Brevet FR2473730A1 — publié le 19810717

Procédé de mesure de l'état de charge d'un accumulateur et dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. La présente invention concerne un procédé pour la mesure de l'état de charge d'un accumulateur par la mesure d'une chute temporaire de tension à ses bornes, et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Il est de pratique courante, lorsque l'on utilise des ac- cumulateurs, de chercher à connaître leur état de charge ou de décharge de façon à déterminer le temps pendant lequel ils pourront encore fonctionner. On connait diverses mé- thodes pour déterminer cet état de charge de façon plus ou moins rapide et plus ou moins précise: une méthode précise consiste a déterminer la densité de l'électrolyte contenu dans l'accumulateur. Cette méthode est cependant délicate à mettre en oeuvre et peu commode d'emploi. Généralement on emploie une seconde méthode qui consiste à mesurer à l'aide d'un voltmètre la tension aux bornes de l'accumulateur en l'absence de courant de charge ou de décharge. La figure 1 est un diagramme représentant la variation de cette tension à vide aux bornes de l'accumulateur en fonction de l'état de décharge de cet accumulateur. Cette tension diminue tout d'abord rapidement, puis atteint un palier, et enfin diminue rapidement en fin de décharge. Les instruments classiques indiquant la tension à vide se bornent à donner le moment o celle-ci a atteint le point A figuré sur le diagramme, indiquant que la tension chute rapidement et que la bat- terie doit être rechargée. Cette dernière méthode a l'avantage d'être relativement simple et rapide à mettre en oeuvre, mais ne permet pas de donner une indication suffisante lorsque l'on veut savoir suffisamment longtemps à l'avance que l'accumulateur arrive en fin de décharge. Ainsi, lorsque l'on utilise cet accumu- lateur pour alimenter un démarreur pour le lancement d'un moteur à combustion interne, il est nécessaire de savoir si l'accumulateur pourra encore effectuer un démarrage du mo- teur. Or lorsque le voltmètre indique que l'on a atteint le point A du diagramme, il est déjà trop tard et il y a de fortes chances pour que le moteur ne puisse plus être mis en marche. Un objet de la présente invention est de proposer un pro- cédé de mesure de l'état de charge d'un accumulateur per- mettant d'indiquer suffisamment longtemps à l'avance la né- cessité de la recharge de l'accumulateur. Ainsi, le procédé permet de savoir que l'accumulateur devra être rechargé mais qu'un moteur peut encore être démarré une ou plusieurs fois. Un autre objet de la présente invention est de proposer un dispositif permettant la mise en oeuvre de ce procédé, par la mesure de la chute temporaire maximale de tension aux bornes de l'accumulateur au moment du démarrage du moteur. Un autre objet de la présente invention est de proposer un circuit à la fois simple et économique pour effectuer ces me- sures. Pour ce faire, et selon une caractéristique de la présente invention, le procédé de mesure de l'état de charge de l'ac- cumulateur consiste à faire débiter par cet accumulateur un courant important en connectant transitoirement à ses bornes une impédance de charge connue, à détecter la chute tempo- raire maximale de tension à ses bornes, à mettre en mémoire et à afficher le résultat de cette détection. Selon une autre caractéristique de la présente invention l'impédance de charge est constituée par un démarreur couplé mécaniquement à un moteur à combustion interne, le débit de courant important se faisant pendant le lancement du moteur. Selon une autre caractéristique de la présente invention, le dispositif de mesure de l'état de charge de l'accumula- teur comprend une impédance de charge et un interrupteur connectés en série aux bornes de l'accumulateur, un moyen de détection et de mémorisation de chute de tension maximale et un moyen d'affichage pour visualiser le résultat de la dé- tection ou le résultat de la comparaison de cette détection avec un signal de référence. - Selon une autre caractéristique de la présente invention, le moyen pour détecter et mémoriser la chute de tension ma- ximale comprend un premier circuit détecteur de maximum pour détecter et mémoriser la tension maximale de l'accumulateur, un circuit soustracteur pour effectuer la différence entre cette tension maximale et la tension instantanée de l'ac- cumulateur, et un second circuit détecteur de maximum pour détecter et mémoriser le maximum de cette différence. Selon une autre caractéristique de la présente invention, un filtre passe-bas est inséré entre une borne de l'accu- mulateur et les bornes d'entrée correspondantes du circuit sou- stracteur et du second circuit détecteur de maximum. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en dé- tail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles - La figure 1 est destinée à illustrer le fonctionnement des dispositifs de l'art antérieur; - Les figures 2 et 3 sont destinées à illustrer le procédé de mesure selon la présente invention; - La figure 4 représente les principaux éléments du disposi- tif selon la présente invention; et - La figure 5 représente le circuit d'un mode de réalisation pratique du dispositif selon la présente invention. La figure 2 représente un diagramme temporel de la ten- sion aux bornes de l'accumulateur lors de la mesure. L'accu- mulateur est tout d'abord à vide, le courant débité étant sensiblement nul. La tension à ses bornes est à un niveau élevé et constant figuré par le pallier P. On connecte en- suite une impédance de charge aux bornes de l'accumulateur qui débite alors un courant. Cela provoque une chute de la tension aux bornes de l'accumulateur, figurée par la des- cente B de la courbe. L'impédance de charge est ensuite dé- connectée, et la tension remonte progressivement du minimum C jusqu'à un pallier Q sensiblement au même niveau que le pallier P. Le minimum C atteint dépend du courant débité par l'accumulateur et de l'état de charge de celui-ci. La courbe en trait plein 20 représente une forme de chute de tension pour un accumulateur bien chargé, selon certaines conditions de débit. La courbe en pointillés 21 représente une forme de chute de tension pour un accumulateur insuf- fisamment chargé, selon les mêmes conditions de débit, le minimum de la courbe étant inférieur à la tension minimale admissible figurée par la droite en pointillés a. La courbe 22 représente la chute de tension pour un accumulateur dont 1 - la charge devient presque insuffisante, le minimum étant à l'intérieur d'une zone de tension dite zone dangereuse fi- gurée entre les droites en pointillés a et b. Le procédé selon la présente invention consiste à détecter et à me- surer la tension de ce minimum, et à afficher le résultat de manière à provoquer la recharge de l'accumulateur dès que ce minimum atteint la zone dangereuse. La figure 3 représente schématiquement le circuit utilisé pour la mise en oeuvre de ce procédé: entre la borne posi- tive 31 et la borne négative 32 de l'accumulateur 30 sont connectés d'une part une impédance de charge 33 en série avec un interrupteur 34 et d'autre part un circuit détec- teur de chute de tension maximale 35. Le procédé selon la présente invention consiste à fermer l'interrupteur 34 pour que l'accumulateur 30 débite un courant important dans l'im- pédance de charge 33. Le détecteur 35 détecte alors la chute de tension maximale correspondant au minimum de tension aux bornes de l'accumulateur tel que représenté à la figure 2. La présente invention peut être mise en oeuvre notamment selon les deux conditions de mesure suivantes: dans le pre- mier cas on connecte aux bornes de l'accumulateur une impé- dance de charge auxiliaire pendant une durée brève mais suffisante pour atteindre le minimum C de la courbe de ten- sion. Le test est alors relativement rapide. Dans le second cas l'impédance de charge est constituée par l'impédance de charge normale définie par les conditions d'utilisation, par exemple un démarreur de moteur à combustion connecté aux bornes de l'accumulateur. Le test dure alors pendant toute la phase de lancement du moteur et est relativement plus long que dans le cas précédent, la zone de remontée de la courbe de tension ayant une forme qui dépend de divers pa- ramètres physiques tels que l'inertie du moteur ou sa tem- pérature. Par contre la tension de minimum de-la zone C ne dépend que des paramètres électriques de l'impédance dé charge et de l'état de l'accumulateur. Comme le représente la figure 4, dans le cas o l'accumu- lateur est utilisé pour alimenter un démarreur de moteur à combustion interne, l'impédance de charge 33 est constituée par le démarreur 40 luimême, couplé mécaniquement au moteur à combustion interne 41. Ainsi, l'accumulateur est testé dans les conditions mêmes de fonctionnement usuel, et le procédé selon la présente invention permet notamment de dé- terminer à l'occasion de chaque démarrage si un ou plusieurs démarrages du moteur pourront encore être effectués sans re- charge de l'accumulateur. On a représenté schématiquement sur la figure 4 un mode de réalisation du détecteur de chute de tension maximale selon la présente invention. Ce détecteur comprend, pour l'affi- chage du résultat, un voltmètre 42 dont une borne est con- nectée à la borne négative de l'accumulateur 30, et dont l'autre borne est connectée à la borne de sortie d'un cir- cuit 43 dont la fonction habituelle est connue sous le nom de "détecteur de maximum". La borne d'entrée du détecteur de maximum 43 est connectée à la borne de sortie d'un cir- cuit 44 dont la fonction habituelle est connue sous le nom de "Soustracteur", dont une première borne d'entrée, dite inverseuse, est connectée à la borne positive de l'accumula- teur 30 par l'intermédiaire d'un filtre passe-bas 45, et dont une seconde borne d'entrée, dite non inverseuse, est con- nectée à la borne de sortie d'un second détecteur de maxi- mum 46. La borne d'entrée de ce second détecteur de maximum 46 est connectée à la borne de sortie du filtre 45. Les deux détecteurs de maximum ont la fonction suivante: lorsqu'on applique à leur borne d'entrée une tension variable, la ten- sion à leurs bornes de sortie est égale au maximum atteint par la tension d'entrée. Cette tension de sortie est mémo- risée par le circuit et reste sensiblement constante pendant un temps prédéterminé. La fonction du circuit 44 est de pro- duire sur sa borne de sortie une tension égale à la somme de la tension présente à sa borne d'entrée non inverseuse et de l'opposé de la tension présente à sa borne d'entrée inverseuse. Ce circuit fait donc la différence entre ces deux tensions. Le filtre 45 est un filtre passe-bas destiné à éviter de prendre en compte les variations trop brutales de la tension d'entrée dues à des variations rapides de l'im- pédance de charge 40. Sur la figure 5 on a représenté un mode de réalisation du circuit selon la présente invention, reprenant les princi- paux éléments du circuit de la figure 4 et en donnant un mode de réalisation des différents éléments: filtre, détec- teurs de maximum et soustracteur. Le voltmètre 42 a une pre- mière borne connectée à la borne négative 32 de l'accumula- teur que nous appellerons dans ce qui va suivre borne de ré- férence et une seconde borne connectée à la borne de sortie d'un premier amplificateur opérationnel 60. La borne d'en- trée inverseuse de cet amplificateur opérationnel 60 est connectée à sa borne de sortie. La borne d'entrée non inver- seuse de l'amplificateur 60 est connectée à la borne de ré- férence 32 par l'intermédiaire d'une résistance 61 et d'un condensateur 62 branchés en parallèle, à la borne d'entrée inverseuse d'un second amplificateur opérationnel 63 et à la cathode d'une diode 59 dont l'anode est connectée à la borne de sortie de l'amplificateur 63. La borne d'entrée non in- verseuse de l'amplificateur 63 est connectée à la borne de sortie d'un troisième amplificateur opérationnel 64, et à la borne d'entrée inverseuse de ce même amplificateur 64 par l'intermédiaire d'une résistance 65. La borne d'entrée in- verseuse de l'amplificateur 64 est en outre connectée par l'intermédiaire d'une résistance 66 à la borne de sortie d'un quatrième amplificateur opérationnel 67, la borne d'en- trée inverseuse de cet amplificateur 67 étant-connectée à sa borne de sortie. La borne d'entrée non inverseuse de l'amplificateur 64 est connectée d'une part à la borne de référence 32 par l'intermédiaire d'une résistance 68 et d'autre part à la borne de sortie d'un cinquième amplifica- teur opérationnel 69 par l'intermédiaire d'une résistance 70. La borne d'entrée inverseuse de l'amplificateur 69 est connec- tée à la borne de sortie de ce même amplificateur. La borne d'entrée non inverseuse de l'amplificateur 69 est connectée d'une part à la borne de référence 32 par une résistance 71 et un condensateur 72 branchés en parallèle, et d'autre part à la borne d'entrée inverseuse d'un sixième amplificateur opérationnel 73 et à la cathode d'une diode 74 dont l'anode est connectée à la borne de sortie de l'amplificateur 73. La borne d'entrée non inverseuse de l'amplificateur 73 est con- nectée à la borne d'entrée non inverseuse de l'amplificateur 67, et à la borne de référence 32 par l'intermédiaire d'un con- densateur 75 en parallèle sur une résistance 83. Cette borne d'entrée non inverseuse est en outre connectée à la borne de référence 32 par l'intermédiaire d'une résistance 76 con- nectée en série avec un condensateur 77, une borne du con- densateur étant connectée à la borne de référence 32. Le point de connection de la résistance 76 et du condensateur 77 est connecté à la cathode d'une diode 78 dont l'anode est connectée à la borne d'entrée 31, borne positive de l'accu- mulateur 30. La cathode de la diode 78 est en outre connec- tée par l'intermédiaire d'une résistance 79 à la cathode d'une diode Zener 80 dont l'anode est connectée à la borne de référence 32. Un condensateur 81 est connecté en paral- lèle sur la diode Zener 80. La cathode de la diode Zener est connectée à toutes les bornes d'alimentation positive des amplificateurs opérationnels 60, 63, 64, 67, 69 et 73. L'anode de la diode Zener 80 est en outre connectée à toutes les bornes d'alimentation négative de ces amplificateurs opé- rationnels 60, 63, 64, 67, 69 et 73. Sur la figure on a représenté en pointillés les différents blocs constituant les éléments représentés sur la figure 4. Ainsi, le premier détecteur de maximum 43 comprend les am- plificateurs opérationnels 60 et 63, la résistance 61, le condensateur 62 et la diode 59 connectés comme cela est re- présenté sur la figure. Le second détecteur de maximum 46 comprend des mêmes éléments, à savoir les amplificateurs 69 et 73, la résistance 71, le condensateur 72 et la diode 74 connectés de la même manière. Le circuit sommateur 44 comprend les amplificateurs 64 et 67 ainsi que les résis- tances 65, 66, 68 et 70. Le filtre 45 est composé des conden- sateurs 75 et 77, des résistances 76 et 83. L'ensemble 82 comprenant la diode Zener 80, le condensateur 81 et la ré- sistance 79 constitue une alimentation stabilisée permettant d'alimenter tous les amplificateurs opérationnels. Le fonctionnement du circuit est le suivant: en régime établi, c'est-àdire lorsque la tension de l'accumulateur est constante, cette tension est transmise par l'intermé- diaire de la diode 78 et du filtre 45 à l'entrée du circuit amplificateur 73 et à l'entrée de l'amplificateur 67. L'am- plificateur 73, étant bouclé de la façon représentée sur la figure, fournit sur la cathode de la diode 74 une tension sensiblement égale à la tension qu'il y a sur son entrée non inverseuse, tension égale à une fraction de la tension de l'accumulateur déterminée par les résistances 76 et 83. Cette fraction est choisie de telle manière que au cours d'un cycle de fonctionnement la dynamique de tous les si- gnaux de sortie des amplificateurs opérationnels soit com- patible avec la tension stabilisée d'alimentation des am- plificateurs délivrée par la diode Zener 80. L'amplifica- teur 69, monté en adaptateur d'impédance, fournit à sa borne de sortie une tension égale à cette même fraction de la ten- sion d'entrée. L'amplificateur 67, fournit également à sa borne de sortie une tension égale à cette fraction de la tension de l'accumulateur. L'amplificateur 64 fournit à sa borne de sortie une tension égale à la différence des deux tensions sur ses bornes d'entrée. Ces tensions étant égales, sa tension de sortie est nulle. Le fonctionnement du détec- teur de maximum 43 est identique à celui du détecteur 46, et ce détecteur fournit donc à sa borne de sortie une ten- sion nulle. Le voltmètre 42 indique donc une tension nulle. Lorsque la tension de l'accumulteur chute brusquement, notamment sous l'action d'une impédance de charge branchée à ses bornes, cette chute de tension est transmise par l'in- termédiaire du filtre 45 d'une part à l'entrée du détecteur de maximum 46 et d'autre part à l'entrée de l'amplificateur 67. L'amplificateur 73, sous l'action d'une chute de ten- sion sur sa borne d'entrée non inverseuse, tend à produire sur sa borne de sortie une tension inférieure. La diode 74 se trouve alors polarisée en inverse, empêchant la décharge- du condensateur 72 de sorte que la tension aux bornes de ce condensateur reste sensiblement constante pendant un temps déterminé par le temps de décharge de ce condensateur à tra- vers la résistance 71, produisant une tension sensiblement constante à la sortie de l'amplificateur, 69. Il est ainsi réalisé la mise en mémoire de la tension que l'accumulateur avait avant le branchement de l'impédance de charge. La-borne d'entrée non inverseuse de l'amplificateur 64 reste donc à un potentiel constant, tandis que la borne inverseuse de ce même amplificateur est soumise à la variation de la tension d'entrée de l'accumulateur par l'intermédiaire de l'amplifi- cateur 67 et du pont de résistances 76, 83. La sortie de l'am- plificateur 64 produit donc une montée de tension image de la chute de tension aux bornes de l'accumulateur. Le détec- teur de maximum 43 fonctionne alors de la façon suivante: la tension de sortie de l'amplificateur tend à croître pour suivre la tension à son entrée non inverseuse, et provoque une augmentation de la tension aux bornes du condensateur 62 par l'intermédiaire de la diode 59 polarisée en direct. Lors- que la tension de l'accumulateur tend à croître, la tension de sortie de l'amplificateur 64 tend à décroître, également provoquant une diminution de la tension de sortie de l'am- plificateur 63, mais la diode 59 se trouve alors polarisée en inverse et empêche la décharge du condensateur 62. Cette décharge se produit à travers la résistance 61 et la tension à ses bornes reste ainsi sensiblement constante pendant un temps prédéterminé. L'amplificateur 60, connecté en adapta- teur d'impédance, produit sur sa borne de sortie une tension sensiblement égale à la tension aux bornes du condensateur 62, et le voltmètre indique donc pendant un temps égal au temps de décharge du condensateur 62 une tension égale au maximum de la tension présente à la borne de sortie de l'amplificateur 64. Il indique donc une tension proportionnelle à la chute de tension maximale apparue aux bornes de l'accumulateur. Le dispositif selon la présente invention permet de mesurer la chute de tension apparue aux bornes de l'accumulateur lors de la connection d'une charge et notamment lors du démarrage d'un moteur. Cette chute de tension dépend des conditions de mesure, et en particulier de la nature et des caractéristiques électriques du moteur et de l'accumulateur. La zone dangereuse mentionnée en relation avec la figure 2 dépend de ces carac- téristiques électriques et doit être déterminée pour chaque installation. Dans le but de pouvoir utiliser le présent dis- positif sur des installations différentes, le voltmètre 42 peut être de type analogique et comporter des repères pour définir la plage dangereuse pour laquelle une recharge de l'accumulateur doit être entreprise. On pourra également envisager un moyen d'affichage diffé- rent du voltmètre numérique ou analogique: la chute de ten- sion détectée par le dispositif précédemment décrit est com- parée avec une ou plusieurs tensions de référence par un comparateur, le signal fourni par le comparateur étant trans- mis sous forme binaire à un ou plusieurs voyants lumineux ou à un générateur de signaux sonores pour avertir l'utilisateur de la nécessité de recharger l'accumulateur. La présente invention est très généralement applicable à la mesure de l'état de charge de tous les types d'accumula- teurs dont la tension décroît au fur et à mesure de la dé- charge, et notamment des accumulateurs au plomb et des accu- mulateurs cadmium nickel. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réa- lisation qui ont été décrits, mais en inclut div'erses va- riantes et généralisations contenues dans le domaine des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1 - Procédé de mesure de l'état de charge d'un accumula- teur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - connecter transitoirement aux bornes de l'accumulateur une impédance de charge dans laquelle cet accumulateur débite un courant important; - détecter la chute temporaire maximale de tension aux bornes de l'accumulateur; - mettre en mémoire le résultat de la détection; et - afficher le résultat de cette détection. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape d'affichage comprend les phases suivantes: - comparer le résultat de la détection avec un signal de ré- férence; et - afficher le résultat de la comparaison. 3 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 pour la mesure de l'état de charge d'un accumulateur utilisé pour alimenter un démarreur couplé mécaniquement avec un mo- teur à combustion interne, caractérisé en ce que lors de l'étape de lancement l'accumulateur est amené à débiter sur le démarreur. 4 - Dispositif de mesure de l'état de charge d'un accumula- teur pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les éléments suivants - une impédance de charge et un interrupteur connectés en série aux bornes de l'accumulateur; - un moyen de détection et de mémorisation de chute de ten- sion maximale; et - un moyen d'affichage du résultat de cette détection. - Dispositif de mesure de l'état de charge d'un accumula- teur pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend les éléments suivants - une impédance de charge et un interrupteur connectés en série aux bornes de l'accumulateur; - un moyen de détection de chute de tension maximale et de mémorisation du résultat de la détection; - un moyen pour produire un signal de référence et un compa- rateur pour comparer le résultat de la détection et le signal de référence; et - un moyen d'affichage pour afficher le résultat donné par le comparateur. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5 pour la mesure de l'état de charge d'un accumulateur utilisé pour alimenter un démarreur couplé mécaniquement avec un moteur à combustion interne, caractérisé en ce que l'impédance de charge est constituée par le démarreur. 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le moyen pour détecter et mé- moriser la chute de tension maximale comprend les éléments suivants: - un premier circuit (46) dont la fonction est habituelle- ment connue sous le nom de "détecteur de maximum", pour dé- tecter et mémoriser le maximum de tension aux bornes de l'accumulateur un circuit (44) dont la fonction habituelle est connue sous le nom de "soustracteur", pour effectuer la différence entre le maximum de tension aux bornes de l'accumulateur fourni par le circuit détecteur de maximum (46) et la ten- sion instantanée aux bornes de cet accumulateur; et - un second circuit "détecteur-de maximum" (43) pour détec- ter et mémoriser le maximum de tension fourni par le cir- cuit "soustracteur". 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que un filtre passe-bas (45) est inséré entre une borne de l'accumulateur et les bornes d'en- trée correspondantes du circuit soustracteur et du premier cir- cuit détecteur de maximum (46). 9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en-ce que les circuits détecteurs de maximum comprennent un condensateur connecté en parallèle sur une résistance de forte valeur, une borne du condensa- teur étant connectée à une borne de l'accumulateur, l'autre borne du condensateur étant connectée d'une part à la borne de sortie d'un amplificateur opérationnel par l'intermédiaire d'une diode et d'autre part à la borne d'entrée inverseuse de cet amplificateur opérationnel. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que le moyen d'affichage du résul- tat est un voltmètre. 11 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications à 9, caractérisé en ce que le moyen d'affichage est un voyant. 12 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que les circuits détecteurs de maximum et le circuit soustracteur sont alimentés à partir de l'accumulateur par une alimentation stabilisée, cette ali- mentation comprenant un condensateur, connecté aux bornes d'une diode Zener, en série avec une diode et une résistance.