Brevet FR2239774A1 — publié le 19750228

la présente invention concerne un dispositif de repérage de l'état de charge d'un accumulateur électrique destiné plus particulièrement au contrôle d'une batterie d'alimentation d'un véhicule électrique. Un des problèmes importants dans l'utilisation des véhicules électriques réside dans la mesure de consommation d'énergie de la batterie d'alimentation, aussi bien pour la charge# que pour la décharge et réside donc dans le contrôle, àiout instant, de ltétat de charge de la batterie, c'est-àdire de la quantité d'électricité disponible aux bornes de cette batterie. Pour ce faire, il est nécessaire que chaque véhicule électrique soit équipé d'un instrument apte à renseigner l'utilisateur sur l'état de charge ou de décharge de la batterie en tenant compte des possibilités de celle-ci, c'està-dire de sa capacité pour une intensité de courant de décharge déterminée et de son rendement. les dispositifs connus jusqu'à ce jour sont de deux types. D'une part, les ampèreheuremètres classiques constitués par un moteur branché aux bornes d'un shunt, c'est è-dire d'un élément délivrant une tension proportionnelle à l'intensité du courant qui circule dans le circuit dans lequel il est monté La vitesse du moteur est proportionnelle à la tension aux bornes du shunt et ce dispositif indique la quan tité d'électricité consommée pendant un certain temps, ~sur un cadran gradué directement en ampère-heures. L'inconvénient de ce système est d'etre particulièrement encombrant -et d'un prix de revient élevé. D'autre part, le dispositif "CCRvIs" est fondé sur la variation de là position d'un index électrolytique dans un tube capillaire rempli de mercure. Le déplacement de cet index est proportionnel au courant consommé et la lecture est faite au moyen d'un galvanomètre. les principaux inconvénients de ce dispositif sont qui est particulièrement fragile et d'un prix de revient élevé. Le but de la présente invention est d'éviter ces inconvénients à 11 aide d'un dispositif donnant à chaque instant et avec une grande précision l'état de charge d'une batterie et compte tenu des caractéristiques de celle-ci. Selon une première caractéristique de l'invention, le dispositif de repérage de l'état de charge d'une batterie reliée à un circuit extérieur de charge et de décharge comporte - un élément résistif monté en série en un point du circuit extérieur délivrant une tension proportionnelle, à chaque instant, à l'intensité en ce point - un moyen intégrateur dans le temps délivrant un signal de commande significatif de la charge ayant transité dans le circuit extérieur - un moyen de commande produisant une impulsion chaque fois que le signal de commande atteint un seuil prédé terminé - un moyen compteur-décompteur et de visualisation variant d'une unité à chaque impulsion émise, le signal de commande étant remis à zéro à chaque émission d'une impulsion de commande, Ce dispositif comporte également un moyen de commutation apte à inverser les bornes de sorti#e de l'élément résistif lors du changement de sens du courant dans le circuit extérieur et apte à faire compter ou décompter le moyen compteur-décompteur suivant le sens du courant dans le circuit -extérieur. le moyen de commande comporte un amplificateur diffdrentiel, une tension de- D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront à la lecture de la description détaillée qui va suivre faite en référence au dessin annexé donné uniquement à titre d'exemple non limitatif pour illustrer un mode de realisation préférentiel de l'invention et sur lequel : - la fig. 1 est une courbe de la capacité de la batterie en fonction de son intensité de décharge - la figo 2 est un schéma général du dispositif selon l'invention - la fig. 3 est un schéma détaillé du dispositif selon l'invention ; et - la fig. 4 est une courbe d'essai. Le paramètre caractérisant l'état de charge d'une batterie est la quantité d'électricité exprimée en ampère heure (tH) Bmmagasinée dans cette batterie, pour restituer ensuite une autre quantité d'électricité et liée directement au régime de décharge et donc à l'intensité de courant de décharge. Si l'on suppose l'intensité constante tout au long de la décharge, law quantlté d'électricité délivrable par la batterie est parfaitement définie (fig. 1). l'utilisation de batterie pour l'-alimentation de véhicules électriques ne permet pas de conserver un courant de décharge constant. En particulier, en utilisation urbaine, la variation de ce courant est très importante, ceci étant dû -notamment aux différences de vitesses de circul#ation, aux arrêts et aux démarrages fréquents. Sn utilisation sur routes, le -cou- rant de décharge est soumis à beaucoup moins de variation et il est possible de déterminer alors la capacité de la batterie Si, en utilisation urbaine, l'intensité moyenne de décharge est 12 et donc la capacité de la batterie C2 et si l'on note li l'intensité de décharge sur route et Ci la capacité correspondante de la batterie, il convient de déterminer une intensité moyenne I correspondant à une capacité C de la batterie ; cette intensité I ne peut être déterminée que par de nombreux essais; la consommation maxiamm alors utilisable et qu'il ne faudra en aucun cas. dépasser sous peine de détérioration de la batterie est : C x 80 C mas = 100 On décrira maintenant le dispositif de l'invention en se référant plus particulièrement aux fig. 2 et 3. Dans le circuit extérieur de charge ou de décharge monté entre les bornes de la batterie, est monté, en série, un shunt i qui est un élément résistif aux bornes duquel est prélevée une tension proportionnelle à 11 intensité du courant qui traverse cet élément et qui est le courant de charge ou de décharge de la batterie. le signe de cette différence de potentiel dépend du sens de circulation du courant dans le circuit extérieur et varie donc lors du passage du régime de charge au régime de décharge et réciproquement, Vaux bornes de ce shunt est monté un inverseur commandé 2 dont une borne de sortie est à la masse et l'autre borne délivre une tension de signe constant, quel que soit le sens du courant0 Cet inverseur est, au repos, dans la position pour laquelle la tension de strtie est positive lors de la décharge de la batterie. En cas de charge de la batterie, un relais alimenté par la tension secteur le fait basculer pour que la tension de sortie reste positive malgré l'inversion du sens du courant. Â la borne de sortie de cet inverseur, est connecté un intégratéur 3 qui délivre une tension ou signal de commande obtenu par intégration par rapport au temps de la tension délivrée par le-shunte Ce signal de commande est directement proportionnel à îa quantité d'électricité qui a transité.dans le circuit extérieur, dans un seul sens, à partir du début de l'intégration.En cas de charge, par exemple, le signal de commande sera constamment croissant tant qu'un courant de charge circulera dans le circuit extérieur. de signal de commande-est envoyé sur l'entrée non inverseuse d'un amplificateur différentiel qui constitue un comparateur 4 dont 11entrée inverseuse est maintenue à un potentiel fixe ou tension de référence. Dès que le signal de commande atteint la tension de référence, l'amplificateur différentiel laisse passer un signal, qui, après amplification 5, actionne un relais 6. Ce relais 6, dès réception du signal, remet à zéro lfintégra- teur 3 et d'autre part, incrémente d'une unIté un système compteur-décompteur à affichage numérique 7. Dès que le signal de commande atteint de nouveau la tension de référence, le relais 6 est encore une fois actionné et le compteur est de nouveau incrémenté d'une unité.En cas de décharge, après actionnement de l'inverseur qui commute également la sortie du relais sur l'entrée décomptage,'le comparateur 4 délivre de même un signal lorsque le signal de commande atteint la tension de référence et actionne ainsi le relais 6 qui décrémente le système compteur-décompteur à affichage numérique, l'intégrateur 3 est un amplificateur opérationnel monté en intégrateur avec un circuit RC monté entre l'entrée et la sortie. l'entrée inverseuse de cet amplificateur opérationnel est maintenue à la masse.Sachant que la consommation maximum ne peut pas dépasser 80 # de la capacité de la batterie, il est intéressant d'agencer le circuit RC de manière telle que la constante de temps RC de l'intégrateur 3 soit différente pour la charge et la décharge de manière que l'utilisateur n'ait pas a se soucier de conserver une marge, à la lecture du système d'affichage numérique. la résistance est composée d'une résis tancez et d'un atténuateur variable P montés en série, Âux bornes de cette résistance R, est monté un interrupteur commandé X qui, en cas de charge, est ouvert et, en cas de décharge, est fermé. En cas de décharge, la constante est P.Ca et en cas de charge la constante de temps est (P + R) 0 Ca. Chaque impulsion délivrée par le comparateur 4 correspond, dans le cas de la charge, à une quantité d'électricité plus élevée passant dans le circuit extérieur que dans le cas de la décharge. Si le rapport des quantités d'électricité de charge et de décharge pour une impulsion, est sensiblement de 80#%, l'utilisateur pourra décharger la batterie jusqu'à zéro le système d'affichage numérique sans que cela corresponde à une décharge complète de la batterie et il lui restera alors la marge de sécurité nécessaire à la préservation de cette batterie, L'interrupteur E aux bornes de la résistance R est commandé par un relais qui peut 8trie alimenté par la ten sinon secteur et qui peut donc être actionné en cas de charge. Au repos, cet interrupteur sera donc fermé. la restitution-de la batterie dimunuant progressivement en fin de durée de vie, un étalonnage, puis une modification sur l'atténuateur variable P permettent d'éviter une détérioration trop rapide de la batterie par de fréquentes inversions de polarité0 Aux bornes de la capacité Ca de l'intégrateur, et en parallèle sur celle-ci, est monté un interrupteur J actionné par le relais 6 et qui, lors de sa fermeture, relie les bornes de la capacité Ca et décharge donc celle-ci. Le signal de commande est envoyé sur l'entrée non inverseuse de l'amplificateur différentiel du comparateur 4 dont l'entrée inverseuse est maintenue à une tension de référence constante par un pont diviseur et une diode Zener. L'amplificateur différentiel du comparateur 4 est bloqué tant que le signal de commande de l'intégrateur 3reste inférieur à la tension-de référence lorsque le signa-de commande atteint la tension de référence, l'amplificateur différentiel laisse passer un signal qui est amplifié à l'aide de l'amplificateur 5 constitué, par exemple, de deux transistors N P N montés en Darlington. Cet amplificateur 5 délivre un signal qui excite le relais 6. Ce relais, une fois excité, remet à zéro l'intégrateur 3 par l'intermédiaire de l'interrupteur J et envoie une impulsion au système compteur-décompteur. Si la batterie est en charge, cette impulsion est envoyée à l'entrée compteur et si elle est en décharge elle est envoyée à l'entrée décompteur. le système compteur-décompteur peut entre du type électromagnétique à deux bobines de commande, l'une de ces bobines étant excitée en charge et l'autre étant excitée endécharge lors de la première charge de la batterie, le système d'affichage permet de visualiser un certain nombre d'impulsions et lors de la décharge, ce nombre sera diminué d'une quantité correspondant au niveau de décharge. A la charge suivante, il sera de nouveau augmenté et ainsi de suite, ce qui permet, connaissant le nombre maximum d'impulsions, c'est-àdire le nombre d'impulsions correspondant à une charge complète, de-connaitre a chaque instant l'état de charge de la batterie. les différents éléments de ce dispositif nécessitent une alimentation continue à deux polarités opposées par rapport à la masse. Cettè alimentation peut entre obtenue par un pont diviseur, à point milieu à la masse, branché aux bornes d'une batterie auxiliaire ou d'un certain nombre de piles montées en série.De préférence, elle est obtenue par un oscillateur branche aux bornes d'une source continue, ledit oscillateur débitant dans le primaire d'un transformateur, le secondaire étant relié à un redresseur, ce qui permet d'obtenir une alimentation continue séparée galvaniquement de la source et donc protégée des courants parasites et autres sources d'erreur provenant de cette dite source, la figure~4 est la courbe du nombre d'impulsions -en fonction du niveau de la tension délivrée par le shunt en supposant celle-ci constante pendant toute la durée de l'inté giration0 Cette courbe a été obtenue par essais avec une capacité Ca de 1 ji X, une résistance de 51 kir~, une intégration pendant 1 minute et une tension de référence de 2,4 V, Avant l'utilisation du dispositif, il est nécessaire de l'étalonner, e'est-à-dire de déterminer le nombre d'impulsions eorrespondant à un certain régime de décharge, Par exemple, une batterie équipée dtun shunt 300 A - 0,1 V se décharge-avec une intensité 1d = 150 A. Cette intensité de courant de décharge donne une capacité de 200 AH à la batterie et il s'agit de déterminer le nombre d'impulsions correspondant à une décharge de 200 AH. le shunt donne alors une tension de 50 mV et la décharge durera t = ### x 3600 = 4800 s. Le signal de commande est donc : avec V5 : signal de commande. Ve : tension aux bornes du shunt. T : durée de la décharge. ROCa : constante de temps de l'intégrateur qui est ici de 51 m.s, Donc Vs = - 1 . 50.10-3.48.10-2 51.10-3 Vs = 4700 V. la tension de référence étant 2,4 V, le nombre d'impulsions est : N = 4700 = 1960 impulsions. 2,4 Une décharge de 200 AH correspond donc à 1960 impulsions. Ce nombre d'impulsions est la limite de consommation de la batterie. Il peut être particulièrement intdres- sant de faire varier la résistance R pour que la limite de consommation corresponde à un nombre d'impulsions plus simple (1000 - 2000) ou au maximum du calibre du compteur (999 - 9999). Pour que le maximum de décharge corresponde à 999 impulsions, il serait nécessaire de régler la résistance R à 100 K# . L'existence de l'atténuateur variable P permet donc dtadapter le dispositif aux caractéristiques de la batterie0 Bien entendu, certaines variantes sont possibles sans sortir du cadre de la présente invention. tes différents ensembles constitutifs, c'est-àdire le shunt, l'inverseur, 1' intégrateur, le comparateur, l'amplificateur, le relais, le système compteur-décompteur à affichage numérique et l'alimentation peuvent être réalisés de façon différente et connue de l'homme de l'art. La présente invention est caractérisée surtout par la combinaison de ces différents éléments. Il est par exemple possible, dans l'intégrateur, de remplacer-la résistance R, l'interrupteur K et l'atténtmteur P par une résistance fixe ce qui nécessite de la part de l'utilisateur de faire recharger sa batterie avant que le nombre d'impulsions affichées soit revenu à zéro. Le système compteur-décompteur peut entre un compteur simple du type électromagnétique n'effectuant le comptage que dans un sens. Il est alors nécessaire de le remettre à zéro à chaque début de charge et à chaque début de décharge. Ce système peut être également un moteur pas à pas équipé d'une aiguille se déplaçant sur un cadran. la réversibilité de ce moteur permet le fonctionnement en charge ou en décharge, REVE#I CÂTIORS 1. Dispositif de repérage de l'état de charge d'une batterie reliée à un circuit extérieur de charge ou de décharge, pour véhicuie électrique caractérisé en ce qu'il comporte - un élément résistif monté en série en un point du circuit extérieur délivrant une tension proportionnelle à chaque instant à l'intensité en ce point ;; - un amplificateur opérationnel relié à l'élément résistif par deux éléments de résistance en série et bouclé par une capacité pour délivrer un signal de commande significatif de la charge ayant transité dans le circuit extérieur - un moyen de commande produisant une impulsion chaque fois que le signal de commande atteint un seuil prédé- terminé - un moyen compteur-décompteur et de visualisation variant d'une unité à chaque impulsion émise, le signal de commande étant remis à zéro à chaque émission d'une impulsion de commande ; ; - un premier moyen de- commutation commandé apte à inverser les bornes de sortie de l'élément résistif lors du changement de sens du courant dans le circuit extérieur et à faire compter ou décompter le moyen compteur-ddeompteur suivant le sens du courant dans le circuit extérieur ; - un deuxième moyen de communication commandé apte à court-circuiter ou mettre en service l'un desdits éléments de résistance selon que la batterie est en décharge ou en charge pour produire un taux de comptage différent du taux de décomptage du moyen compteur-décompteur, les premier et deuxième moyens de commutation étant commandés par la source de puissance utilisée pour charger la batterie.