Brevet FR2476927A1 — publié le 19810828

CIRCUIT DE PROTECTION ET DE REGULATION DE TENSION D'UN ETAGE DE STOCKAGE D'ENERGIE ELECTRIQUE. La présente invention concerne un circuit de protection et de régulation de tension d'un étage de stockage d'énergie électrique. Ce circuit trouve une application très intéressante dans les petites stations d'alimentation électrique en site isolé, qui doivent donc être autonomes et qui fonctionnent par exemple à partir de modules photovoltalques, mais il convient également pour des installations de puissance plus-élevée. L'inconvénient majeur des circuits connus de ce type est leur rendement relativement médiocre, dO au fait que le problème des pertes est mal maitrisé, ou n'est même pas pris en considération. Les tentatives plus élaborées pour une minimisation de ces pertes conduisent par contre à une complexité et à un coût qui ne sont pas souhaitables dans le cas actuel, le circuit proposé dans la présente demande devant faire partie d'un équipement grand public à très large diffusion. Le but de l'invention est de proposer un circuit de protection et de régulation de tension d'un étage de stockage d'énergie électrique qui soit de structure très simple et à très faibles pertes. Le circuit selon l'invention est, à cet effet, caractérisé en ce qu'il comprend l'association en série (A) d'un étage de conversion transformant en énergie électrique une énergie d'un autre type ; (B) d'un étage de protection contre les surtensions comprenant lui-même (1) un premier détecteur à seuil et (2) un circuit de dérivation commandé par ce premier détecteur en cas de surtension ; (C) de l'étage de stockage d'énergie électrique ; (D) d'un étage de protection contre les sous-tensions comprenant lui-même (1) un deuxième détecteur à seuil et (2) un circuit bistable de commutation charge-alarme commandé en cas de sous-tension par ce deuxième détecteur par l'intermédiaire d'impulsions passagères ; et (E) d'un étage de charge à deux positions selon l'état du deuxième détecteur. Ce circuit évite donc que l'étage de stockage de l'énergie électrique ne soit chargé au-delà de la valeur qu'il peut supporter (dans le cas d'une batterie au plomb, au-delà de la valeur pour laquelle une accélération de l'électrolyse et de la montée en température commence à se manifester) ou qu'il ne se décharge au-dessous d'une valeur à partir de laquelle sa durée de vie serait compromise (par sulfatage dans le cas des batteries), tout en autorisant des réglages séparés et pratiquement non-interactifs des niveaux de tension. Dans le mode de réalisation retenu, plusieurs avantages ressortent clairement. En particulier, les premier et deuxième détecteurs à seuil sont des diodes Zenervdites programmables, placées en parallèle respectivement sur l'étage de conversion et sur l'étage de stockage et dont les seuils peuvent être ajustés à l'aide d'un pont de résistances placé en parallèle sur chacune d'elles ; ce composant présente ici une souplesse d'utilisation particulièrement intéressante dans le cas de l'application envisagée ci-dessus et évite en outre l'utilisation d'amplificateurs opérationnels qui font inévitablement appel à des sources de tension de référence extérieures.Par ailleurs, le circuit de dérivation est composé de transistors en cascade commandés par l'une des diodes Zener programmables, tandis que le circuit de commutation est composé d'un relais bistable à commande par impulsions brèves et d'un étage à transistors commandant le ou les enroulements de ce relais et commandé lui-même par l'autre diode Zener. Cette structure à relais, n'entraînant pas de chute de tension entre la ligne et le circuit de charge, est très avantageuse par rapport aux dispositifs à semiconducteurs et permet de limiter les pertes à une très faible proportion de la puissance utile disponible. D'autresparticularités et avantages du circuit selon l'invention apparaîtront plus clairement en se référant à la description qui suit et aux dessins annexés, qui montrent à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels : - la figure 1 montre le schéma complet du circuit de protection et de régulation conforme à l'invention ; - la figure 2 est une courbe d'évolution dans le temps de la tension aux bornes de l'étage de stockage et montre la relation entre les valeurs de cette tension et les actions du circuit de protection et de régulation, différentes selon la période considérée ; et - la figure 3 montre une variante de réalisation de l'étage de protection contre les sous-tensions. Le circuit de protection et de régulation de tension conforme à l'invention et décrit ci-dessous en référence aux figures comprend l'association en série d'un étage 1 de conversion en énergie électrique d'une énergie d'un autre type2 qui est ici un dispositif de capture de l'énergie solaire comprenant un ou plusieurs modules photovoltalques, d'un étage 2 de protection contre les surtensions, d'une batterie 3 de stockage de l'énergie électrique fournie par l'é- tage de conversion, d'un étage 4 de contre de tension, d'un étage 5 de protection contre les sous-tensions, et d'un étage de charge 6. L'étage 2 de protection contre les surtensions de la batterie 3 comprend une diode Zener programmable 20, à seuil réglable à l'aide d'un pont de résistances R1, R2, R3, R7 placé en parallèle sur cette diode 20 et une résistance R8 en série avec cette diode et sur la sortie du dispositif 1 de capture d'énergie solaire (dans l'exemple décrit, c'est R2 qui constitue le potentiomètre de réglage du seuil de fonctionnement). La diode Zener 20 commande un circuit de dérivation composé d'un premier transistor NPN de puissance 21 dont le circuit collecteur-émetteur est directement en parallèle sur la sortie du dispositif 1 et dont la base est commandée par l'intermédiaire d'une résistance R4 par le circuit émetteur-collecteur d'un deuxième transistor PNP 22.Ce circuit émetteur-collecteur du transistor 22 et une résistance R5 en série avec lui sont en parallèle, par l'intermédiaire d'une diode de blocage 23, sur la sortie du dispositif 1, ainsi que sur le pont de résistances R1, R2, R3, R7 > et la base de ce transistor 22 est reliée par l'intermédiaire d'une résistance R6 à la borne positive de la diode 20 ; la résistance R8 est branchée en série avec la diode 20, de sorte que cette association des composants 20 et R8 est aussi en parallèle sur l'ensemble série constitué par le circuit émetteurcollecteur du transistor 22 et la résistance R5. Ainsi, en période de charge, la diode Zener 20, non conductrice, voit la tension à ses bornes s'élever. Lorsque son seuil, fixé par réglage du potentiomètre R2 du pont R1, R2, R3, R7 est atteint, le transistor 22 , qui était bloqué, conduit et commande à son tour la conduction du transistor 21. a diode 23 se bloque et interrompt la charge de la batterie 3, le transistor 21 assurant seul la dissipation de l'énergie fournie par le dispositif 1. Le potentiomètre R7, placé en série avec R1, R2, R3 et associé à une résistance R9 branchée entre le point commun à (R3, R7) et le point commun à (R4,R5) permet de fixer le seuil de retour en période de charge de la batterie 3 et donc la largeur de la bande d'hystérésis de l'étage 2 de protection de cette batterie contre les surtensions. L'étage 4 de contrôle de tension de la batterie 3 comprend une diode Zener programmable 40 placée en série avec un dispositif 41 de mesure de tension dont la référence zéro du cadran de lecture est ainsi décalée pour constituer un effet d'expansion d'échelle de tensions dans la zone des tensions concernées. Le seuil de la diode Zener 40 est réglable, comme précédemment, à l'aide d'un pont de résistances Roll, R12, R13, R17 placé en parallèle sur l'association série de la diode 40 et du dispositif 41 et dans lequel R12 constitue ici le potentiomètre de réglage du seuil déterminant le décalage de zéro. L'étage 5 de protection contre les sous-tensions pouvant affecter la batterie 3 comprend également une diode Zener programmable 50 à seuil réglable à l'aide d'un pont de résistances R21, R22, R232 R27 placé en parallèle sur la diode 50 et une résistance R28 en série avec cette diode et sur la batterie 3 et l'étage 4 de contrôle de tension associé (c'est R22 qui constitue ici le potentiomètre de réglage). La diode 50 commande un circuit de commutation charge -alarme composé d'un relais bistable BR et d'un étage à transistors relié à la borne positive de cette diode. Plus précisément, l'étage à transistors comprend lui-même un troisième transistor PNP 51a dont la base est reliée par l'intermédiaire d'une résistance R26 à la borne positive de la diode 50 et dont le circuit émetteur-collecteur est relié en série à un premier enroulement d'excitation 52a du relais BR, l'excitation de ce premier enroulement 52a conduisant à un premier état stable de ce relais.L'étage à transistors comprend également un quatrième transistor PNP 53a dont la base est reliée par l'intermédiaire d'une résistance R30 au point commun entre le collec teur du transistor 51a et le premier enroulement 52a et dont le circuit émetteuFcollecteur est relié en série à un deuxième enroulement d'excitation 52b du relais BR, l'excitation de ce deuxième enroulement conduisant au deuxième état stable du relais. Ainsi, en fonctionnement, si la tension de la batterie devient trop faible, la diminution de tension aux bornes du montage en série de la diode 50, qui est alors conductrice, et de la résistance R28 fait cesser cette conduction dès que le seuil de cette diode est atteint. Le transistor 53a devient alors conducteur et l'enroulement 52b du relais BR est excité, tandis que le transistor 51a cesse de conduire et que l'enroulement 52a cesse d'être excité. I1 y a alors commutation des contacts du relais BR de la position de liaison avec un circuit de charge LD vers la position liaison avec un circuit d'alarme AL, ce qui interrompt l'excitation de l'enroulement 52b. Cette excitation n'a donc été que passagère et n'a entraîné que des pertes réduites, avantage qui se cumule avec celui de l'utilisation d'un contact de relais, à chute de tension nulle, pour établir la liaison entre la batterie et l'étage de charge 6.Le circuit d'alarme AL n'est pas représenté, car il peut être de n'importe quel type connu à cejour, et sa nature particulière n'entre pas dans le cadre de l'invention. Le circuit de charge LD n'est pas représenté non plus, car le circuit de protection et de régulation de tension selon l'invention s'adapte en fait à toutes sortes de circuits de charge et, pour citer entre autres un exemple mais qui n'est nullement limitatif, à un onduleur pour faibles puissances tel que celui décrit dans la demande de brevet français No 79 20 500 du 10 août 1979 déposée également au nom de la Demanderesse et qui convient tout particulièrement pour les applications de faible ou de moyenne puissance évoquées en début de description. Réciproquement, le potentiomètre R27, placé en série avec R21, R22, R23 et associé en série à une résistance R29 reliée par son autre extrémité au point commun à l'enroulement 52a du relais BR et au collecteur du transistor 51a, permet de fixer le seuil de retour dans l'autre position du relais (c'est-à-dire dans la position où le circuit de charge LD peut être à nouveau branché en sortie de l'étage 5), et donc la largeur de la bande d'hystérésis de cet étage 5 de protection de la batterie contre les sous-tensions. Les variations de tension de la batterie 3, (entre les points P et M) Représentées sur la figure 2, montrent clairement les interactions entre les valeurs de cette tension UpM et les actions de protection des étages 2 (périodes A, B, C) et 5 (périodes D, E, F) respectivement. On peut en effet distinguer sur cette figure les diverses périddes qui correspondent au fonctionnement décrit précédemment - période A : fonctionnemeitnormalde la batterie - période B1: la charge de la batterie est élevée et se rapproche du seuil d'entrée en action de l'étage de protection 2 - période C : l'étage 2 est entré en action et la liaison entre le dispositif 1 et la batterie 3 est interrompue - période B2: cette même liaison est rétablie - période D : la charge de la batterie diminue de façon importante et se rapproche du seuil d'entrée en action de l'étage de protection 5 ; - période E : l'étage 5~est entré en action et commande la commutation du relais en position d'alarme, avec suppression de la liaison avec le circuit de charge LD et établissement de celle avec le circuit d'alarme AL ; période F: ceieliaison est rétablie, et le relais revient dans sa position de fonctionnement normal (on retrouve alors le fonctionnement observé pendant la période A). Les essais entrepris par la Demanderesse ont conduit à sélectionner, pour un bon fonctionnement du circuit selon l'invention, les valeurs ou les composants suivants - dispositif 1 : module photovoltaique BPX 47 A ou BPX 47 C, fabriqué par la Société [a a Radiotechnique-Compelec - diodes Zener 20, 40 et 50 : composants TL 431 C fabriqués par la Société Texas Instruments - résistances (valeurs exprimées en kilohms) : R1 = R21 = 470 ; R2 -R12 = R22 = 100 ; R3 = R8 Rg -R13 -R17 -R23 28 29 = R30 = 10 ; R4 = 0,1 ; R5 = R6 = R7 = R27 = 1 R11 = 220 ; R26 = 10 (figure 1) ou 3,3 (figure 3) ; R55 = 0,33. Bien entendu, le circuit de protection et de régulation selon l'invention n'est pas limité au mode de réalisation qui vient d'être décrit, donné à titre d'exemple non limitatif et pour lequel des variantes peuvent être proposées sans pour cela sortir du cadre de l'invention. I1 va de soi, par exemple, que ce circuit peut être utilisé avec des étages de conversion d'un autre type que des dispositifs de capture d'énergie solaire, même s'il s'agit là de la pricipale application envisagée. Si l'étage de conversion prévu en tête du circuit selon l'iz vention ne peut supporter un court-circuit complet, on insère-dans le circuit collecteur-émetteur du transistor 21 de l'étage de protection 2 contre les surtensions, entre le point commun à la diode 23 et à la connexion de sortie positive de l'étage de conversion 1 et le collecteur de ce transistor 21, une résistance (de valeur ohmique 5 ohms dans le cas du module BPX 47 C cité plus haut, d'après les essais réalisés) qui assure la dissipation de l'énergie délivrée par l'étage de conversion, la dissipation assurée par le transistor 21 n'ayant alors plus qu'une importance modérée par rapport à celle assurée par cette résistance. On notera enfin que, dans l'étage de protection 5 contre les sous-tensions, au lieu d'un relais à aimant permanent, qui est donc polarisé, d'autres types de relais bistables peuvent être utilisés, tels que des relais à un seul enroulement d'excitation (notamment relais à rémanence par exemple de la marque Gruner), relais à rochet, etc... .Dans le cas d'un relais à rémanence, l'étage à transistors de cet étage 5 comprend un transistor 51c dont la base est toujours reliée à la borne positive de la diode 50 par l'intermédiaire de la résistance R26, mais dont le circuit émetteur-collecteur commande la base d'un transistor 53c ; le circuit émetteur-collecteur de ce transistor 53c est lui-même en série avec une résistance R55, ltenroule- ment 52c du relais, et un condssateur 560 Ainsi, lorsque la diode Zener 50 cesse de conduire , le transitor 51c cesse également de conduire, ce qui entraîne la conduction du transistor 53c. Le condensateur 56, qui était chargé, se décharge dans le circuit émetteur-collecteur du transistor 53c, l'impulsion transitoire correspondante constituant une excitation passagère de l'enroulement 52c suffisante pour assurer le basculement du relais bistable de la position de liaison avec le circuit de charge LD vers la position de liaison avec le circuit d'alarme AL. Réciproquement, le potentiomètre R27, associé en série à la résistance R29, permet comme précédemment de fixer le seuil de retour dans l'autre position du relais et donc la largeur de la bande d'hystérésis de l'étage 5. Lorsque la diode 50 et le transistor 51c redeviennent conducteurs, la charge du condensateur 56 est à nouveau assurée, par l'intermédiaire de la diode 54 reliant le collecteur du transistor 51c à l'enroulement 52c, et le cycle précédent peut à nouveau, éventuellement, se produire. REVENDICATIONS : 1. Circuit de protection et de régulation de tension d'un étage de stockage d'énergie électrique tel que batterie, accumulateur, etc ..., caractérisé en ce qu'il comprend l'association en série (A) d'un étage de conversion (1) transformant en énergie électrique une énergie d'un autre type (B) d'un étage de protection (2) contre les surtensions comprenant lui-même : (1) un premier détecteur à seuil et (2) un circuit de dérivation commandé par ce premier détecteur en cas de surtension ; (C) de l'étage (3) de stockage d'énergie électrique ; (D) d'un étage de protection (5) contre les sous-tensions comprenant lui-même :: (1) un deuxième détecteur à seuil et (2) un circuit bistable de commutation charge-alarme commandé en cas de sous-tension par ce deuxième détecteur par l'intermédiaire d'impulsions passagères ; (E) et d'un étage de charge (6) à deux positions selon l'état du deuxième détecteur. 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que (A) les premier et deuxième détecteurs à seuil sont des diodes Zener (20, 50) dites programmables, placées en parallèle respectivement sur l'étage de conversion et sur l'étage de stockage et dont les seuils de fonctionnement en cas de surtension ou de soustension respectivement peuvent être ajustés à l'aide d'un pont de résistances (R1, R2, R3 R7) ou (R21, R22, R23, R27) également des- tiné, en association avec une résistance R9 ou R29, à fixer le seuil de retour en fin de surtension ou de sous-tension respectivement, et donc la largeur de la bande d'hystérésis de l'étage 2 ou 5 respectivement (B) le circuit de dérivation est composé (1) d'un premier transistor (21), dont le circuit collecteur-émetteur est en parallèle sur la sortie de l'étage de conversion et dont la base est reliée par l'intermédiaire d'une résistance (R4) au point commun au collecteur d'un deuxième transistor (22) et à une résistance (R5) en série avec ce collecteur du transistor (22); (2) de ce deuxième transistor (22), l'association en série du circuit émetteur-collecteur de ce transistor et de la résistance (R5) étant également en parallèle sur la sortie de l'étage de conversion et la base de ce transistor étant reliée à la borne positive de la diode Zener (20) constituant le premier détecteur à seuil (C) le circuit stable de commutation charge-alarme est composé (1) d'un relais bistable BR à fonctionnement impulsionnel ;; (2) d'un étage à transistors, relié à la borne positive de la diode Zener (50) constituant le deuxième détecteur à seuil, et dont le mode de conduction ou de non-conduction commande la position du relais bistable. 3. Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étage à transistors comprend : (A) un troisième transistor (51 a) dont la base est reliée par l'intermédiaire d'une résistance (R26) à la borne positive de la diode Zener (50) constituant le deuxième détecteur à seuil et dont le circuit émetteur-collecteur est relié à un premier enroulement d'excitation (52 a) du relais bistable correspondant à un premier état de ce relais ; et (B) un quatrième transistor (53 a) dont la base est reliée au point commun entre le collecteur du troisième transistor (51 a) et le premier enroulement d'excitation (52 a) du relais et dont le circuit émetteur-collecteur est relié à un deuxième enroulement d'excitation (52 b) du relais bistable correspondant à un deuxième état de ce relais. 4. Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étage à transistors comprend (A) un troisième transistor (51 c) dont la base est reliée à la borne positive de la diode Zener (50) constituant le deuxième détecteur à seuil et dont le circuit émetteur-collecteur est relié à la base d'un quatrième transistor (53 c), ainsi que, par l'intermé- diaire d'une diode (54), à un circuit série comprenant un enroulement d'excitation (52 c) du relais bistable et un condensateur (56) (B) ce quatrième transistor (53 c), dont le circuit émetteur-collecteur est en série avec une résistance tu55), l'enroulement d'excitation (52 c) du relais bistable, et le condensateur (56). 5. Circuit selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce qu'une résistance est prévue dans le circuit collecteurémetteur du premier transistor (21) du circuit de dérivation. 6. Circuit selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un étage (4) de contrôle de la tension délivrée par l'étage de stockage (3) glacé en parallèle sur ce dernier et composé lui-même (A) d'une troisième diode Zener programmable (40) à seuil réglable par l'intermédiaire d'un pont de résistances (R11, R12, R13, R17) placé en parallèle sur l'étage de stockage ; et (B) d'un dispositif (41) de mesure de tension dont la référence zéro du cadran de lecture est décalée hors de ce cadran par la mise en série de ce dispositif avec la troisième diode Zener (40) à seuil réglable. 7. Circuit selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étage de conversion (1) comprend un ou plusieurs modules photovoltalques.