Brevet FR2605415A1 — publié le 19880422

La présente invention concerne un appareil pour contrôler l'état de charge d'une pile. Les appareils électroniques portatifs, comme par exemple des ordinateurs portatifs, sont alimentés par des piles comme par exemple des piles au nickel-cadmium (NiCd) rechargeables. Cependant un problème essentiel, qui se pose avec un tel appareil, est de garantir qu'il existe une charge suffisante dans la pile pour permettre à l'appareil d'exécu- ter une fonction particulière avant qu'une recharge de la pi- le devienne nécessaire. Dans le cas d'un ordinateur portatif, une chute inattendue de puissance peut empêcher l'achève- ment d'un travail, lorsque la tâche est confiée à l'ordina- teur. Dans des conditions extrêmes, une perte de données est possible. Jusqu'alors, des tentatives ont été effectuées pour disposer d'une indication fiable de la valeur de la char- ge subsistant dans un système d'alimentation en énergie à pi- les pour un tel appareil, mais ces tentatives étaient en gé- néral limitées au contrôle de la tension de sortie des piles. Etant donné que la tension de sortie des piles au nickel-cad- mium reste sensiblement constante depuis la charge complète jusqu'à une décharge presque complète, il s'est avéré impos- sible d'obtenir une indication précise de l'état de la char- ge de la pile sur la base de la tension délivrée par cette dernière. La présente invention a pour but de fournir un appareil perfectionné permettant de contrôler l'état de char- ge d'une pile. La présente invention fournit un appareil per- mettant de contrôler l'état de charge d'une pile, comprenant des moyens pour contrôler le taux. de charge ou de décharge de la pile et produire une série d'impulsions pendant ladite charge ou décharge, la fréquence desdites impulsions étant proportionnelle au taux de charge ou de décharge; et des moyens pour compter lesdites impulsions et fournir une indication de l'état de l'état de charge de ladite pile en fonction dudit nombre compté. La présente invention fournit également un or- dinateur alimenté par une pile, comportant des moyens pour contrôler le taux de charge ou de décharge d'une pile au nickel-cadmium de l'ordinateur et produire une série d'impul- sions pendant ladite charge ou décharge, la fréquence desdi- tes impulsions étant proportionnelle au taux de charge ou de décharge; et des moyens pour compter lesdites impul- sions et fournir une indication de l'état de charge de ladite pile en fonction dudit nombre compté. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci- après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est un graphique représentant la variation de la tension en fonction du temps et de la capaci- té de charge d'une pile au nickel-cadmium; et - la figure 2 représente le schéma d'un circuit d'une forme de réalisation préférée de la présente invention incluse dans un ordinateur portatif. En se référant aux dessins, la figure 1 montre que la variation de la tension de sortie d'une pile au NiCd reste sensiblement constante lorsque l'état de charge de la pile varie de l'état complètement chargé à l'état presque com- plètement déchargé. C'est pourquoi le contrôle de la tension de sortie de la pile ne fournirait pas de façon nette une in- dication fiable de l'état de charge de la pile. La figure 2 représente un circuit préféré 10 utilisable pour le contrôle de l'état de charge de piles au nickel-cadmium installées dans un ordinateur portatif, et com- portant un circuit de charge 40, un circuit intégrateur 80, un circuit 120 de mise en forme d'impulsions et un compteur faisant partie d'un microprocesseur 160. Le circuit 10 possède des conducteurs 12,14 ap- pliquant une tension positive et une tension négative et com- portant des bornes d'entrée 16 pouvant être raccordées à une source du courant de charge. Le circuit de charge 40 comporte un transistor de puissance 42 utilisé pour la charge et dans lequel la voie collecteur-émetteur est raccordée au conducteur d'alimenta- tion 12 et dont la base est couplée par l'intermédiaire d'un transistor de commutation 44 au conducteur d'alimentation né- gatif 14. La base du transistor de commutation 14 est raccordée à une sortie d'une bascule bistable 18 dont l'autre sortie est raccordée à une entrée du compteur 140. Le circuit de charge comporte également une série de pilesau nickel-cad- mium 46 branchées en série entre les conducteurs d'alimenta- tion 12,14 et auxquelles un courant de charge est délivré par l'intermédiaire du transistor 42. Un capteur de température 48, qui possède de façon appropriée la forme d'une bande bi- métallique, est étroitement associé aux Diles 46 et entre eux les conducteursd'alimentation 12et 14 parl'intermédiaired'une résistance montée en série 47 de manière à délivrer une impulsion de commuta- tion à une entrée de la bascule bistable 18 (raccordée à la jonction entre le capteur 48 et la résistance 47) lorsque la bande bimétallique 48 est déclenchée. Cette dernière sert à contrôler la température des piles 46 et met à profit le fait que, lorsque les piles au nickel-cadmium sont totalement char- gées, leur température augmente rapidement, ce qui déclenche la bande bimétallique 48 de manière à commuter la bascule bi- stable 18. Une seconde entrée de la bascule bistable 18 est raccordée à une sortie d'un amplificateur opérationnel 162, qui est également raccordée une entrée 14 du compteur. L'en- trée de l'amplificateur 162 est raccordée au conducteur 12 appliquant la tension positive, de sorte que l'amplificateur 152 applique un signal logique I à l'entrée 14 du compteur et à la seconde entrée de la bascule bistable lorsqu'une sour- ce d'application de la charge est raccordée aux bornes 16. Le circuit intégrateur 80 contient un amplifi- cateur opérationnel 82, dont l'entrée inverseuse et l'entrée non inverseuse sont connectées avec une résistance 84 de très faible valeur, de façon typique 0,2 ohm, qui est branchée en série avec les piles 46. De préférence la résis- tance 84 est raccordée au point médian du réseau en série de piles, bien que ceci ne soit pas critique. La sortie de l'amplificateur opérationnel 82 est raccordée à son entrée inverseuse au moyen d'un condensa- teur à fuite faible 86 et d'un interrupteur 88 branché en pa- rallèle, commandé par le microprocesseur 160 de l'ordinateur. Lorsqu'un courant de charge ou de décharge traverse la résis- tance 84, ceci charge le condensateur 86 en provoquant une croissance linéaire du signal de sortie de l'amplificateur opérationnel jusqu'à ce que, pour un niveau préréglé de la tension de sortie contrôlé par le microprocesseur, l'inter- rupteur 88 soit actionné par le microprocesseur 60, ce qui entraîne une décharge du condensateur 86 et une réduction li- néaire de la tension de sortie de l'amplificateur opération- nel 82. Lorsque le niveau de la tension de sortie tombe à une seconde valeur préréglée, l'interrupteur 88 est à nouveau dé- clenché par le microprocesseur 160 de manière à décharger ra- pidement et complètement le condensateur 86. Ceci permet alors au condensateur 86 de commencer à nouveau à se charger, ce qui entraîne à nouveau un accroissement du niveau de la ten- sion de sortie de l'amplificateur 82. Ce cycle est répété à la fois pendant la charge et la décharge des piles 46, le si- gnal de sortie du circuit intégrateur 80 possédant par consé- quent une forme d'onde en dents de scie. Comme on le notera, plus le courant traversant les piles 46 et par conséquent la résistance 84 est intense, plus le condensateur 86 se charge rapidement et par conséquent plus la fréquence de la forme d'onde de sortie du circuit in- tégrateur 80 est élevée. Le signal de sortie du circuit intégrateur 80 est appliqué à un circuit 120 de mise en forme d'impulsions, qui est constitué par un couple de transistors 122, 124 dont les sorties sont accouplées par l'intermédiaire d'un couple de circuits de commande de transfert 126,128 à une entrée du microprocesseur et à une autre entrée du circuit de comptage 140. La sortie du circuit 120 de mise en forme d'impulsions change d'état (c'està-dire qu'elle est commutée du- 1 logique au 0 logique ou vice versa) chaque fois que la sortie du cir- cuit intégrateur passe au niveau haut ou au niveau bas. Etant donné que la fréquence de la forme d'onde de sortie du cir- cuit intégrateur 80 est proportionnelle au courant traversant les piles 46, le circuit 120 de mise en forme d'impulsions délivre un train d'impulsions dont la fréquence,et par consé- quent le nombre, est proportionnelle au courant de charge et de décharge traversant les piles. Ces impulsions sont comptées par le compteur 140 qui compte dans un sens si les piles se chargent et dans le sens inverse si les piles se déchargent. Ceci fournit par conséquent un nombre compté représentatif de la quantité totale du courant de charge ou du courant de décharge qui a traversé les piles 46, et à partir de là on peut obtenir une évaluation nette de l'état de charge des pi- les. On va décrire ci-après le fonctionnement du cir- cuit. Avant de pouvoir utiliser le circuit de manière à obtenir une évaluation précise de l'état de charge des pi- les, il faut l'étalonner et cet étalonnage est réalisé au sta- de de la fabrication. Une intensité précise du courant de char- ge traverse les piles 46 pendant un intervalle de temps pré- réglé. Le nombre des impulsions produites par le circuit 120 de mise en forme d'impulsions pendant cet intervalle de temps est compté par le compteur et est mémorisé de manière à être utilisé par le microprocesseur en tant que facteur d'étalon- nage. Après avoir déterminé le nombre des impulsions qui sont produites par une intensité connue de façon précise du cou- rant de charge (et par conséquent du courant de décharge), on peut avoir une évaluation précise de l'état de charge ou de décharge des piles en fonction du nombre compté d'impul- sions pendant la charge ou la décharge de ces piles. Pour réaliser la charge des piles 46, on raccor- de un chargeur aux bornes de charge 16. Ceci entraîne l'appa- rition, sur la sortie de l'amplificateur 162, d'un signal logique 1 qui déclenche la bascule bistable 18 en plaçant le transistor 44 à l'état conducteur, ce qui, à son tour, place le transistor de charge 42 à l'état conducteur. L'application du signal logique I à l'entrée 14 du compteur amène également ce dernier à compter dans un premier sens ou sens de comptage de charge. Lorsque la charge est achevée, la température des piles 46 augmente rapidement, ce qui déclenche alors le cap- teur 48 qui à son tour commande la bascule bistable 18. Le transistor de charge 42 est de ce fait placé à l'état bloqué par un signal de sortie de la bascule bistable et par un si- gnal appliqué par l'autre sortie de la bascule bistable 18 au compteur 140, ce signal étant utilisé pour régler le comp- teur de manière qu'il indique que les piles sont totalement chargées. Si l'on retire ensuite le chargeur, la sortie de l'amplificateur 162 tombe au niveau logique O0, qui est appli- qué à l'entrée 14 du compteur de manière à inverser le sens de comptage. Pendant l'utilisation de l'appareil, lorsque les piles 46 se déchargent, le compteur 140 compte les impul- sions produites par le circuit intégrateur 80 et par le cir- cuit 120 de mise en forme d'impulsions, dans un second sens ou sens de comptage de décharge. Ce nombre compté estdirectenent proportionnel à la quantité de charge perdue par les piles 46, et une comparaison avec la valeur d'étalonnage mémorisée antérieurement dans le microprocesseur permet par conséquent à ce dernier de fournir une indication précise de la quantité de charge restant dans les piles. Ceci peut être indiqué sur un dispositif d'affichage optique comme par exemple un dispo- sitif d'affichage à cristal liquide, par exemple sous la for- me d'un chiffre en pourcentage. Comme cela a été mentionné précédemment, la pré- sence d'une source de charge au niveau des bornes de charge 16provoque l'apparition d'un signal logique I sur la sortie de l'amplificateur 162, ce qui positionne le compteur effec- tuant un comptage dans le sens de la charge et positionne la bascule bistable de manière à placer les transistors 44 et 42 à l'état conducteur. Cependant, si l'on retire la sour- ce de charge avant que les piles soient totalement chargées et par conséquent avant que les transistors 42 et 44 soient placés à l'état bloqué par le capteur 48, la sortie de l'am- plificateur 162 et par conséquent le signal présent sur la borne 14 reste au niveau logique I Sous l'effet d'une con- duction inverse dans la voie collecteur-émetteur du transis- tor de charge 42, la tension aux bornes des piles 46 apparaît en tant que signal d'entrée 14, ce qui fournit une indication fausse du fait que la source de charge serait encore présente, et amène le compteur à poursuivre son comptage dans le sens de la charge. C'est pourquoi, afin de tester la présence d'une source de charge, une impulsion devenant négative est appliquée à artirdu microprocesseur 160 à la base du transistor de commutation 44, toutes les cinq secondes, par l'intermé- diaire d'une diode 170. Cette impulsion place le transistor de charge 42 à l'état bloqué, ce qui isole les piles 46 de l'entrée de l'amplificateur 162, d'o il résulte que, si la source de charge n'est pas présente, alors l'entrée et par conséquent la sortie de l'amplificateur 162 sont commutées du 1 logique au 0 logique, ce qui règle le compteur de maniè- re qu'il compte dans le sens de la décharge et ramène à l'état initial la bascule bistable, ce qui place les transistors 44 et 42 à l'état bloqué. Par conséquent on obtient une indica- tion nette de l'absence de la source de charge 16, ce qui ga- rantit que le compteur effectue son comptage dans le sens de la décharge et permet au transistor de charge 42 de passer à l'état bloqué. Ce transistor empêche également une décharge inutile des piles 46 dans le transistor 42. Lorsqu'on raccor- de à nouveau la source de charge à la borne 16, le signal pré- sent sur la sortie de l'amplificateur 162 fournit à nouveau un 1 logique, ce qui indique que la source de charge 16 est présente et permet la mise à l'état conducteur du transistor 42, pour la charge. Un circuit série 50 comprenant une résistance et une diode est branché en parallèle avec la voie collecteur- émetteur du transistor de charge 42. Ce circuit garantit que, une fois que les piles 46 sont complètement chargées, alors que la source de charge est encore raccordée et que le tran- sistor 42 est placé à l'état bloqué, une charge de maintien est maintenue appliquée aux piles. Le niveau de cette charge de maintien est suffisant pour garantir qu'il existe un cou- rant de charge net appliqué aux piles, ce qui garantit que les piles sont maintenues à l'état entièrement chargé même lorsqu'on utilise l'ordinateur. Il apparaîtra à l'évidence, de ce qui précède, que le circuit établit une distinction nette entre des impul- sions produites pendant la charge et la décharge des piles 46, le compteur effectuant un comptage dans un premier sens pendant la charge et dans un sens inverse pendant la décharge. Le calcul de l'état de charge des piles 46 à partir du nombre d'impulsions comptées pendant la charge et la décharge peut être exécuté d'une manière précise et est réalisé de façon avantageuse par un programme approprié mémorisé dans le mi- croprocesseur. REVENDICATIONS 1. Appareil pour contrôler l'état de charge d'une pile (46), caractérisé en ce qu'il comporte des premiers moyens (40,80,120) pour contrôler le taux de charge ou de dé- charge de la pile et produire une série d'impulsions pendant ladite charge ou ladite décharge, la fréquence desdites impul- sions étant proportionnelle au taux de charge ou de décharge, et des seconds moyens (140) servant à compter lesdites impul- sions et à délivrer une indication de l'état de charge de la- dite pile (46) en fonction dudit nombre compté d'impulsions. 2. Appareil selon la revendication 1, caracté- risé en ce que lesdits premiers moyens (40,80,120) compren- nent un condensateur (86) et des troisièmes moyens (40) ser- vant à valider en alternance l'opération de charge dudit con- densateur à un taux proportionnel au taux de charge ou de dé- charge de ladite pile (46), et la décharge dudit condensateur. 3. Appareil selon la revendication 2, caracté- risé en ce que lesdits troisièmes moyens (40) Deuvent fonc- tionner en réponse au fait que la charge du condensateur aug- mente jusqu'à un premier niveau préréglé, pour amener ledit condensateur à commencer à se décharger, etpeuventfonctionner en réponse au fait que ladite charge tombe à un second niveau préréglé, pour amener ledit condensateur à se décharger com- plètement et à permettre à une nouvelle opération de charge de commencer. 4. Appareil selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens (40,80, ) peuvent agir de manière à contrôler le taux de charge ou de décharge de la pile par contrôle du flux de courant tra- versant ladite pile (46) et charger ledit condensateur (86) en fonction dudit flux de courant. 5. Appareil selon l'une quelconque des revendi- cations 2 à 4, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens (40,80,120) comprennentun circuit (120) de mise en forme d'im- pulsions, pouvant agir de manière à contrôler l'opération de charge et de décharge dudit condensateur (86) et produire la- dite série d'impulsions, dont la fréquence est proportionnel- le à la durée du cycle de charge et de décharge dudit conden- sateur (86). 6. Appareil selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit de charge (40) servant à appliquer un courant de char- ge à partir d'une source de charge à ladite pile (46). 7. Appareil selon la revendication 6, caracté- risé en ce qu'il comprend en outre des quatrièmes moyens (160) servant à détecter la présence ou l'absence d'une source de charge et commander le sens ducomptage desdits seconds moyens (140) en fonction de la détection faite. 8. Appareil selon la revendication 7, caracté- risé en ce que lesdits quatrièmes moyens (160) peuvent agir de manière à inhiber ledit circuit de charge (40) en l'absen- ce de ladite source de charge afin d'empêcher la décharge de ladite pile dans ledit circuit de charge (40). 9. Appareil selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que lesdits quatrièmes moyens (160) comprennent des moyens pour produire un premier signal en ré- ponse à la présence de ladite source de charge; des moyens (42) pour valider ledit circuit de charge en réponse audit premier signal; et des moyens (162) servant à tester pério- diquement la présence de ladite source de charge par inhibi- tion dudit circuit de charge pendant un intervalle de temps préréglé, ce qui amène lesdits moyens générateurs à produire un second signal en l'absence de ladite source de charge et amène lesdits moyens de validation a inhiber ledit circuit de char- ge (40) en réponse audit second signal. 10. Appareil selon l'une quelconque des reven- dications 6 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour contrôler l'état de charge de ladite pile (46) et inhiber ledit circuit de charge (40) lorsque ladite pile est complètement chargée afin d'empêcher la poursuite de la il charge de ladite pile, et pour amener à zéro lesdits seconds moyens (140) afin d'indiquer un état de pleine charge de la- dite pile. 11. Appareil selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que lesdits quatrièmes moyens (160) sont constitués par un microprocesseur.