Brevet FR2413799A1 — publié le 19790727

la présente invention a trait à un procédé pour la charge rapide d'accumulateurs étanches au nickel-cadmium, dans lequel le courant de charge est coupé quand une valeur déterminée de la charge est atteinte. les accumulateurs au nickel-cadmium (accumulateurs, batteries, éléments mC), en raison de leur propriété d'accumuler de relativement grandes quantités d'énergie sous un faible volume, suscitent de plus en plus d'intérêt, en particulier pour l'emploi dans les appareils mobiles. Toutefois, dans la pratique, le fait que les procédés de charge connus jusqu'à maintenant soient liés à une série d'inconvénients n'est pas satisfaisante. Une charge s'étendant sur une longue période, par exemple 15 heures, va à l'encontre de l'exigence selon laquelle le matériel doit être le plus possible prêt à l'emploi. Avec des constructions particulières d'élément, en particulier l'utilisation d'électrodes frittées, on obtient de faibles résistances internes qui présentent l'avantage de permettre des courants de charge élevés avec un faible échauffement. De tels éléments NO ont été chargées jusqu'ici jusqu'à 1 C (C = Charge horaire ah), ce qui correspond à un temps de charge supérieur à une heure. (les éléments NC spéciaux vont jusqu'8 4 C). On connaît un procédé de charge d'une batterie dans lequel un courant de charge élevé est envoyé pendant un premier intervalle de temps donné, puis la charge à haute inten sitF est interrompue et la tension de la batterie est observée. Si la tension de la batterie baisse, avant la fin d'un intervalle de temps déterminé, jusqu'à une valeur déterminée, le courant de charge est de nouveau envoyé, jusqu'à ce que, dans un intervalle de temps déterminé après coupure du courant, la Paleur.de la tension ne chute plus de la valeur déterminée. (Demande de brevet allemand N 2.208.465). On connaît encore un procédé pour constater la fia de la charge complète d'un accumulateur, dans lequel, à des intervalles de temps réguliers, le courant de charge est interrompu pendant une durée correspondant au moins à la constante de temps de la résistance interne et d'un condensateur monté en parallèle, et on mesure, sur la résistance, la variation de la tension aux bornes de l'accumulateur entre le début et la fin de l'interruption du courant de charge (demande de brevet allemand NO 2.012.614). Il est en outre connu, dans un dispositif pour charger une batterie, de prévoir un commutateur à commande de temps qui libère le commutateur de commande pour un branchement de l'appareil de charge seulement après écoulement d'un intervalle de temps déterminé à partir de la fin de l'opération de chargement précédente. (Demande de brevet allemand NO 2.456.055). De la façon dont fonctionnent les procédés connus de charge des accumulateurs, qu' ils utilisent comme indicateurs de charge de tension, la pression interne ou la température de l'élément, ou plusieurs de ces paramètres simultanément, on rencontre toujours l'inconvénient que ces indicateurs ne sont pas définissables physiquement et qu'il existe de forts écarts d'un élément à l'autre. L'incertitude est encore accrue par la dépendance réciproque des différents paramètres entre eux, tension, pression interne et température de l'élément. Les procédés connus ne permettent avec sécurité d'empêcher dans tous les cas une surcharge de l'accumulateur. Ceci est particulièrement critique dans les procédés de charge rapide car, lors d'un dépassement de la pleine charge, on observe une forte élévation de température et de pression, qui peut même conduire à une destruction de l'élément mC, bien que, la plupart du temps, des soupapes de sécurité soient prévues. Pour éviter dans la mesure du possible de parvenir à ce point critique, on coupe le courant le plus souvent avant le point de pleine charge, habituellement à 75% de la capacité nominale et on abaisse ainsi la capacité d'accumulation d'une valeur importante. L'invention a pourobjectiidecréer un procédé de charge rapide-d'accumulateurs au nickel-cadmium qui permette, avec des moyens simples, une coupure très précise peu avant le début d'ante surcharge. Â cet effet conformément à la présente invention, pour déterminer l'étant de charge prescrit, on ne mesure que la variation dans le temps de la tension de charge et on déclenche la coupure quand la courbe de tension de charge a atteint sa valeur maximale. Selon l'invention, on part du fait qu'il n'est pas nécessaire de surveiller la température et/ou la pression interne d'un élément NC, si l'on fait en sorte de connaître avec une précision suffisante le début d'une surcharge. Le début ae la surcharge peut être défini lors d'une charge rapide par une valeur de tension caractéristique de la courbe de tension de charge, à savoir par une tension de charge maximale après laquelle la courbe de tension descend. Si l'on coupe le courant quand on a atteint cette valeur de tension maximale du courant de charge, on empêche une surcharge avec certitude. D'un autre c8té, on s assure ainsi que l'élément NO est chargé, dans les conditions envisagées, jusqu'à la limite de sa capacité. Grâce au procédé selon l'invention, les éléments NO peuvent être chargés rapidement aussi souvent qu'on le désire jusqu'à la limite de la capacité de charge, sans qu'on ait à craindre le danger d'une explosition ou d'un autre genre d'endommagement de l'élément par suite surcharge. De cette façon, la durée de service escomptée d'un élément NC est fortement accrue par rapport à l'emploi des procédés de charge antérieurs, même si une légère surcharge ne peut pas être exclue avec certitude, et malgré un taux de charge considérablement plus élevé. Avec les procédés de charge connus jusqu'à maintenant, on peut atteindre des vitesses de charge allant jusqu'à 1 C, dans certains cas jusqu'à 4 C.Grâce à l'invention, on peut obtenir des vitesses de charge s'élevant jusqu'à 10 C. En même temps, un appareil de charge fonctionnant selon l'invention permet de charger des éléments NO ayant les divcrses valeurs de capacité usuelles. Les appareils de charge connus sont le plus souvent conçus pour une seule valeur de capacité. On a en outre constaté que la capacité maximale d'un élément NC après des cycles de charge répétés à intensité élevée, s'accroissait jusqu a environ 35%, contrairement à ce qui se passe avec les procédés dans lesquels la vitesse de charge est faible. Rapporté à la capacité de charge limitée jusqu'à maintenant à 75% de la valeur nominale, on obtient un gain en capacité disponible allant jusqu'à 235%. Ce gain se compose de la différence d'environ 3%' entre la capacité nominale et la capacité maximale et du gain de capacité mentionne ci-dessus de 35% dû à la charge à haute intensité.Ici on remarquera que l'on suppose que la plupart des fabricants prévoient pour leurs éléments "TO une capacité maximum dépassant de 3S la capacité nominale. Comme seulement un critère d'interruption unique est déterminant pour l'opération de charge raide, le prix d'un dispositif de coupure approprié pour la commande de la charge reste limité. Un autre avantage du procédé selon l'inventIon est qu'il est utilisable sans modification pour un nombre variable d'éléments. Pour obtenir la valeur maximale de la courbe de tension de charge, différentes méthodes sont possibles. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, il est prévu que la tension de charge instantanée et la tension de charge atteinte au bout d'un laps de temps donné avant la tension de charge instantanée sont mesurées et comparées et la coupure est commandée si après changement de signe, la différence des tensions de charge atteint une valeur déterminée. On exploite ici le fait que la différence entre les valeurs de la tension de charge à différents instants a un signe qui n'est pas le meme avant la valeur maximale de la tension de charge et après cette valeur maximale.Par le signe de la différence des tensions et llindi- cation d'une valeur déterminée de la différence, on peut définir un critère incontestable pour la couture du courant de charge, contrairement à tous les procédés connus, qu'ils prennent en considération la tension, la température et aussi la pression interne de l'élément, et interrompre normalement le courant de charge dès avant le point de pleine charge, afin d'éviter la surcharge. Selon une variante, on peut avantageusement mesurer la pente de la courbe de tension de charge et commander la coupure si la valeur de la pente est voisine de C par excès ou par défaut, c'est-a-dire dans un sens ou dans l'autre (+ O). Un dispositif de commande de charte d'accumulateur contient comme éléments de base : une source de courant un commutateur pour ladite source et un générateur de signaux, lequel actionne le commutateur correspondant à la source de courant en fonction de critères choisis wour la coupure ou la fermeture. Ce fonctionnement ne se fait, bien entendu, cue dans le cas d'une coupure automatique du courant de charge. Pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, selon un mode de réalisation avantageux, la tension de charge est appliquée d'une part directement à une entrée d'un comparateur et d'autre part, par l'intermédiaire d'un détecteur de tension de crête, à l'autre entrée du comparateur, dont le signal de sortie est envoyé au générateur de signaux. Le détecteur de tension de crête qui, dans le cas le plus simple, est un condensateur chargé par une diode, suit directement la courbe de tension de charge pendant l'opération de charge.Ce n'est que quand le maximum de la courbe de tension de charge est atteint et que celle-ci décroSt ensuite, que le détecteur de tension de crotte prend sa valeur maximale par suite de sa constante de temps relativement grande par rapport à la décharge du condensateur, de sorte que l'une des entrées du comparateur reçoit encore la valeur de la tension de crête quand la tension de charge a commencé à décrortre. Comme comparateur, on peut par exemple utiliser un a plificateur opérationnel qui, avec dans sa structure actuelle, a'a besoin que d'une tension différentielle de 0,1 millivolt pour basculer. Grâce à l'invention, le courant de charge est donc coupé, quand, par rapport à la valeur de la tension maxima, le courait de charge a baissé de 0,1 millivolt. Ceci correspond à une imprécision de beaucoup inférieure à 1%, de sorte que le domaine critique, c'est-à-dire la surcharge -critique d'un élément NC ne peut absolument pas être atteint. Dans une autre forme de réalisation avantageuse, on prévoit un détecteur de pente auquel on envoie la tension de charge et dont le signal de sortie est envoyé à une entrée d'un comparateur, à l'autre entrée duquel on applique une tension de référence. Comme source de courant de charge, on peut utiliser un appareil asuel branché sur le secteur et qui, toutefois, présente une ondulation de la tension d'alimentation à la fréquence du réseau, malgré l'emploi de moyens d'égalisation. La tension de charge peut donc être d'abord envoyée à un élément int ggrateur. Un déclencheur ou"rigger" de Schmitt peut servir à préparer le signal venant du comparateur, car il donne un signal de sortie à flancs uniformément raides, qui contient en outre une amplification par rapport au signal d'entrée. Dans le dispositif de coupure décrit ci-dessus comportant un détecteur de tension de crête, il est nécessaire, pour que la coupure se produise exactement, de dépasser momentanément d'une certaine quantité la valeur maximale de la tension de charge. Cette quantité est nécessaire pour établir la différence de tension nécessaire pour que le comparateur réponde. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, un élément sommateur ou soustracteur est connecté à la sortie du détecteur de tension de crête et le signal de sortie du détecteur de tension de crête peut être élevé ou abaissé d'une faible valeur par cet organe. Par l'addition d'une tension, nécessaire pour amener le comparateur à répondre, au signal de sortie du détecteur de tension de crête, la tension de coupure du comparateur peut être compensée et une coupure du courant de charge peut être effectuée exactement au sommet de la courbe de tension de charge. Comme interrupteur pour la coupure ou la fermeture de la source de courant de charge, on peut avantageusement prévoir une bascule RS. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être mise en oeuvre. La figure 1 est un graphique représentant les courbes de température (e) et de tension (U) d'un élément EC en fonction du temps (t). La figure 2 est un schéma d'un circuit pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. La figure 3 est un schéma plus détaillé du dispositif de la figure 2, et La figure 4 est un schéma d'une variante de réalisation. Le graphique de la figure 1 représente les variations des tensions de charge dans un procédé de chargement rapi de d'un élçmeit FC la référence 10 désignant la courbe de ouver e 1 belle a & n element tension d'un élément étanche aux gaz. La courbe de température 12 en fonction du temps se rapporte à un élément étanche aux gaz. On voit sur la courbe de la tension de l'élément étanche aux gaz, qu'au début de la charge, la tension croit avec une pente positive relativement faible (paliers de tension) et ensuite avec une pente plus forte jusqu a une valeur de crête qui correspond à 100C/I. Ceci sibnifie qu'à ce point la capacité de charge maximale de l'élément est atteinte. Cette valeur peut titre considérablement supérieure à la capacité nominale.Ensuite, la tension de charge décrort du fait de la surcharge de l'élément. À l'aide du montage décrit ci-après, on repère le maximum de la courbe de tension Il et l'on provoque la coupure du courant de charge. On constatera dès maintenant qu'il ne s'agit pas de la valeur absolue de la tension au maximum de la courbe de tension de charge mais seulement de l'instant où la tension de charge atteint ce maximum ou s'en approche. Pour l'application à un élément NC quelconque, ce point est d'autant plus important que la tension de l'élément varie largement pour la capacité maximale de charge, de même que la courbe de tension de charge qui ne peut pas être définie en valeur absolue. Selon le schéma de montage de la figure 2, la tension d'une source 20 est appliquée à une batterie d'éléments NC 22 à travers un circuit à intensité constante 21. La coupure ou la fermeture du circuit 21 est effectuée à l'aide d'une bascule RS 23 dont une entrée est connectée à un générateur de signaux 24 pour un signal de mise en circuit et dont l'autre est connectée à un générateur de signaux 25 pour un signal de coupure. Un commutateur 26 annexé au générateur de signaux 24 indique que la mise en circuit peut aussi être effectuée à la main. Une source lumineuse, par exemple une diode lumineuse 27 est en outre connectée à la bascule RS 23 pour indiquer l'état de charge. Par un circuit parallèle 28 qui court-circuite le dispositif à courant constant 21, un courant dit de maintien de charge est envoyé à la batterie 22 à partir de la source, pour maintenir la charge dans la batterie 10 une fois l'opération de charge terminée. Le générateur de signaux 25, comme indiqué, est excité par la tension de charge et peut alors transmettre la valeur de pointe de la courbe de tension de charge pour donner un ordre de coupure à la bascule RS. La façon dont ceci peut autre réalisé est visible sur le schéma de montage de l & figure 3 dans lequel les éléments de la figure 2 sont désignés par les mêmes références. La tension de charge d'un élément 22 est envoyée par une ligne 29 à un orgare intégrateur 30 dont la sortie est connectée à un détecteur de tension ce crête 31, dont la sortie est connectée à un organe 32 additionneur ou soustracteur. La sortie de l'étage 32 est branchée à une entrée d'un comparateur 33, par exemple un amplificateur opérationnel. La sortie de l'organe intégrateur 30 est en outre branchée directement par une ligne 34 à l'autre entrée du comparateur 33, dont la sortie est connectée à un déclencheur de Schmitt 34.La sortie du déclencheur de Schmitt 34 est connectée à l'entrée basse de la bascule RS 23 qui, comme déjà décrit en regard de la figure 2 commute le dispositif à courant constsnt 21. a sortie d'un deuxième comparateur 35 est connectée à l'entrée haute de la bascule RS 23, tandis qu'une entrée est connecte à la sortie de l'organe intégrateur 30. L'autre entrée du deu- xième comparateur 35 est connectée au bras mobile 36 d'un uotentiomètre 37 auquel est appliquée une tension de référence qui est fonction de la température. L'alimentation de la batterie 2 en courant de charge à partir de la source 20 a déjà été décrite en regard de la figure 2. Une diode lumineuse 38 est en outre connectée au dispositif de courant constant 21 pour indiquer l'opération de chargement. Comme on peut le voir, à la sortie de l'organe intégrateur 3C, il y a un signal de tension exempt de ;'influence du secteur, et Qui représente en permanence la tension de charge. Le signal de tension croissant est aussi prsent à la sortie du détecteur de tension de crête 31 car celui-ci suit directement les variations de la tension de charge. n suppo- sant que l'étage 32 n'additionne ni ne soustrait aucun signal, il existe alors une différence nulle entre les entrées du comparateur @3. Ceci ne change pas tant que la tension de charge croît positivement.Si, après avoir atteint la valeur maximale de la courbe de tension de charge, celle-ci comence à décroître, le détecteur de tension de crête 31 conserve toutefois ces valeurs emmagasinées pendant une période de temps déterminée, de sorte que les tensions appliquées aux entrées du comparateur 33 représentent les valeurs instantanées différentes de la variation de la tension de charge. Si la différence dépasse la valeur de commutation du comparateur, qui peut par exemple être d'un millivolt, le signal de sortie du comparateur 33 change et la bascule RS 33 est abaissée par le déclencheur de Scbaitt servant d'étage de valeurs de seuil pour couper le courant de charge. Au moyen de l'étage 32, le point de coupure peut autre placé légèrement en avant ou en arrière du maximum de la courbe de charge. Par addition par exemple de la tension de coupure du comparateur 33, cette tension peut être compensée et la coupure peut être placée exactement au maximum de la tension de charge. La résistance variable 39 connectée à l'étage 32 indique que l'on peut avoir une tension de référence variable. Par la ligne 40, la tension de charge est aussi appliquée au deuxième comparateur 35. Celui-ci est réglé de telle façon, par sa deuxième entrée à laquelle est appliquée une tension de référence compensée en température, que son signal de sortie est modifié quand la tension de l'élément 22 atteint une valeur inférieure donnée. Dans ce cas, la bascule RS 23 est relevée pour mettre en route 11 opération de chargement de 1'*lément 22. Dans le schéma de montage représenté sur la figure 4, les éléments du montage de la figure 3 sont désignés par les mules références. Au lieu d'un détecteur de tension de crête, on a toutefois prévu un détecteur de pente 31b (par exemple, dans Hirschmann, Dieter, amplificateur opérationnel IS BN 3-77 23-06 51-9, page 149) qui reçoit la tension de charge Ue et transmet dUe/dt et déclenche une coupure avec le comparateur 33 quand la mtme fraction dUe/dt = + O. Comme tension de comparaison URKF pour le comparateur 33, on prend habituellement une tension de référence. Pour une coupure lors d'une valeur de pente +O le point de coupure peut être déjà dans le domaine de pente négative pour une valeur même très petite et occasionner une surcharge. Pour empocher cela avec certitude, le petit domaine autour de la pente +O peut être compensé à l'aide de l'élément draddition ou de soustraction de tension des composants 32 et 39, Rnslogues au dispositif de la figure 3; en particulier, on peut prendre avantageusement pour la coupure un faible montant positif de la pente avant le maximum. Ainsi, on peut obtenir avec certitude une coupure exacte avant la surcharge, cependant toutefois au voisinage immédiat du maximum. Le dispositif de la figure 4 présente l'avantage que son prix et sa dépendance des perturbations sont minimaux. il va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et qu'il serait possible de les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de charge rapide d'accumulateurs au nickel-cadmium étanches, dans lequel une coupure du courant de charge est effectuée quand un état de charge prescrit est atteint, caractérisé en ce que, pour déteriner l'état de charge prescrit, seule la variation en fonction du temps de la tension de charge est mesurée et la coupure est effectuée quand la courbe de tension de charge a atteint sa valeur maximale. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tension de charge instantanée et la tension de charge atteinte un certain temps avant la tension de charge instantanée sont mesurées et comparées et la coupure est effectuée quand, après changement de signe, la différence des tensions de charge a atteint une valeur prescrite. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pente de la tension de charge est mesurée et la coupure est effectuée quand la valeur de la pente est +0. 4. Circuit électrique pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 avec un dispositif de commutation pour la source de courant et un générateur de signaux pour le dispositif de commutation pour ettre en circuit ou hors circuit la source de courant, caractérisé en ce que la tension de charge est appliquée directement à une entrée d'un comparateur et, par ailleurs, par l'intermédiaire d'un détecteur de tension de crête à une autre entrée du comparateur, dont le signal de sortie est envoyé au générateur de signaux. 5. Circuit électrique pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 ou 3 avec un dispositif de commutation pour la source de courant et un générateur de signaux pour ie dispositif de commutation pour mettre en circuit ou hors circuit la source de courant, caractérisé en ce que la tension de charge est appliquée à l'entrée d'un d docteur de pente, dont la sortie est connectée à un comparateur et ont l'suture entrée reçoit une tenson de référence. 6. Circuit selon l'une des revendications ! ou i, caraCtérisé en ce qu'un organe additionneur et/ou soustracteur est connecté à la sortie du 8 vecteur de tension de cête ou du détecteur de pente, le signal de sortie du détecteur de tension de crête ou-u détecteur de pente étant relevé ou abaissé l'une faible valeur par cet organe.