une idée fausse, à savoir que la tension de la batterie pendant la charge doit être maintenue égale à,ou voisine de,la tension finale nominale de la batterie pour éviter tout dommage. On a observé, 2 0 selon l'invention, que le régime de charge est avantageusement porté au départ à un niveau nettement supérieur au niveau classique. La tension de la batterie pendant cette période de début aug-r mente et atteint un maximum bien au-dessus de la tension nominale aux bornes (et de la.tension nominale de charge) et, ensuite, on 25 laisse l'intensité du courant de charge diminuer jusqu'à un niveau de sécurité lorsqu'on se rapproche de la charge complète de la batterie. La figure 3 représente une courbe typique A indiquant la tension aux bornes d'un élément étanche au nickel-zinc pendant une charge selon l'invention-. Comme l'indique la courbe 30 A, la tension augmente rapidement au début du cycle de charge (ce qui correspond à un échauffement du thyristor), passe par un maximum et ensuite commence à diminuer lorsque la température du thyristor diminue. Par contre, la courbe B (appareil classique de la technique antérieure) représente un régime de charge sensible-35 ment constant dans lequel la tension augmente constamment et régulièrement et tend ensuite asymptotiquement vers une valeur correspondant à la tension de fin de charge. Il est bien évident, et il a été confirmé par l'expérience, que la mise en-oeuvre d'une charge selon la courbe A -comme dans la présente invention- per- Bad origiNal copyJ 72 13561 7 2133845 met à l'utilisateur de charger à. fond l'élément ou la batterie en un temps beaucoup plus court que lorsqu'il emploie la courbe B de la technique antérieure. Ce'raccourcissement est encore plus prononcé quand on demande -ou désire- seulement une charge égale 5 à une fraction de la capacité nominale (par exemple entre environ 60 et 95$ de celle-ci). Pour obtenir un régime de charge d'une batterie semblable à celui représenté par la courbe' A selon l'invention de la figure 3* l'emploi de la chaleur dégagée dans le redresseur commandé est 1Q essentiel. Les pertes par conduction dans le sens direct sont la source principale d'échauffement d'un thyristor pour des cycles de travail et des puissances d'alimentation normales. Une caractéristique fondamentale de l'invention est la maîtrise de ces "pertes" de chaleur en isolant le thyristor au lieu de dissiper 15 la chaleur dégagée, par exemple en employant un refroidisseur ou d'autres moyens. Il est également préférable de ne pas limiter le courant circulant en direction du redresseur commandé étant donné que cela doit également diminuer 1'échauffement. En tout cas, le dégagement de chaleur dans le redresseur commandé ne doit pas ris-20 quer de provoquer sa destruction. Par ailleurs, la variation V de la tension -en fonction du temps- qui lui est appliquée, ne doit pas dépasser un certain niveau maximal (ce niveau maximal est souvent dénommé sa capacité de résistance à "dV/dt", expression dans laquelle V représente la tension et t le temps). Pour me étude 25 complète du refroidissement et des capacités de résistance des redresseurs commandés au silicium^se reporter aux chapitres 1 et 3 du "General Electric's SCR Manual", troisième édition. Selon l'invention, il peut être nécessaire dans, certains cas, d'intercaler une résistance limitant le courant entre les noeuds 30 20 et ou les noeuds 26 et 40 et/ou d'employer un refroidisseur relativement petit pour régler et maintenir 1'échauffement du redresseur commandé au-dessous de son point de destruction. Un réalisateur qualifié de circuits connaissant le type de batterie à charger, le modèle et la puissance nominale du transformateur 35 à emoloyer ainsi que le modèle et les caractéristiques nominales .compte du redresseur commandé à employer, se rendra facilement/s' il y a lieu d'employer ces dispositifs de dissipation de la chaleur. La considération fondamentale est l'utilisation maximale de la co^li 72 13561 8 2133845 chaleur dégagée dans le redresseur commandé tout en maintenant sa température à un niveau inférieur à celui, qui provoquerait la destruction du dispositif. Pour la charge de la plupart des éléments de batterie, en particulier de ceux de faible capacité, il 5 est inutile d'employer des refroidisseurs ou des résistances de limitation du courant quand les composants du circuit ont été choisis avec soin. d'exécution de l'invention, mais ne doivent la limiter en aucune 10. façon. EXEMPLES I à.VII Dans ces exemples, on emploie l'ensemble des circuits de la figure 2,sauf qu'une diode additionnelle, dénommée D3, est inter-15 calée en série avec Rl. L'élément chargé est un élément secondaire étanche au zinc-nickel modèle "sub-C" (Etats-Unis d'Amériques/nominale d'environ 1,6 V. Cet élément est soumis à. 9 cycles de char-.ge et de décharge. Dans les exemples I, II et V (se reporter au tableau l),un refroidisseur constitué par une grosse pince cro-20 codile est fixé au boîtier du thyristor. Dans l'exemple IV, on emploie un refroidisseur de dimensions moyennes constitué par une petite pince crocodile. Dans les exemples III, VI et VII, . ejcterne . . . , aucun refroidisseur/,ni dispositif de dissipation de la chaleur n'est relié au thyristor. Dans tous ces exemples, le temps total 25 de charge est choisi arbitrairement. On voit facilement d'après le tableau 1 que, dans les exemples où l'emploi de la chaleur dégagée dans le thyristor est porté au maximum, la capacité en ampères-heure -lors de la décharge de l'élément jusqu'au niveau 1 V- est bien supérieure si on la rapporte à la durée totale de 30 la charge de l'élément. Les composants employés dans le circuit comportant l'élément sont énumérés ci-dessous : Les exemples ci-après sont destinés à décrire certains modes figure 1 associé à l'ensemble diode Zener/potentiomètre de la ayant une tension Trans formateur 6,3 volts, 1 "A 2064-6916 35 ZD2 Thyristor 10 ohms 100 ohms 3,9 volts 2N4151 (Mot.orola Corporation) copy -4 hO N° de 1'exemple I II III IV V VI VII TABLEAU I N° du Tension de Refroidisseur cycle fin de charge 3 1,85 grande pince 200 0,93 4 1,85 grande pince 105 OJ CO o 5 1,85 néant 100 1,20 6 1,85 petite pince 546 1,08 7 1,88 grande pince 400 1,17 8 1,88 néant ' 107 1,15 9 1,88 néant 450 1,23 U> cri Durée totale Capacité à la C7* de la charge décharge, en —* en mn A/hjusqu'à 1 Y K> UJ UJ 00 a» en 10 72 13561 2133845 EXEMPLES yill à X On emploie le même circuit de charge, que dans les exemples ci-dessus pour charger plusieurs fois un élément de batterie rechargeable étanche, au nickel-zinc, du modèle 1/3 AA. La durée 5 de charge est maintenue constante pour tous les exemples et égale à 5 mn et la décharge est réalisée au régime de 0,8 A jusqu'à une tension de 1 V. Dans l'exemple VIII, on emploie un bain-marie à température constante (23°C) pour simuler un refroidissement idéal. Le temps de décharge moyen jusqu'à 1 V est de 41,7 s, cor-10. respondant à sa capacité de décharge, 9,25 mA/h. Dans l'exemple IX, on emploie un petit refroidisseur qui dissipe une faible proportion de la chaleur engendrée par le thyristor. Dans cet exemple, la température du thyristor varie de 23 à 30°C et le durée de décharge moyenne jusqu'à 1 V est de 52,3s, 15. ce qui correspond à une capacité à la décharge des éléments de 11,6 mA/h. On n'emploie aucun refroidisseur dans l'exemple X. La durée moyenne de la décharge jusqu'à 1 V est d'environ 54,7 s, corres- j pondant à une capacité de décharge de 12,2 mA/h. On voit facile-20 ment que l'invention, comme le démontre l'exemple IX et mieux encore l'exemple X, met en évidence l'augmentation de la capacité à la décharge de l'élément pour une durée de charge donnée. Lorsqu'on réduit la durée de charge, les avantages du chargeur selon l'invention sont accentués. 25 Une autre caractéristique de l'invention permet d'ajuster l'instant auquel le régime de charge diminue, c'est-à-dire l'instant auquel la pente de la courbe A de la figure 3 devient négative. Le réglage du point où cette diminution commence peut être important, par exemple pour empêcher un emballement thermique d'un 30 composant d'un circuit. Ce réglage est réalisé par l'emploi d'une réaction thermique pour réduire la polarisation de la gâchette au noeud 28 et obliger ainsi le redresseur commandé à s'amorcer plus tard par rapport au début de l'alternance du courant alternatif. On peut obtenir ce résultat en abaissant la tension de référence 35 entre les noeuds 36 et 22 et/ou en élevant la tension aux bornes de Dl. La première opération peut être réalisée par l'emploi d'une diode Zener ayant un coefficient de température négatif et en la plaçant en contact thermique avec un composant dégageant de la chaleur, par exemple le transformateur, le redresseur commandé ou, bad original copy 72 13S61 ii 2133845 dans certains cas, la hatterie en cours d Il va de soi que l'invention peut faire l'objet d'un grand nombre de modifications et variantes, par exemple le redresseur commandé ne doit pas être considéré comme limite à un thyristor; un commutateur à blocage par la gâchette, un redresseur commandé mis en action par la lumière, ou deux transistors semblables,peuvent être employés avec de légères modifications. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite qu'à titre indicatif mais nullement limitatif et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. GOPVj 72 13561 12 2133845 HEVEMDICATIONS 1.- Chargeur de batteries, "du type comportant une source de courant et un redresseur commande en série, connectable à la batterie à charger, ledit redresseur commandé comportant une gâ- 5 chette qui rend ledit redresseur commandé conducteur quand une tension nécessaire prédéterminée est appliquée de part et d'autre de la jonction gâchette-cathode dudit redresseur commandé, ladite tension variant en sens inverse de la température du redresseur commandé, caractérisé en ce qu'il comprend : un diviseur de 10 tension branché en parallèle sur ladite source de courant et comportant un noeud compris entre le diviseur et ladite gâchette à laquelle il est connecté, et créant ainsi une tension de référence en parallèle sur ladite batterie et un dispositif pour isoler au moins partiellement ledit redresseur commandé du dispositif exté-15. rieur de dissipation de la chaleur, de manière que, lors de la charge, ledit redresseur commandé puisse s'échauffer à peu près librenent pour abaisser la tension à ladite jonction gâchette-ca-.thode et augmenter ainsi le courant de charge. 2.- Chargeur de batterie selon la revendication 1, caracté-20 risé en ce que ladite source de courant est constituée par l'enroulement secondaire- d'un transformateur raccordé à une source de courant alternatif. 3.- Chargeur de batterie selon la revendication 2, caractérisé en ce que la sortie de l'enroulement secondaire est reliée 25 à un circuit redresseur redressant les deux alternances. 4.- Chargeur de batterie selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit redresseur commandé est du type commandé au silicium. 5-- Chargeur de batterie selon la revendication 1, caracté-30 risé en ce que le diviseur de tension comprend un élément résistif branché entre ladite source de courant et ledit noeud et un dispositif, choisi dans le groupe constitué par les thermistances, les jauges de contrainte, les diodes Zener, ^es capteurs de pression, les résistances et les photodiodes,/branché entre ledit 35 noeud et ladite source de courant. 6.- Chargeur de batterie selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit diviseur de tension est constitué par un élément résistif et une diode Zener branchés en parallèle sur un Dotentiomètre créant une tension de référence. bad original copy 72 13561 2133845 7»- Chargeur 4e hatterie selon la revendication 6â caractérisé en ce que la horne. anodique. d'une dio4e est raccordée à un curseur mobile du potentiomètre et la borne-cathode de la diode est reliée à ladite gâchette. 5 8.- Chargeur de batterie selon la revendication 7, carac térisé en ce que la diode a un coefficient de température positif et est en contact thermique avec le redresseur commandé ou avec la batterie à charger ou encore avec un transformateur agissant comme source de courant pour le circuit de charge. 10 9.- Chargeur de batterie selon la revendication 6, carac térisé en ce que la diode Zener a un coefficient de température négatif et est en contact thermique avec le redresseur commandé ou avec un transformateur agissant comme source de courant pour le circuit de charge. 15. 10.- Chargeur de batterie selon la revendication 6, carac térisé en ce qu'une diode avec un coefficient de température positif est branchée en série et en contact thermique avec ladite diode Zener et celle-ci a un coefficient de température négatif. 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