Brevet FR2130700A1 — publié le 19721103

i 2130700 La présente invention concerne la charge dans des conditions bien déterminées d'éléments de batteries secondaires électrochimiques et en particulier la charge relativement rapide d'éléments sans qu'une surveillance soit nécessaire. 5 On sait depuis longtemps qu'un chargeur de batteries avanta geux serait un chargeur qui chargerait complètement les éléments d'une batterie en un temps relativement court, sans nécessiter de surveillance. Une autre caractéristique avantageuse donnerait la possibilité à l'utilisateur de laisser la batterie raccordée au 1Q chargeur, même pendant des. périodes prolongées, sans craindre de 1'endommager. Bien que les chargeurs classiques de batteries puissent amener la tension de la batterie à la valeur désirée en un intervalle de temps relativement court, il arrive souvent que le chargeur maintienne la batterie à cette tension constante, ce qui 15 a pour conséquence qu'elle est finalement détruite par excès de charge. Pour remédier à cet inconvénient, on a souvent abaissé la tension de charge ce qui nécessite des opérations plus longues pour atteindre le pourcentage de charge désiré. Certains chercheurs de la technique antérieure ont avantageu-20 sement tiré parti des caractéristiques de commutation des redresseurs commandés au silicium (SCR) pour mesurer la valeur de la tension de la batterie et détourner le courant de charge de cette batterie quand celle-ci a atteint sa tension de fin de charge. Bien que ce type de circuit ait donné en général satisfaction pour 25 les applications pour lesquelles il a été créé, les caractéristiques des divers circuits sont telles que le redresseur commandé au silicium en parallèle ne s'amorçait pas toujours ou s'amorçait tard pendant la période du courant alternatif (en réponse à la diminution naturelle de tension de l'élément ou de la batterie 3Q qui réduit l'amplitude du signal appliqué à la gâchette du redresseur commandé au silicium). Cela a pour conséquence que le circuit de charge laisse passer périodiquement des impulsions de char' ge de grande intensité, très souvent préjudiciables, en direction des éléments de la batterie. Ce type de circuit n'a pas toujours 35 la précision nécessaire pour de nombreuses applications. On peut trouver des indications concernant la technique^ anté- categorie rieure dans la classification du United States Patent Office,/ 320 ; électricité, batterie et charge et décharge des condensateurs. On trouve des exemples de l'état actuel de la technique 72 10514 2130700 dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique noS3 159 155)3 278 823 ; 3 417 308. ; 3 436 639 et 3 531 J06. La présente invention a po'ur objet un circuit de charge de batterie capable de charger rapidement et complètement une batte-5 rie et d'arrêter automatiquement ensuite la charge pour empêcher la détérioratiori de ses éléments, et qui comporte un circuit en parallèle comprenant un redresseur commandé, dans lequel ledit redresseur peut s'échauffer et-réagir à cet échâuffement en arrêtant avec précision et sans dommages la charge. 1Q Elle est aussi destinée à, la suppression des pertes résultant de la dissipation d'une forte puissance pendant et après le changement du régime de charge, la réalisation d'un régime de charge en deux phases pour charger rapidement la batterie presque complètement et lui appliquer ensuite une charge d'entretien prédéter-%5 minée. Enfin l'invention a aussi pour objet des circuits électroniques^ destinés à un chargeur de batterie;qui comportent un nombre minimal de composants et sont peu coûteux. Ces objets, ainsi que d'autres, sont atteints et les inconvé-2Q nients de la technique antérieure sont éliminés grâce à la mise en oeuvre de l'invention de la manière décrite ci^après. Les circuits de charge d'une batterie selon l'invention comportent un circuit de charge constitué par m commutateur à semiconducteur, par exemple ion transistor, raccordé à la batterie à 25 charger et alimenté de préférence par une source de courant alternatif redressé. Le circuit de commande comprend une branche en parallèle constituée par un redresseur commandé comportant une électrode de commande ou gâchette et me résistance série destinée à polariser l'électrode de commande (par exemple la base du tran-30 sistor) du dispositif de commutation à semi-conducteur sus-men-tionné. La gâchette du redresseur commandé est reliée à un diviseur de tension, par exemple un potentiomètre, en parallèle sur la batterie à charger. La tension de déclenchement de l'électrode de commande du redresseur commandé est fixée en agissant sur le 35 diviseur de tension de manière à amorcer le redresseur commandé et à détourner le courant de la batterie quand la tension de celle-ci a atteint sa tension prédéterminée de fin de charge correspondant à la charge quasiment complète de la batterie. L'influence de la température sur le_ déclenchement du redresseur commandé est ef- 72 10514 2130700 fectivement employée pour réduire le courant et la tension de charge appliqués à la hatterie pour empêcher tout excès de charge, tout en maintenant la batterie•chargée à fond. Une charge d'entretien peut être réalisée en branchant en parallèle sur le disposi-5 tif de commutation une résistance convenablement choisie. Le chargeur de batteries, selon l'invention, est considéré comme particulièrement intéressant pour la charge d'éléments électrochimiques secondaires étanches tels que les éléments étanches de batteries au nickel-cadmium, au bioxyde de manganèse et base, 1Q au nickel-zinc et au plomb et acide. Ce chargeur est également utile pour la charge de batteries d'accumulateurs classiques et analogues. Bien que le chargeur selon l'invention puisse être employé de toutes les manières indiquées ci-dessus, l'invention n'est pas limitée à ces applications particulières. 15 D'autres objets et avantages de la présente invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation et en référence aux dessins annexés dans lesquels les mêmes numéros de référence se réfèrent au même J elément : 20 . la figure 1 représente schématiquement une réalisation pré férée du chargeur selon l'invention ^ la figure 2 représente une variante des circuits de charge selon l'invention j la figure 3 représente un redresseur destiné à débiter le 25 courant de charge j et la figure 4 représente sous forme de courbes les courants de charge et la tension appliqués aux bornes du chargeur de batteries, en fonction du temps. La figure 1 représente une batterie B1 à charger, qui peut 30 être constituée par un ou plusieurs éléments. Une source de courant électrique destinée à charger la batterie est constituée par un transformateur T1 avec un enroulement primaire 10 et un enroulement secondaire 12, le primaire étant alimenté par une source appropriée telle que le secteur alternatif industriel 115 V, 50 Hz, 35 ou analogue. Un disjoncteur et un fusible de protection, non représentés, peuvent être incorporés à titre de protection contre les défaillances de l'appareillage. L'enroulement secondaire 12 comporte les bornes de charge 14 et 16. Le courant en provenance des bornes de charge est débité à 72 10514 « 2130700 travers la résistance RI .qui, associée à l'impédance du transformateur et à d'autres impédances du circuit, sert à limiter le courant de charge débité au départ par le chargeur. La batterie est alimentée en courant par un transistor NPN Q1 en série avec une 5 diode CRI qui protège la jonction base-émetteur de Q1 d'une polarisation inverse et redresse une alternance du courant débité par le transformateur. Le courant appliqué à la base du transistor Q1 arrive par une résistance de polarisation R2 qui est elle-même en série avec une résistance R3 et limite en même temps le courant 1Q passant par le redresseur commandé SCRl qui comporte une anode 20, une cathode 22 et une gâchette 24. Cette gâchette 24 est branchée, par un circuit diviseur de tension, en parallèle sur la batterie et est constitué par vin potentiomètre comportant une résistance R5 et un curseur mobile 18. 15 La résistance R4 est branchée aux bornes du transistor Q1 et est destinée à limiter le courant de charge à faible régime afin d'appliquer une charge d'entretien à Bl. Comme l'indiquent les traits interrompus, les résistances R2 et R3 sont en contact thermique avec le redresseur commandé au 20 silicium SCRl. On peut modifier le montage de la figure 1 sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, au lieu d'employer un redresseur pour une alternance, comme représenté, on peut employer un redresseur à deux alternances, semblable au circuit à prise mé-25 diane représenté sur la figure 3 et comportant des diodes CR2 etr CR2',ce qui a pour avantage d'alimenter les circuits de charge de la figure 1 avec une diminution de 50% du rapport courant maximal/ courant moyen, tout en ne modifiant pas l'intensité du courant de charge. D'autres variantes particulières sont décrites ci-après. 30 Le fonctionnement des circuits de la figure 1 est le sui vant : si l'on admet que la batterie Bl est incomplètement chargée au départ, la tension de sortie du circuit redresseur-transformateur dépasse la tension aux bornes de la batterie et Q1 est polarisé de manière à être conducteur (sa jonction émetteur-base est 35 polarisée dans le sens direct, et sa jonction collecteur-base est polarisée dans le sens inverse) par R2. Un circuit principal est ainsi réalisé pour le courant de charge passant par Q1 et l'intensité du courant est limitée par la résistance RI et par l'intensité du courant appliqué à la base de Q1 grâce à un choix con- 72 10514 5 2130700 yenable de R2, La tension de déclenchement de la gâchette, du redresseur commandé au silicium SCRl ,est réglée par la résistance R5 formant diviseur de tension'si bien que le redresseur SCRl ne s'amorce que lorsque la tension de la batterie a atteint sa va-5 leur limite de fin de charge qui correspond à une charge presque complète (par exemple au moins $0%) de la batterie. Par conséquent, au début du fonctionnement du circuit, il ne passe aucun courant par R3 et le redresseur commandé au silicium SCRl j la batterie continue à se charger à travers le transistor Q1 et vers 1Q la fin de la charge sa tension augmente et applique à la gâchette du redresseur commandé SCRl une tension suffisante pour polariser dans le sens direct sa jonction gâchette-cathode afin de provoquer . éventuellement son amorçage. Le passage du courant résultant par R2, R3 et le redresseur commandé SCRl dégage de la chaleur et, 15. étant donnée la liaison thermique entre R2, R3 et le redresseur commandé SCRl, ce redresseur s'échauffe davantage. Etant donné que le courant de base du transistor Q1 est très faible, le redresseur commandé SCRl n'a pas été chauffé de façon appréciable j par R2 avant l'instant où il a été rendu conducteur. 20 Etant donné que la température du redresseur commandé conti nue à s'élever et que la température de la jonction augmente, la tension du déclenchement de sa gâchette est abaissée, ce qui facilite l'amorçage du_redresseur commandé au silicium, avec un effet de régénération/se^termine quand le redresseur commandé est amorcé 25 pendant toute la durée de chaque alternance positive. Un courant de chauffage appréciable passant par la branche en dérivation constituée par R2, R3 et le redresseur commandé SCRl, maintient ce dernier amorcé pendant tout le reste du cycle de charge. Ce courant-shunt est limité par R2 et R3« Le chute de tension aux bornes 30 de R2 a rendu la base du transistor Q1 moins positive que l'émetteur, de manière à bloquer pratiquement Ql. Le courant de charge de la batterie est déterminé maintenant par R4 qui est choisi de manière que seulement un faible courant de charge d'entretien soit appliqué à la batterie. L'intensité de ce courant de charge d'en-35 tretien est choisie do manière à maintenir la batterie complètement chargée, mais sans dépasser la charge maximale. Si R2 et R3 sont convenablement choisis, lorsque la batterie a atteint sa tension de fin de charge et que le redresseur commandé au silicium SCRl commence à conduire, Ql est polarisé, se- 72 10514 6 2130700 Ion une variante, de 1'invention, dç manière à laisser passer une charge d'entretien prédéterminée sans ayoir besoin d'une résistance en dérivation. Dans une autre variante, on peut supprimer dans certains cas la résistance R3 et la remplacer par un court-5 circuit afin d'augmenter le courant dans le redresseur commandé SCRl afin de 1''échauffer plus rapidement que si R3 était incorporé. On voit donc que les résistances des bpanches en parallèle R2 et R3 peuvent être choisies de manière à les adapter aux conditions de charge de la batterie particulière à charger. En ti-10 rant parti de l'effet de 1'échauffement sur les conditions d'amorçage du redresseur commandé SCRl, le courant de charge de la batterie peut être coupé rapidement, ou réduit progressivement, de manière à satisfaire aux besoins spéciaux de la batterie, suivant l'importance de 1'échauffement toléré du redresseur commandé. 15. Dans une autre forme de réalisation, le diviseur de tension peut être constitué, de la manière habituelle, par un simple diviseur à résistance dans lequel chaque résistance est choisie de manière à appliquer une tension appropriée aux bornes de la jonction gâchette-cathode du redresseur commandé SCRl. Par ailleurs, 20 le diviseur de tension peut être constitué par le potentiomètre représenté sur la figure 1, branché en série avec une résistance additionnelle reliée à la borne positive de la batterie Bl pour rendre l'ajustement du point de changement du régime de charge par R5 beaucoup moins délicat. 25 Si l'on examine la figure 4, l'emploi effectif de l'échauffe- ment du redresseur commandé SCRl selon l'invention permet au chargeur d'amener la tension d par élément rapidement à sa valeur de fin de charge a, tout en définissant avec précision le point de changement du régime de charge et réduisant/tension moyenne de 30 l'élément (représentée par la courbe I) à vin niveau sans danger pour empêcher tout excès de charge quand le redresseur commandé SCRl commence à conduire. Si l'on n'utilise pas l'effet de l'é-chauffement sur les conditions d'amorçage du redresseur commandé, ce dernier ne sera jamais complètement amorcé pendant la totalité 35 de l'alternance positive et des maxima de grande intensité du courant de charge passeront périodiquement par le transistor Ql en direction de la batterie j la tension moyenne de la batterie restera égale à sa valeur élevée représentée par la courbe P, avec de gros risques de détérioration des éléments. 72 10514 2130700 Par ailleurs, sur la figure 4? la référence b représente l'instant où le redresseur commandé SCRl commence à conduire, la référence £,l'intensité du courant de charge d'entretien et la référence e_,l'intensité du courant de charge. Comme on l'a expli-5 qué ci-dessus, on peut tirer parti des variations de température du redresseur commandé SCRl en mettant les résistances R2 et/ou R3 en contact thermique avec le redresseur commandé. L'utilisation effective de l'échauffement peut également être réalisée grâce à 1'auto-échauffement du redresseur commandé. Ce dernier procédé 10 peut être mis en oeuvre en supprimant le refroidisseur ou tout autre dispositif extérieur de dissipation de la chaleur dégagée dans le redresseur commandé ou bien en employant un refroidisseur relativement petit pour laisser subsister une dissipation convenable de la chaleur, de manière à empêcher la destruction du re-15 dresseur commandé. On peut aussi employer toute combinaison convenable d'auto-échauffement et de liaison à une source extérieure de chaleur. Un critère important est le suivant : le dispositif de chauffage est lié au niveau de charge de la batterie ou déterminé par ce niveau. Dans une autre variante, le redresseur com-20 mandé SCRl peut être lié thermiquement à la batterie Bl de manière à mesurer l'échauffement de cette batterie et réagir à ce dernier quand sa tension se rapproche de celle de fin de charge. Une autre variante est représentée sur la figure 2 ; dans cette variante un redresseur commandé au silicium SCR2. comportant 25 une anode 30, une cathode 32 et une électrode 34 de commande (ou gâchette) joue le rôle de commutateur à semi-conducteur à la place du transistor de la figure 1. Ce circuit fonctionne en principe de la même manière que le circuit de la figure 1, avec détournement du courant de la batterie par un redresseur commandé SCRl 30 branché en parallèle, lorsque cette batterie atteint sa tension de fin de charge et une tension de déclenchement correspondante de la gâchette est ainsi appliquée au redresseur commandé SCRl pour le rendre conducteur. Une charge d'entretien est ensuite réalisée grâce à un choix convenable de la résistance R4 branchée 35 en série avec la diode CR3 ne laissant passer le courant que dans un seul sens. Les résistances R2 et R3 sont choisies de manière à rendre le redresseur commandé SCR2 conducteur dans les conditions normales ; pour cela il faut rendre la gâchette 34 plus négative que la cathode 32 du redresseur commandé SCR2 (application d'une 72 10514 8 2130700 tension positive entre la cath.ode et la gâchette) quand le redresseur commandé SCRl est amorcé. Dans ce mode de fonctionnement, le redresseur commandé SCR2 n'est pas conducteur tandis que le redresseur commandé SCRl est conducteur. Il va de soi que d'au-5 très dispositifs de commutation à semi-conducteurs (par exemple un interrupteur commandé au silicium) peuvent être employés en procédant à une modification simple. L'incorporation du transistor, représenté sur la figure l,est' avantageuse étant donné qu1 elle permet d'employer des résistances de faible puissance, diminuant 10. ainsi la dissipation de puissance après que le redresseur commandé SCRl a été verrouillé à l'état conducteur. Une autre caractéristique du chargeur selon l'invention est la variation du pourcentage de charge en fonction de la température ambiante. Plus précisément, si la température ambiante est 15 relativement élevée, le chargeur charge cette batterie à une tension moindre que quand la température ambiante est normale. De même, si la température ambiante est basse, la batterie est chargée à une tension plus élevée que pour une température normale. Cette caractéristique est avantageuse étant donné qu'une propriété 20 caractéristique des éléments électrochimiques est l'augmentation exponentielle indésirable du volume de gaz dégagé (par exemple H^ et/ou 0^) quand la température s'élève et/ou la tension augmente. A titre d'exemple pratique explicatif de l'invention, on emploie les circuits de la figure 1 comportant les composants, énumé- «])h étanches 25 rés ci-après pour charger deux éléments modèle/ Ei^ts-Unis d'Amérique, La resistan.ee au plomb-acide, de 2,5 A/h branchés en série ./R3 est court-cir-cuitée et R6 représente une résistance en série avec -R5 et reliée à la borne positive de Bl ; les composants en question sont les suivants : 30 R^ - 100 ohms R^ - 12 ohms R^ - 560 ohms Rr- - 250 ohms 5 R,- - 2 kilo-ohms 0 35 SCRl - type GEC107F1 CRI - diode 1N4001 - transistor Fairchild 2N3567 T. - 10 volts, 500 mA y oop y 72 10514 2130700 Il ya de soi que la présente inyention n'a été décrite qu'à titre indicatif mais nullement limitatif et qu'elle est susceptible tible de diverses variantes sans sortir de son cadre. gopy 72 10514 10 2130700 REVENDICATIONS l..~ Chargeur de batteries du type qui réduit ou arrête automatiquement la charge quand ladite batterie est près d'être complètement chargée et qui comporte une source de courant reliée à 5 ladite batterie par un dispositif de commutation à semi-conducteur, qui comporte lui-même une borne de commande, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit en parallèle sur ladite source de courant et qui comporte un élément résistif en série avec un redresseur commandé qui comporte lui-même une gâchette, une cathode re-10. liée à une borne de ladite source de courant et une anode raccordée audit élément résistif avec un point de raccordement entre eux deux, et ledit point de raccordement est raccordé à ladite borne de commande dudit dispositif de commutation et ledit redresseur commandé comporte un dispositif pour élever sa température pendant 15 sa conduction afin d'abaisser la différence de potentiel gâchette-cathode pour rendre le redresseur commandé conducteur, un diviseur de tension étant branché aux bornes de ladite batterie et ladite gâchette étant reliée audit diviseur de tension en un point prédéterminé correspondant à la tension pour laquelle le courant de 20 charge est supprimé ou réduit. 2.- Chargeur de batteries selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant débité par la source est redressé de manière à obtenir un courant continu. 3.- Chargeur de batteries selon la revendication 1, caràcté-25 risé en ce qu'une résistance limitant le courant est branchée en-, tre ladite source de courant et ledit dispositif de commutation. 4.- Chargeur de batteries selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un élément résistif est branché entre l'anode dudit redresseur commandé et ledit point de raccordement. 30 5»- Chargeur de batteries selon la revendication 1, caracté risé en ce qu'un élément résistif est branché en parallèle sur ledit dispositif de commutation pour entretenir la charge de la batterie une fois qu'elle est complètement ou presque complètement chargée. 35 6.- Chargeur de batteries selon la revendication 1, caracté risé en ce qu'une diode est branchée entre ledit dispositif de commutation et une borne de ladite batterie. 7.- Chargeur de batteries selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un élément résistant est branché entre le diviseur 72 10514 2130700 de tension et. une borne de ladite batterie. 8.- Chargeur de batteries selon la revendication 19 caractérisé en ce que ledit redresseur commandé est lie par conducti-vité thernique audit élément résistif branché en sërie3 ou auxdits 5 deux éléments résistifs branchés en série ou encore à la batterie à charger. Chargeur de batteries selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif de commutation est constitué par un transistor îîPlî dont la base correspond à ladite borne de 10 commande. 10.- Chargeur de batterie selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif de commutation est un redresseur commandé au silicium. 11.- Chargeur de batteries selon la revendication 1, caracté-15 risé en ce que ledit redresseur commandé est m redresseur commandé au silicium. 12.- Chargeur de batteries selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit redresseur compiandé a la liberté de s'échauffer en étant isolé presque complètement des organes de dissipation 2Q de la chaleur en direction de l'extérieur.