Brevet FR2483699A1 — publié le 19811204

La présente invention concerne les systèmes de charge de batterie de véhicule à moteur et elle porte plus particulièrement sur un système de charge de batterie qui est régulé conformément à l'état de charge de la batterie. Dans un système électrique classique de véhicule à moteur, un générateur entraîné par le moteur produit de l'électricité afin de fournir de l'énergie aux charges électriques du véhicule et de charger la batterie d'accumu- lateurs du véhicule. Un régulateur de tension sensible à la tension de sortie du générateur et à la température ambiante fait varier le courant appliqué à l'enroulement d'excitation du générateur pour régler la tension de sortie de ce dernier de manière à maintenir la batterie dans un état chargé. Du fait que la tension de charge nécessaire pour maintenir la batterie dans un état de charge donné varie en fonction de la température de la batterie, le régulateur de tension comprend de façon caractéristique un élément thermosensible, comme une thermistance, pour compenser la tension de sortie du générateur en fonction de la température de la batterie. Dans un système électrique à 12 V, par exemple, une tension de charge de 13 V peut être suffisante à 200C, tandis qu'une tension de 14,7 V peut être nécessaire à OOC pour maintenir un régime de charge équivalent. Un inconvénient du système décrit ci-dessus con- siste en ce que la tension de sortie du générateur n'est pas directement commandée en fonction de l'état de charge de la batterie. Lorsque la batterie approche d'un état de charge correspondant à une charge presque complète, elle continue à accepter un courant de charge notablement élevé à partir du générateur, sans que ce courant augmente de façon appréciable l'énergie emmagasinée dans la batterie. De ce fait, le courant de charge qui est fourni à une batte- rie ayant un état de charge qui correspond à une charge presque complète est effectivement gaspillé. Ce mauvais rendement est encore dégradé par le rendement imparfait du générateur du véhicule automobile. Un autre inconvénient du système électrique classique d'un véhicule à moteur consiste en ce que la ten- sion du générateur est appliquée aux diverses charges élec- triques du véhicule, en plus de son utilisation pour charger la batterie d'accumulateurs. De ce fait, les charges élec- triques (qui sont conçues pour fonctionner à la tension nominale du système électrique) consomment une puissance excessive lorsque la tension de sortie du générateur dépasse la tension nominale du système. De plus, la tension de sortie accrue du générateur diminue la durée de vie probable de nombreuses charges électriques, comme les lampes de projecteurs. L'invention a donc pour but de réaliser un système électrique perfectionné pour un véhicule à moteur dans lequel la batterie d'accumulateurs est maintenue à un état de charge désiré et dans lequel la consommation d'éner- gie dans les charges électriques du véhicule à moteur est réduite au minimum. On fait fonctionner un système électrique de véhicule à moteur correspondant à l'invention selon un premier mode de commande dans lequel un générateur entrainé par le moteur charge la batterie dtaccumulateurs du véhi- cule à moteur à un régime classique-, ou selon un second mode de commande dans lequel le générateur fournit de l'énergie aux charges électriques du véhicule à moteur mais ne charge pas de façon appréciable la batterie d'accumulateurs, et on met alternativement en fonction les premier et second modes en fonction de l'état de charge de la batterie. La tension de sortie du générateur est compensée en fonction de la température de l'électrolyte de la batte- rie et le courant de charge qui est appliqué à la batterie est mesuré pour fournir une indication de l'état de charge de la batterie, afin de commander son régime de charge. Le système électrique est conçu de façon à passer alternativement à un mode de fonctionnement de charge dans lequel la batterie du véhicule à moteur reçoit un courant de charge élevé à partir d'un générateur entraîné par le moteur, et à un mode de fonctionnement d'entretien dans lequel le courant de charge de la batterie est réduit à une valeur faible, seulement suffisante pour empêcher une auto- décharge de la-batterie. La tension de sortie du générateur est compensée en fonction de la température de l'électrolyte de la batterie pendant le mode de charge, afin que le cou- rant de charge puisse être mesuré pour fournir une indica- tion de l'état de charge de la batterie. Lorsque la batterie. atteint un état de charge correspondant à une charge presque complète (environ 80%), le courant de charge diminue au-dessous d'une valeur de référence représentative de l'état de charge précité, et le mode d'entretien est mis en action, ce qui réduit la tension de sortie du générateur à une valeur d'entretien appropriée (environ 12,8 V pour un système d'une tension nominale de 12 V). Le système électri- que du véhicule à moteur demeure dans le mode d'entretien jusqu'à ce que la tension aux bornes de la batterie tombe à une valeur notablement inférieure à la tension d'entretien et le mode de charge est alors remis en action de façon à ramener l'état de charge de la batterie au niveau de charge presque complète. Un autre mode de réalisation comporte une horloge destinée à mettre périodiquement le mode de charge en action pour échantillonner l'état de charge de la batterie. Le terme "générateur" est utilisé ici pour dési- gner de façon générique une source de courant continu entraînée mécaniquement, comme une génératrice à courant continu ou un alternateur fournissant une tension de sortie continue redressée. Le terme "état de charge" est utilisé ici pour désigner la quantité d'énergie emmagasinée dans une batterie qui peut être fournie à une charge électrique. On notera que l'état de charge de la batterie qui est ainsi défini peut être déterminé en déchargeant complètement la batterie dans une charge électrique et en mesurant la quan- tité d'électricité (en ampères-heures) qui est transférée à la charge. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation préféré et en se référant aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 est un schéma d'un système électrique de véhicule à moteur réalisé conformément à l'invention; et La figure 2 est un graphique du courant de charge d'une batterie en fonction de l'état de charge de la batte- rie. La figure 1 montre un générateur d'automobile 10 destiné à fournir un courant de charge à une batterie 24 et à fournir de l'énergie aux charges électriques 22 du-véhi- cule à moteur. Le générateur 10 est représenté sous la forme d'un alternateur comportant un enroulement d'excitation 12, entraîné par le moteur et un enroulement de stator 14 branché en étoile. Lorsque l'enroulement d'excitation 12 est excité avec du courant continu, l'enroulement de stator 14 produit une tension alternative qui est redressée par un redresseur en pont 18. Une borne de sortie 20 du redresseur en pont 18 est branchée de façon à fournir de l'énergie aux charges électriques 22. Un groupe de trois diodes 26 cons- titue une source de courant continu destinée à exciter l'enroulement d'excitation 12 conformément à l'action de commutation d'un régulateur de tension 28. Le régulateur de tension 28 fonctionne d'une manière classique de façon à commander l'excitation de l'enroulement d'excitation 12 conformément à la tension qui est appliquée sur une borne de détection 30. Lorsque la tension appliquée à la borne 30 diminue, l'excitation de l'enroulement d'excitation 12 est augmentée de façon à augmenter la tension de sortie sur la borne 20. De façon similaire, lorsque la tension qui est appliquée à la borne 30 augmente, l'excitation de l'enrou- lement d'excitation 12 est diminuée pour diminuer la ten- sion de sortie du générateur sur la borne 20. Le régulateur de tension 28 peut également comporter des moyens destinés à l'excitation initiale de l'enroulement d'excitation 12 lorsqu'on fait démarrer le moteur du véhicule à moteur. Un régulateur de tension remplissant les conditions cidessus est décrit de façon plus complète dans le brevet U.S. 3 539 864,et la borne 30 considérée ici correspond à la borne 107 qui est représentée sur la figure 1 de ce brevet. La tension qui est appliquée sur la borne de détection 30, et donc la tension de sortie du générateur , est déterminée en fonction de la chute de tension aux bornes d'un réseau de résistances 34. Le réseau 34 comprend deux branches de circuit 32 et 44 qui sont branchées en parallèle entre la batterie d'accumulateurs 24 et la borne de détection 30. La première branche parallèle 32 comprend des résistances 36 et 38 connectées en série et une thermis- tance 40 connectée en parallèle sur la résistance 38. La thermistance 40, qui a un coefficient de température négatif, est située à distance de manière à détecter la température de l'électrolyte contenu dans la batterie 24,et elle est connectée à la résistance 38 par des connecteurs 42, comme il est représenté. La thermistance 40 est de préférence placée dans une cavité de la batterie 24 de façon à être immergée dans l'électrolyte de la batterie. L'homme de l'art notera que la résistivité de la thermistance 40 varie donc en fonction de la température de l'électrolyte contenu dans la batterie d'accumulateurs 24. Plus précisément, sa résis- tivité diminue lorsque la température de la batterie augmente et elle augmente lorsque la température de la batterie diminue. De cette manière, la branche parallèle 32 du réseau 34 tend à augmenter la tension qui est appliquée à la borne de détection 30 lorsque la température de la batterie 24 augmente, et elle tend à diminuer la tension qui est appliquée à la borne 30 lorsque la température de la batterie 24 diminue. La seconde branche parallèle 44 du réseau 34 comprend des résistances 46 et 48, une diode 49 et un transistor 50 destiné à fermer sélectivement le cir- cuit. Lorsque le transistor 50 est conducteur, les résistan- ces 46 et 48 connectées en série sont branchées en parallèle sur la branche de circuit 32 du réseau; lorsque le transis- tor 50 n'est pas conducteur, les résistances 46 et 48 sont pratiquement en circuit ouvert. Dans le mode de fonctionnement de charge, le transistor 50 est bloqué.si bien que la tension qui est appliquée sur la borne 30 du régulateur de tension 28 est déterminée en fonction de la chute de tension aux bornes de la branche de circuit 32 du réseau 34. La tension qui est ainsi appliquée à la borne 30 fait en sorte que la sortie du générateur 10 prenne une tension de charge désirée, comme 14,5 V, qui dépend de la température de la batterie. Pour passer au mode d'entretien, on polarise le transistor 50 dans un état conducteur de façon que la tension qui est appliquée sur la borne de détection 30 varie en fonction de la chute de tension aux bornes de la combinaison en parallèle des branches 32 et 44 du réseau 34. Les résistan- ces 46 et 48 sont choisies de façon que pendant le mode de fonctionnement d'entretien, les variations de la résistance de la thermistance 40 n'aient qu'une influence mineure sur la tension appliquée à la borne de détection 30. Lorsque le transistor 50 est polarisé dans un état conducteur, la ten- sion appliquée sur la borne 30 augmente donc jusqu'à une valeur qui est déterminée essentiellement en fonction de la tension aux bornes de la batterie 24 et de la résistance de la branche de circuit parallèle 32. La tension qui est ainsi appliquée à la borne de détection 30 fait prendre à la sortie du générateur 10 une tension d'entretien (environ 12,8 V pour un système électrique d'une tension nominale de 12 V). La diode 49 empêche une conduction inverse dans le circuit émetteur-base du transistor 50, du fait que les cir- cuits internes du régulateur de tension 28 tendent à main- tenir une tension de polarisation continue sur la borne de détection 30. La résistance 48 est représentée sous la forme d'une résistance variable pour permettre le réglage de la tension d'entretien apparaissant sur la borne 20. Comme on l'a expliqué ci-dessus, la tension de sortie du générateur 10 représente la tension de charge pour la batterie 24 et la tension de charge est compensée, dans le mode de charge, en fonction de la température de l'électrolyte de la batterie. Conformément à l'invention, on peut mesurer dans ces conditions le courant de charge qui est fourni à la batterie 24 pour obtenir une indication de l'état de charge de cette batterie. Ceci résulte de la caractéristique de charge propre aux batteries plomb-acide qui est représentée grphiquemeit sur la figure 2. La figure 2 représente de façon générale la caractéristique de charge (courant de charge (Ic) en fonction de l'état de charge) -7 d'une batterie plomb-acide de 12 V. La tension de charge qui est appliquée à la batterie est compensée en fonction de la température de la batterie et le graphique montre que sur une plage limitée de courant de charge (7 A - 13 A), l'état de charge demeure relativement constant, comme l'indique la référence 140. Cette caractéristique se manifeste pour un état de charge d'environ 80%, l'état de charge de 100% étant défini comme le point auquel la batterie est capable de délivrer sa quantité d'électricité nominale, en ampères- heures. On a constaté que bien que différentes batteries aient des caractéristiques de charge légèrement différentes, le phénomène mentionné ci-dessus (indiqué par la référence ) se produit uniformément pour un état de charge d'envi- ron 80% dans les batteries plomb-acide classiques. Comme on le décrira, un amplificateur opérationnel 60 est branché de manière à comparer le courant de charge fourni à la batterie 24 pendant le mode de fonctionnement de charge et une valeur de référence représentative de l'état de charge men- tionné ci-dessus. Un shunt de courant de charge, 62, qui consiste en une résistance de faible valeur, est connecté en série entre la borne de sortie 20 du redresseur en pont 18 et la borne positive de la batterie 24. La chute de tension aux bornes du shunt 62, qui est directement proportionnelle au courant de charge fourni à la batterie 24, est appliquée par l'intermédiaire de résistances 64, 66 et 68 aux bornes d'entrée plus et moins de l'amplificateur opérationnel 60, comme il est représenté. Plus précisément, le c8té du shunt 62 correspondant au générateur est connecté à l'entrée plus par l'intermédiaire des résistances 64 et 68, et le c8té du shunt 62 correspondant à la batterie est connecté à l'entrée moins par la résistance 66. La résis- tance 64 est également connectée en série avec une résis- tance 70 par l'intermédiaire du circuit collecteur-émetteur du transistor 74, pour former un diviseur de tension. La tension de sortie de l'amplificateur opérationnel 60 est appliquée à la borne de base du transistor 74 de façon que le potentiel présent sur une borne 76 du diviseur varie en fonction du courant de charge qui est appliqué à la batte- rie 24 par le shunt 62. La tension présente sur la borne 76- charge un condensateur 80 par l'intermédiaire d'une résis- tance 78 et la tension du condensateur est appliquée à l'entrée moins d'un amplificateur opérationnel 84 par l'in- termédiaire d'une résistance d'entrée 82. On notera que le condensateur 80 a pour fonction de filtrer la tension d'entrée qui est appliquée à l'amplificateur opérationnel 84 afin d'éviter une commutation transitoire. L'entrée plus de l'amplificateur opérationnel 84 reçoit par l'inter- médiaire d'une résistance d'entrée 86 une tension de réfé- rence qui est fournie par une source de référence 88. La source de référence 88 est un dispositif classique et fonctionne d'une manière bien connue de façon à fournir une tension de référence précise. On peut citer à titre d'exem- ple d'un tel dispositif le régulateur de tension AD 580 fabriqué par la firme Analog Devices, Inc., Norwood, Mass. E.U.A. L'amplificateur opérationnel 84 fonctionne en compa- rateur et sa tension de sortie est à l'état haut lorsque la tension appliquée sur sa borne d'entrée plus dépasse la tension appliquée sur sa borne d'entrée moins. Lorsque l'amplificateur opérationnel 84 est à l'état haut, il charge un condensateur 90 par une résistance 92. Inverse- ment, la sortie de l'amplificateur opérationnel 84 prend un potentiel bas ou potentiel de la masse, de façon à décharger le condensateur 90 par la résistance 92, lorsque la tension appliquée à la borne d'entrée moins de cet amplificateur opérationnel dépasse celle qui est appliquée à sa borne d'entrée plus. Tant que le courant de charge dans le shunt 62 est supérieur à une valeur correspondant à la tension de référence qui est appliquée sur la borne d'entrée plus de l'amplificateur opérationnel 84, la sortie de l'amplificateur opérationnel 84 demeure à l'état bas de façon à maintenir le condensateur 90 déchargé. Lorsque le courant de charge tombe au-dessous d'une valeur correspon- dant à la tension de référence, la sortie de l'amplifica- teur opérationnel 84 passe à un état haut pour charger le condensateur 90. La borne du condensateur 90 non reliée à la masse est connectée par une résistance d'entrée 96 à l'entrée plus d'un amplificateur opérationnel 98 dont la sortie est connectée à la borne de base du transistor 50. L'homme de l'art notera que l'amplificateur opérationnel 98 et la résistance de contre-réaction 99 fonctionnent en sépa- rateur de façon à polariser le transistor 50 à l'état de conduction et à l'état de blocage conformément à la tension aux bornes du condensateur 90. La tension de référence fournie par la source de référence 88 est choisie de façon que le niveau de sortie de l'amplificateur opérationnel 84 passe d'un état bas à un état haut lorsque le courant de charge traversant le shunt 62 diminue jusqu'à une valeur associée à l'état de charge prédéterminé de la batterie qui est désigné par la référence 140 sur la figure 2. Lorsque la condition ci-dessus se produit, le transistor 50 devient conducteur de façon à déclencher le mode de fonctionnement d'entretien. Un amplificateur opérationnel 100 est connecté de façon à contrôler la tension de la batterie 24 dans le mode de fonctionnement d'entretien. La tension de référence fournie par la source de référence 88 est appliquée par une résistance 102 à l'entrée moins de l'amplificateur opéra- tionnel 100. Des résistances 104 et 106 forment un diviseur de tension destiné à appliquer sur une borne 108 une ten- sion qui est directement proportionnelle à la tension de la batterie. La borne 108 est connectée à l'entrée plus de l'amplificateur opérationnel 100 par l'intermédiaire d'une résistance d'entrée 110, et une résistance de réaction 112 est connectée entre la borne de sortie de l'amplificateur opérationnel 100 et la borne 108. La tension de sortie de l'amplificateur opérationnel 100 prend un potentiel bas ou potentiel de la masse lorsque la tension qui est appliquée sur la borne d'entrée moins de cet amplificateur dépasse la tension qui est appliquée sur sa borne d'entrée plus. Dans cet état, le condensateur 90 est déchargé par l'amplifica- teur opérationnel 100 par l'intermédiaire d'une diode 116, afin de bloquer le transistor 50. Inversement, la tension de sortie de l'amplificateur opérationnel 100 prend un niveau haut lorsque la tension qui est appliquée sur sa borne d'entrée plus dépasse celle qui est appliquée sur sa borne d'entrée moins. Les résistances 104, 106, 110 et 112 sont choisies de façon que lorsque la tension de la batte- rie 24 est supérieure ou égale à la tension d'entretien, la sortie de l'amplificateur opérationnel 100 soit maintenue à l'état haut, dans lequel elle ne peut pas décharger le con- densateur 90. Dans ces conditions, la résistance 112 est effectivement connectée en parallèle sur la résistance 104. Les diverses résistances sont choisies de façon que l'ampli- ficateur opérationnel 100 passe à l'état bas lorsque la tension de la batterie 24 tombe notablement au-dessous de la tension d'entretien, soit approximativement 12,4 V dans le mode de réalisation préféré. Une fois que la sortie de l'amplificateur opérationnel 100 a pris un niveau bas (ce qui fait passer au mode de charge), la résistance 112 est effectivement connectée en parallèle sur la résistance 106. Les résistances 104, 106 et 112 sont choisies de façon que dans cette configuration la tension aux bornes de la batte- rie doive avoir une valeur de l'ordre de 14 V pour faire passer à l'état bas la sortie de l'amplificateur opération- nel 100. On notera que la configuration de résistances d'entrée décrite ci-dessus donne au circuit de détection de tension une caractéristique d'hystérésis qui a pour effet de maintenir le système électrique du véhicule à moteur dans le mode de charge au moins jusqu'à ce que l'amplificateur opérationnel 84 change d'état sous l'effet d'un courant de charge accru provenant du générateur 10. Facultativement, une horloge 120 et une diode 122 peuvent être branchées de la manière représentée en pointillés de façon à assurer un retour périodique au mode de fonctionnement de charge. L'horloge 120 est de préféren- ce un dispositif standard comme l'horloge MC 555, fabriquée par la firme Motorola Semiconductor Corporation, qui fait passer périodiquement une borne d'entrée au potentiel de la masse. Plus précisément, l'horloge 120 décharge périodi- quement le condensateur 90 (par exemple une fois toutes les minutes), pour faire passer au mode de fonctionnement de 1l charge. Si le courant de charge traversant le shunt 62 est suffisant pour faire passer la sortie de l'amplificateur opérationnel 84 à son état correspondant à la masse, le système électrique du véhicule à moteur demeure dans le mode de fonctionnement de charge jusqu'à ce que l'amplifi- cateur opérationnel 84 retourne à son état haut (ce qui fait passer au mode d'entretien). Si au contraire le courant de charge est insuffisant pour commuter la sortie de l'am- plificateur opérationnel 84 à son état bas, le système élec- trique du véhicule à moteur retourne au mode de fonctionne- ment d'entretien. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système électrique de véhicule à moteur compor- tant une batterie d'accumulateurs, un générateur entraîné par le moteur et connecté à la batterie ainsi qu'à des charges électriques du véhicule à moteur, et des moyens pou- vant être alimentés électriquement pour régler la tension de sortie du générateur, caractérisé en ce qu'il comporte des premiers moyens de commande (28, 32) destinés à alimen- ter les moyens pouvant être alimentés électriquement (12) selon une première condition correspondant à un mode de fonctionnement de charge, dans lequel le générateur (10) fournit de l'énergie à'la batterie (24) et aux charges (22), et dans lequel la tension de sortie du générateur (10) est régulée en fonction de la température de la batte- rie (24j; des seconds moyens de commande (28, 44) qui, lorsqu'ils sont en action, alimentent les moyens pouvant être alimentés électriquement (12) selon une seconde con- dition correspondant à un mode de fonctionnement d'entre- tien dans lequel la tension de sortie du générateur (10) est régulée à une tension pratiquement égale à la tension nominale aux bornes de la batterie, afin de réduire la consommation d'énergie dans les charges (22); des moyens (50, 84) qui, pendant le mode de fonctionnement de charge, mettent en action les seconds moyens de commande (28, 44) lorsque le courant de charge qui est fourni à la batterie (24) tombe au-dessous d'une première valeur de référence correspondant à un premier état de charge de la batterie (24); et des moyens (50, 100) qui, pendant le mode de fonctionnement d'entretien, mettent hors fonction les seconds moyens de commande (28, 44) lorsque la tension de la batterie (24) tombe au- dessous d'une seconde valeur de référence correspondant à un second état de charge de la batterie (24), grâce à quoi l'état de charge de la batte- rie (24) est maintenu entre les premier et second états de charge. 2. Système électrique de véhicule à moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premiers moyens de commande (28, 32) consistent en un régulateur de tension comprenant un circuit de détection de tension muni de moyens (40, 38) qui, pendant le mode de fonctionnement de charge, font varier la tension régulée en fonction de la température de l'électrolyte de la batterie. 3. Système électrique de véhicule à moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit com- prend un dispositif d'horloge (120, 122) destiné à mettre périodiquement hors fonction les seconds moyens de commande (44, 46) afin de ramener le système électrique au mode de fonctionnement de charge et de ramener périodique- ment la batterie dans un état pratiquement chargé.