Brevet FR2534381A1 — publié le 19840413

La présente invention concerne un appareil destiné à contrôler à chaque instant la charge ou la décharge d'une batterie ou d'un groupe de batteries électrochimiques. Dans un grand nombre d'applications, les batteries d'accumulateurs sont associées à des chargeurs alimentés par le secteur, notamment des chargeurs réalisés en technologie à découpage en haute fréquence. L'invention vise à créer un appareil qui soit capable de donner en permanence une indication de l'état de charge ou- de décharge d'une batterie ou d'un groupe de batteries en cours d'uti lisation. Elle vise en outre des moyens capables d'utiliser l'indication de charge ou de décharge pour assurer la commande du chargeur. Elle a donc pour objet un appareil indicateur de la charge et de la décharge d'au moins une batterie électrique alimentée par un chargeur de batteries, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mesure du courant d'alimentation débité par le chargeur, des moyens pour convertir l'intensité du courant d'alimentation en signaux de fréquence fonction de ladite intensité, des moyens de comptage desdits signaux de fréquence et des moyens d'affichage du compte délivré par les moyens de comptage et indiquant l'état de charge instantané de ladite batterie. D'autres caractéristiques de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la Fig.l est une vue schématique d'un appareil indicateur de charge et de décharge suivant l'invention; - la Fig.2 est un schéma électrique plus détaillé des moyens de comptage et de visualisation de la charge ou de la décharge constituant l'indicateur de l'appareil de la Fig.l; - la Fig.3 est -un schéma électrique d'un chargeur de batteries d'accumulateurs aaapté pour être utilisé avec l'appareil suivant l'invention. Sur la Fig.l, on a représenté en 1, un chargeur destiné a recharger un groupe de batteries 2A,2B,2C,2D. Ce chargeur est alimenté par le secteur et il est connecté aux batteries 2A à 2D par l'intermédiaire d'un fusible de protection 3. Le nombre de batteries n'est pas limitatif et peut varier de 1 à N batteries montées en série, parallèle, ou série-parallèle. Dans le groupe de batteries précité est placé un shunt de mesure 4 qui sert à analyser la valeur du courant circulant dans ledit groupe tant dans le sens de la charge que dans celui de la décharge. Aux bornes du shunt 4 sont connectés deux conducteurs 5 qui relient ledit shunt aux entrées d'un indicateur 6 afin d'appliquer à celui-ci une tension image du courant circulant dans le shunt 4. L'indicateur 6 qui sera décrit plus en détail à la Fig.2 est un circuit de traitement de l'information qui lui est appliquée sous la forme de la tension mentionnée ci-dessus et qui sert à piloter des moyens d'affichage 7 qui seront également décrits détail en référence à la fiv.2 et qui sont destinés à indiquer en pourcents l'état de capacité résiduelle des batteries. Le circuit indicateur 6 sert de plus à commander le courant débité par le chargeur 1 auquel il est connecté par une boucle de réaction 6a représentée à la Fig.l. En outre, aux moyens d'affichage 7 sont associées deux diodes électroluminescentes 8 et 9 supplémentaires destinées à indiquer l'une, que le chargeur est en fonctionnement et l'autre, que les batteries sont complètement déchargées. Les commandes 10 et 11 sont des circuits prévus pour initialiser l'afficheur 7 à 100 ( commande 10) ou Om ( commande 11) lors de la mise en service des batteries et suivant leur état de charge initial. I1 est en outre prévu un bouton 12 de rappel d'affichage. Sur la Fig.2 à laquelle on va se référer maintenant, on a représenté plus en détail, l'indicateur 6 de l'appareil de la Fig.l. Le shunt 4 branché dans le circuit d'alimentation des batteries 2A à 2D (Fig.l) est connecté par les conducteurs 5 aux entrées d'un convertisseur courant-tension 13. La sortie du convertisseur 13 est connectée par l'intermédiaire d'un potentiomètre de réglage 14 à l'entrée d'un sommateur 15 dont la sortie est reliée à une entrée 168 d'un commutateur 16. La sortie du convertisseur courant-tension 13 est par ailleurs connectée directement à une autre entrée 16A du commutateur 16. Le commutateur 16 est du type analogique. I1 comporte une entrée de commande 16C sur laquelle, il reçoit une information 22 provenant du chargeur 1. L'information 22 n'existe qu'en cas de charge. Par conséquent, lors d'une décharge seule, l'entrée 16A est validée en 16D par le commutateur 16. La sortie 16D du commutateur 16 est connectée à un convertisseur tension-fréquence 18 destiné à assurer l'échantillonnage de l'image de la tension correspondant au courant circulant dans le shunt 4. Entre la sortie 16D du commutateur 16 et le convertisseur 18 est branché un potentiomètre 17 ayant pour but de régler la fréquence d'échantillonnage en fonction de la capacité utile des batteries. La sortie du convertisseur 18 est connectée à un filtre électronique 19 d'anti-parasitage connecté à son tour à l'entrée d'un compteur numérique 20. La sortie du compteur 20 est connectée à un multiplexeur 21 et la sortie de ce dernier est reliée à un ensemble de dix diodes électroluminescentes 7a à 7j qui forme le circuit d'affichage 7 de la Fig.l. Chacune desdites diodes électroluminescentes représente un pourcentage entre 100% et 0 correspondant à l'état de capacité résiduelle des batteries 2A à 2D. La diode électroluminescentes B est connectée à l'entrée 16C au commutateur 16 tandis que la diode électroluminescente 9 est connectée à une sortie 24 du compteur 20. Le chargeur de l'appareil représenté à la Fig.l est représenté plus en détail à la Fig.3. Le réseau d'alimentation en courant alternatif est représenté en 25. Le secteur est connecté aux bornes d'un filtre 26 de rejection de parasites à la sortie duquel est connecté un pont redresseur 27 qui est relié par l'intermédiaire d'une résistance 28 de limitation du courant de charge et d'un condensateur de lissage 29 branchés en parallèle, à une borne de l'enroulement primaire d'un transformateur 30. L'enroulement secondaire du transformateur 30 est connecté à une diode de redressement ultra rapide 31 en série avec laquelle est connectée une inductance 32, un condensateur 33 étant branché entre le point de jonction de la diode 31 et l'inductance 32 d'une part et la borne opposée de l'enroulement secondaire du transformateur 30 d'autre part. L'inductance 32 et le condensateur 33 constituent une cellule d'anti-parasitage destinée à empêcher la transmission au circuit basse tension des parasites à haute fréquence qui perturberaient le fonctionnement correct du compteur numérique 20 ( Fig.2 ). En série avec l'enroulement primaire du transformateur 30 est en outre connecté un transistor MOS de commutation 34 aux bornes duquel est connectée une diode de protection 35. La grille du transistor 34 est connectée à une sortie de commande 368 d'un circuit de traitement 36 qui génère par ailleurs les signaux de commande 22 destmés au commutateur analogique 16 et au compteur numérique 20. Le circuit 36 contient un oscillateur non représenté connecté au transistor 34 et dont la fréquence, de l'ordre de 40 à 50 kHz détermine la fréquence de commutation de ce transistor. Le fonctionnement de l'appareil qui vient d'être décrit est le suivant. On suppose que le chargeur 1, alimenté par le secteur, débite dans les batteries un courant de charge qui est mesuré par le shunt 4 et appliqué par les conducteurs 5 au convertisseur courant-tension 13. Celui-ci délivre à sa sortie une tension correspondant tant par sa valeur absolue que par son signe au courant de charge mesuré. Cette tension est appliquée d'une part directement à l'entrée 16A du commutateur analogique 16 et d'autre part, à travers le potentiomètre 14, au sommateur 15 et de la sortie de ce dernier, à l'entrée 168 du commutateur analogique 16. Celui-ci reçoit sur son entrée 16C le signal 22 engendré à la sortie 36E du circuit de traitement 36 lorsque le chargeur débite un courant de charge. I1 y a basculement au commutateur 16 sur son entrée 16B. Le signal apparaissant sur la sortie 16D du commutateur 16 est converti par le convertisseur 18 en une fréquence image de la tension correspondant au courant de charge qui circule dans le shunt 4. Le réglage du potentiomètre 17 permet de régler la fréquence d'échantillonnage en fonction de la capacité utile des batteries. Le convertisseur 18 émet des tops qui sont débarrassés de leurs parasites par le filtre électronique 19 et appliqués à l'entrée du compteur numérique 20. Pendant la charge de la batterie, il y a incrémentation du compteur 20 pas à pas et le compteur commande par l'intermédiaire du multiplexeur 21 l'allumage successif des diodes électroluminescentes 7a à 7j en fonction de l'augmentation de la charge emmagasinée dans les batteries 2A à 2D. Lorsque la charge des batteries correspond à leur capacité de 100%, la diode 7j est allumée. Les conditions de recharge des batteries, notamment des batteries au plomb et électrolyte, doivent respecter certaines règles afin de garantir leur durée de vie maximale. 1) la charge doit avoir lieu à courant constant; 2) il faut affecter au nombre d'ampère-heures de recharge, un coefficient de correction par rapport au nombre d'ampère-heures de décharge pour tenir compte du rendement électrochimique des batteries; 3) on ne doit pas dépasser le seuil de recharge. La charge à courant constant est assurée par le chargeur lui-même, par régulation du courant de sortie en fonction des variations du courant de charge mesurées par le shunt 4 et appliquées à l'entrée 36D du circuit de traitement 36 après conversion en fréquence dans le convertisseur 18 et comptage dans le compteur 20. Afin de ne pas entrainer les batteries en surcharge prolongée, le circuit de la Fig.2 permet de comptabiliser le nombre d'ampère-heures de recharge de celles-ci. La tension image du courant circulant dans le shunt 4 est traitée par le circuit 15 qui en coopération avec le potentiomètre 14, assure la pondération des ampère-heures de recharge en tenant compte du rendement électrochimique des batteries (dans le cas de batteries au plomb, le coefficient de pondération est évalué à 1,15). A l'entrée du convertisseur tension-fréquence 18 apparait donc une tension pondérée, image du courant de recharge. L'information 22 issue du chargeur 1 ou plus précisément de son circuit de traitement 36, assure le positionnement du compteur numérique 20 et l'excitation de la diode électroluminescente 8 indiquant que le chargeur est en service. Lorsque le compteur 20 arrive à son dernier pas, il délivre sur sa sortie 23 un signal logique qui est appliqué au circuit de traitement 36 du chargeur (Fig.3) afin de le faire passer en position d'entretien dans laquelle il débite un courant réduit égal par exemple à la moitié du courant de charge normal. La réduction de moitié du courant de charge est obtenue en interrompant l'alimentation de l'oscillateur de commande du transistor de commutation 34 pendant des intervalles de temps égaux aux intervalles de temps d'alimentation dudit oscillateur. En outre, le circuit 36 comporte un dispositif de tempo risation réglée par un potentiomètre 37 qui commande au bout d'un temps prédéterminé, l'arrêt de l'oscilleteur de commande du transistor 34. I1 -en résulte une limitation dans le temps du maintien de la charge d'entretien sur les batteries. Lorsque les batteries sont connectées à un circuit d'utilisation, l'appareil suivant l'invention indique à tout instant leur état de décharge de la façon suivante. Le courant circulant dans le shunt est de sens contraire au courant de charge et entraine l'apparition à la sortie du circuit convertisseur courant-tension 13 d'une tension de polarité inverse à la tension correspondant au courant de charge. L'absence du signal 22 sur le commutateur 16 entraine la validation de son entrée 16A. A la sortie 16D du commutateur apparait une tension image du courant de décharge qui est convertie en fréquence par le convertisseur 18 et après filtrage, appliquée au compteur 20 qui fonctionnne alors en décompteur. On suppose à titre d'exemple que le compteur 20 a une capacité de 4096 positions et que le groupe de batteries 2A à 2D a une capacité utile de 24 ampère-heures pour un régime de décharge de 30 ampères. La fréquence de décrémentation ou de dé comptage du compteur a alors la valeur suivante. 4096 = 0,0474 Hz, 24 x 3600 de sorte que pour un courant de décharge de 30 ampères, le convertisseur tension-fréquence 18 a une période de Cette période est obtenue à l'aide du réglage du potentiomètre 17 ( Fig.2). La capacité totale de 24 ampère-heures étant comptabili sée à l'aide de 4096 positions du compteur 20, la mesure de la variation de cette capacité entre son maximum et zéro à l'aide des dix diodes 7a à 7j implique un passage d'une diode à la diode suivante toutes les 410 positions, ce qui représente une capacité déchargée de 2,4 ampère-heures par diode électroluminescente. L'allumage successif des diodes 7j à 7a indique donc la décharge progressive des batteries. Lorsque le compteur 20 atteint ü, il engendre un signal sur sa sortie 24 et l'allumage ae le diode 9 montrant que les batteries sont complètement déchargées. Afin de faciliter la compréhension du fonctionnement de l'ensemble chargeur-indicateur, tous les éléments constitutifs tels que ceux de la Fig.2 et le circuit 36 du chargeur ont été représentées séparément et l'on voit que l'ensemble peut fonctionner alternativement en charge ou en décharge. Dans le cas où toutes ces fonctions seraient réunies en un seul microprocesseur ou circuit intégré adéquat, celui-ci pourrait en outre être programmé pour gérer, en même temps, les ampère-heures de charge et les ampère-heures de décharge. I1 suffirait de remplacer la ligne de commande 22 par un analyseur de sens de courant circulant dans le shunt, qui assurerait les commutations nécessaires. D'autres particularités du système peuvent également être envisagées: - la rampe de diodes 7 ainsi que les deux diodes 8 et 9 peuvent être physiquement séparées de l'ensemble et être ingégrées dans un panneau de visualisation de centrale; -les diodes électroluminescentes peuvent être remplacées par a'autres moyens d'affichage tels que rampes de cristaux liquides, des moyens d'affichage numérique en pourcents, etc; - il peut être prévu, dans le logiciel du microprocesseur, un programme de routine qui commande l'extincteur des diodes si le courant circulant dans le shunt a été détecté nul pendant un temps déterminé, ce afin d'éviter une consommation permanente sur les batteries. Le bouton de rappel d'affichage 12 (Fig.2) permet cependant de rappeler l'affichage lorsqu'on le souhaite. Dans l'exemple décrit ci-dessus, l'invention est considérée comme étant appliquée à un chargeur de type à découpage, mais on comprend qu'un chargeur classique à transformateur et pont à thyristors peut également être associé à l'appareil de l'lnven- tion. Un circuit électronique de commande des gachettes ds thyristors remplira alors les fonctions de - régulation du courant de charge - basculement en charge d'ehtretien (IN/2) - blocage en fin d'entretien. L'invention s'applique également à d'autres types de chargeurs, notamment les chargeurs à condensateurs. L'invention peut s'appliquer à tous les systèmes utilisant des batteries tels que chariots de manutention, véhicules électriques, ou montées en tampon dans des installations diverses: éclairage de secours, alimentations en téléphonie, surveillance et sauvegarde d'ordinateurs, groupes générateurs solaires suivant le procédé photovoltaïque, etc . REVENDICATIONS 1. Appareil indicateur de la charge et de la décharge d'au moins une batterie électrique (2A à 2D) alimentée par un chargeur de batteries (1), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (4) de mesure du courant d'alimentation débité par le chargeur, des moyens (13,15,17,18) pour convertir l'intensité du courant d'alimentation en signaux de fréquence fonction de ladite intensité, des moyens (2û) de comptage desdits signaux de fréquence et des moyens (7) d'affichage du compte délivré par les moyens de comptage et indiquant l'état de charge instantané de ladite batterie. 2. Appareil indicateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure du courant débité par le chargeur (1) sont constitués par un shunt (4) connecté dans le circuit d'alimentation de ladite batterie (2A à 2D) et en ce que lesdits moyens pour convertir l'intensité du courant d'alimentation en signaux de fréquence comportent un convertisseur couranttension (13) connecté aux bornes dudit shunt (4) et dont la sortie est connectée à son tour à un convertisseur tension fréquence (18) par l'intermédiaire d'un circuit (36) de discrimination entre le fonctionnement en charge et en décharge de l'ensemble, le circuit de discrimination (16) comportant une entrée de commande (16C) à partir du chargeur (1). 3. Appareil indicateur suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le circuit de discrimination. (16) est un commutateur analogique dont une première entrée (16A) est connectée directement à la sortie du convertisseur courant-tension (13) et dont une seconde entrée (168) est connectée à la sortie de ce convertisseur courant-tension par l'intermédiaire d'un potentiomètre (14) de pondération des ampère-heures de recharge compte tenu du rendement électrochimique des batteries et d'un sommateur (15), la connexion directe du convertisseur couranttension (13) à l'entrée (16A) du commutateur constituant la voie pour le signal indiquant un fonctionnement en décharge, tandis que sa connexion à l'entrée (16A) par l'intermédiaire du potentiomètre (14) et du sommateur (15) constituant la voie pour le signal indiquant le fonctionnement en charge de l'ensemble, la validation de l'une ou de l'autre de ces deux entrées (16A, 168) étant assurée par des signaux de commande (22) appliqués à l'entrée de commande (16C) du commutateur (16) et provenant.d!un circuit de traitement (36) qui fait partie du chargeur (1). 4. Appareil indicateur suivant l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la sortie (16A) du circuit de discrimination est connectée au convertisseur tension-fréquence (18) par l'intermédiaire d'un potentiomètre (17) de réglage de la fréquence dudit convertisseur. 5. Appareil indicateur suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens (20) de comptage des signaux de fréquence comportent une entrée de validation connectée au chargeur (1), et une sortie (23) de commande de la réduction du courant de charge débité par le chargeur lorsque le compte desdits moyens de comptage atteint sa valeur maximale. 6. Appareil indicateur suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens (7) d'affichage de l'état de charge de la batterie (2A à 2D) comportent un groupe de diodes électroluminescentes (7a à 7j) connectées auxdits moyens de comptage (20) par l'intermédiaire d'un multiplexeur, chacune des diodes (7a à 7j) étant destinée à indiquer un état de charge en pourcentage de la charge maximale. 7. Appareil indicateur suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (8) pour indiquer que le chargeur (1) est en service et des moyens (9) pour indiquer que la batterie est complétement déchargée. 8. Appareil indicateur suivant les revendications 3 et 7, prises ensemble, caractérisé en ce que les moyens (8) pour indiquer que le chargeur (1) est en service sont constitués par une diode électroluminescente connectée à la sortie (36E) de commande du circuit de traitement (36) du chargeur (1) qui est en outre connectée au commutateur (16) et aux moyens de comptage (20) tandis que les moyens (9) pour indiquer que la batterie (2A à 2D) est complètement déchargée sont constitués par une diode électroluminescente connectée à une sortie (24) desdits moyens de comptage (26). 9. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que le chargeur (1) étant réalisé en technologie à découpage, le circuit de traitement (36) comporte un oscillateur qui définit la fréquence de découpage du chargeur et dont le fonctionnement est commandé à partir de l'état desdits moyens de comptage (20) ainsi qu'un circuit de temporisation comportant un potentiomètre de réglage (37) destiné à interrompre le fonctionnement du chargeur (1) au bout d'un temps prédéterminé correspondant à une période de surcharge d'entretien.