Brevet FR2605153A1 — publié le 19880415

SYSTEME AUTONOME D'ALIMENTATION ELECTRIOUE La présente invention concerne un système autonome d'alimentation electrique De façon plus précise l'invention a pour objet un tel système qui permette d'assurer le fonctionnement d'une installation électrique fonctionnant essentiellement par appels importants de courant de durées limitées et qui confère de plus à l'installation électrique une autonomie de fonctionnement de plusieurs mois. Il existe de plus en plus d'appareils, en partie électriques, qui, pour le fonctionnement de leur partie électrique, ne requièrent qu'une alimentation en énergie électrique intermittente. On peut citer comme exemple les bornes de stationnement pour contrôler le paiement de la taxe requise pour le stationnement de véhicules automobiles. De telles machines comportent des circuits électroniques qu'il faut alimenter et des moyens d'impression des tickets qui sont délivrés aux automobilistes après paiement de la taxe de stationnement afin de pouvoir faire la preuve du paiement effectué. Ces moyens d'impression consistent le plus souvent en une tête d'impression thermique. A chaque opération d'impression, l'alimentation des points d'impression provoque un appel de courant instantané important. -2- Pour l'alimentation des bornes de stationnement, une première solution consiste à utiliser le secteur à 110 ou 220 volts. Cette solution impose des travaux importants pour raccorder la machine au réseau de distribution d'électricité. Une deuxième solution consiste à alimenter la machine par une batterie et à recharger périodiquement la batterie sur le réseau d'éclairage public, réseau qui est fixe mais alimenté seulement périodiquement (périodes d'éclairage). Cette solution requiert encore des travaux de raccordement au réseau d'éclairage public. Une autre solution consiste à alimenter l'installation à directement l'aide d'une batterie, et à prévoir le rechargement en atelier de la batterie. La solution la mieux adaptée réside bien sur dans l'utilisation d'une alimentation électrique autonome. Cette alimentation doit avoir une autonomie de plusieurs mois, typiquement six mois. Cette exigence d'autonomie est bien sur dictée par les impératifs d'abaissement du coût de maintenance des bornes de stationnement. Des piles électriques groupées en "batteries" permettent d'obtenir la tension requise et la capacité nécessaire à une telle autonomie. Cependant les piles ne sont pas des sources d'énergie électrique supportant des appels de courant importants. Selon les technologies mises en oeuvre, les piles ne peuvent fournir, pendant quelques secondes à quelques minutes, que des courants ne dépassant pas une valeur allant de la dizaine de mA à un Ampère pour les plus performantes. De plus, lors de la fourniture de tels courants la tension délivrée par la pile subit une chute d'autant plus élevée que l'intensité du courant délivré est grande. Il en résulte que, pour l'application considérée, une alimentation directe par piles est exclue. -3 - Pour remédier à ces inconvénients, un objet de l'invention est de fournir un système d'alimentation électrique autonome qui présente une capacité élevée tout en autorisant des appels de courant importants. Un autre objet de l'invention est de fournir un système d'alimentation électrique autonome qui présente de plus un encombrement réduit. Pour atteindre ce but, selon l'invention, le système autonome d'alimentation électrique se caractérise en ce qu'il comprend:au moins une pile pour fournir la quantité d'énergie électrique requise; une batterie d'accumulateur montée en tampon par rapport aux bornes d'utilisation;et un régulateur-chargeur de batterie comprenant des moyens pour adapter le régime de charge de la pile à la consommation effective d'énergie sur la batterie, et des moyens pour maintenir l'état de charge de la batterie dans une plage proche de la pleine charge. De préférence la charge de la batterie est effectuée à courant sensiblement constant De préférence également LE régulateur-chargeur comprend des moyens pour interrompre le débit de la pile lorsque la batterie atteint un état de charge fixé comme maximum et des moyens pour lancer périodiquement la recharge de la batterie au bout d'un temps qui est fonction de la consommation en énergie électrique par le dispositif alimenté par le ssystème autonome. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à -4- titre d'exemple non limitatif. La description se réfère au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est un schéma de principe du système autonome d'alimentation électrique selon l'invention; La figure 2 montre sous forme de block-diagramme un mode préféré de réalisation du chargeur de batterie; et La figure 3 montre sous forme détaillée le mode de réalisation du chargeur de la figure 2. En se référant tout d'abord à la figure 1, on va décrire l'organisation générale du système autonome d'alimentation électrique selon l'invention. Il comprend deux piles 2 et 4 qui sont montées en parallèle à l'entrée d'un chargeur de batterie 6. La sortie du chargeur 6 est reliée aux bornes 8 d'utilisation du système d'alimentation. Entre le chargeur 6 et les bornes 8, une batterie d'accumulateur 10 est montée en tampon.La batterie 10 est du type au plomb. Elle délivre une tension nominale de 12 volts. Chaque pile 2 ou 4 fournit une tension normale de 8,7 volts et présente une capacité suffisante pour assurer l'autonomie souhaitée Le chargeur 6 fournit un courant constant sous la tension de fin de charge de batterie préconisée. Sa tension de sortie peut varier entre 9 et volts. Il est alimenté par un courant de 70 mA sous 7,4 volts. En fait, sa tension d'alimentation peut varier de 4,5 à 9 Volts. Le chargeur a un rendement de 80 % Si l'on admet que le rendement charge/décharge de la batterie 10 est égal à 90%, le rendement énergétique global du système d'alimentation est égal à 70%. En se référant aux figures 2 et 3 on va décrire plus en détail le chargeur de batterie 6 de la figure 1. Le chargeur 6 comprend un régulateur à découpage 20 qui est monté entre la masse et la ligne 22 qui relie le point commun 2,4 des piles à la borne positive de la batterie et la borne positive d'utilisation (8,10). Entre le point commun 2,4 et le point 24 de branchement du régulateur la ligne 22 comprend une self 26. Sur la ligne 22, entre le point 24 et le raccordement à la borne positive de la batterie on trouve successivement une diode 28 et une résistance Rm. En outre une capacité Co est montée entre la masse et le point 32 situé entre la diode 28 et la résistance Rm. Comme on l'expliquera plus en détails ultérieurement, le régulateur 20 est commandé pour délivrer un courant de charge constant. Dans ce but, les tensions prélevées aux bornes de la résistance Rm sont appliquées aux entrées d'un amplificateur opérationnel 34 monté en soustracteur. A la sortie 34a de l'amplificateur 34 on dispose donc d'une tension qui est représentative de l'intensité du courant de charge de la batterie. La sortie 34a de l'amplificateur 34 est relié à l'entrée 20a du régulateur 20. Pour mesurer la tension aux bornes de la batterie un diviseur de tension formé par les résistance R6 et R7 est monté entre la ligne 22 au point 36 et la masse. Le point intermédiaire 38 du diviseur de tension est relié à l'entrée 40a d'un comparateur 40. L'entrée 40a du caparateur reçoit donc une tension qui est représentative de la tension de batterie à chaque instant. La deuxième entrée 40b du comparateur reçoit une tension délivrée par un circuit 42 de référence de tension. Le circuit 42 délivre une tension qui est représentative de la tension d'arrêt de charge de la batterie, cette tension de référence étant compensée en température. Lorsque la tension de batterie atteint la valeur de référence,à la température environnante, le comparateur 40 délivre un signal qui est appliqué à l'entrée R d'une bascule 44. Un circuit d'horloge 46 délivre avec une périodicité fixe (par exemple deux heures) un signal de commande de recharge de la batterie. La sortie du circuit 46 est reliée à l'entrée S de la bascule 44. La sortie Q de la bascule 44 est reliée à l'entrée 20b du régulateur 20. Lorsque la sortie Q est au niveau 0, c' 'est-à-dire lorsque la recharge de la batterie a été commandée par le circuit 46 mais que la tension de batterie n'a pas encore atteint la valeur de référence, le régulateur est activé. Au contraire, lorsque la sortie Q est au niveau 1, le régulateur 20 est au repos. Le régulateur 20 est du type à découpage. Il s'agit par exemple du régulateur RC 4193 de la société Raytheon. On expliquera ultérieurement plus en détail en référence à la figure 3 la structure du régulateur 20. Il suffit ici d'indiquer que, plus le rapport cyclique du signal de découpage délivrée par le régulateur est élevé, plus la tension aux bornes de la capacité Co est élevée, et donc plus la tension de charge est élevée. Le fonctionnement du chargeur de la figure 2 est le suivant: on suppose que le circuit 46 vient de lancer un ordre de début de charge. La sortie Q de la bascule 44 passe au niveau 0 activant le régulateur 20. Le régulateur 20 provoque la charge de la batterie. Le courant de charge est mesuré en permanence par l'amplificateur 34 qui contrôle le régulateur 20 pour maintenir le courant de charge constant. La tension de la batterie est appliquée en permanence au caomparateur. Comme la charge de la batterie est effectuée à courant constant, la tension aux bornes de la batterie tend à augmenter au fur et à mesure de la charge de celle-ci. -7- Lorsque cette tension atteint la valeur de référence fournie par le circuit 42, par exemple 13,8V la sortie Q de la bascule 44 repasse à zéro et le régulateur 20 passe au repos. En se référant à la figure 3 on va décrire plus en détail le chargeur 6. On a conservé sur la figure 3 les références des éléments apparaissant déjà sur la figure 2. Le régulateur 20 comprend un transistor 50 dont les électrodes d'émetteur et de collecteur 50a et 50b sont reliées au point 24 de la ligne 22 et à la masse et dont l'électrode de base 50c est reliée à la sortie d'une porte NON OU référencée 52. Le transistor 50 fonctionne en interrupteur commandé par la tension délivrée par le circuit 52. La porte NON OU 52 reçoit sur une de ses entrées le signal délivré par un oscillateur 56 dont la fréquence fixe est réglée par la capacité C2. Dans l'exemple considéré cette fréquence est égale à 55 kHz. Le régulateur 20 comprend encore un cpmparateur 58 qui reçoit sur une de ses entrées la tension délivrée par l'amplificateur 34 et sur son autre entrée une tension de référence délivrée par le circuit 60. On rappelle que le signal délivré par l'amplificateur 34 est représentatif du courant de charge de la batterie. Le gain de l'amplificateur 34 (résistances Rl et R2) est réglé de telle manière que, pour le courant de charge convenable, par exemple 30 mA, la tenion fournie par l'amplificateur 34 soit égale à la tension délivrée par le circuit 60, par exemple 1,3 Volts. On comprend ainsi que la fréquence du signal de commande du transistor 50 est fixe et égale à 55 kHz mais que le rapport cyclique de ce signal est modifié par le signal délivré par le comparateur 58. Or, comme le circuit 58 délivre un signal qui est représentatif de l'écart du courant de charge par rapport 2605153, -8- à sa valeur de consigne (30 mA), cet ensemble constitue effectivement une boucle de régulation. Le régulateur 20 met en oeuvre encore une autre fonction qui permet de résoudre le problème suivant: Le régulateur tel qu'il a été décrit précédemment a été étudié pour fonctionner avec des tensions moyennes de piles et de batterie et à une température ambiante normales. Or les tensions des piles peuvent être inférieures à la moyenne (inférieure à 5 Volts).La tension de batterie peut être élevée (supérieure à 14 Volts) et la température ambiante peut descendre à -10 C. Pour s'adapter à ces conditions anormales, la fréquence de découpage peut être diminuée en couplant au circuit oscillateur 56 la capacité C3. La fréquence de découpage est alors ramenée à 25,5 kHz. Le couplage de la capacité C3 est automatiquement réalisé à partir d'un circuit de détection. Ce circuit comprend un transistor 62 monté-en interrupteur. La base 62a du transistor 60 reçoit un signal délivré par le comparateur 64. Le comparateur 64 reçoit sur une de ses entrées le signal de référrence délivré par le circuit 60 et d'autre part un signal représentatif de la tension de pile qui est fourni par le diviseur de tension formé par les résistances R24 et R25. Ce circuit est tel que, lorsque la tension de pile tombe en dessous d'une valeur prédéterminée, par exemple 5,85 Volts, le transistor 62 devient passant et couple la capacité C3 au circuit oscillateur 56. La fréquence de découpage devient alors égal à 25,5 kHz comme indiqué précédemment. Le reste du circuit est aisément compréhensible pour l'homme de l'art. On peut seulement noter les points suivants: la sortie Q de la bascule 44 commande l'activation du régulateur 20, lorsqu'elle est au niveau 0, par l'intermédiaire du transistor T1 qui joue le rôle d'un interrupteur. Le circuit 42 qui fournit la tension de référence de charge de batterie, compensée en température, est alimenté par la tension de pile Vp via le transistor T2 qui fonctionne en interrupteur. Le circuit 42 n'est donc alimenté que pendant les phases de recharge de la batterie. Il découle de la description précédente que le circuit autonome d'alimentation électrique correspond bien aux spécifications énoncées précédemment. L'énergie électrique est fournie au circuit d'utilisation par la batterie. Cette énergie est donc délivrée sous une tension très stable, typiquement 12 Volts et autorise des appels de courant importants. De par sa structure, le régulateur de tension à découpage permet de réaliser un compromis entre les caractéristiques de débit des piles et un transfert d'énergie avec un rendement maximal même si les piles ont une tension faible par rapport à leur tension normale En outre,en utilisant deux piles du type décrit précédemment, la borne de stationnement présente une autonomie de fonctionnement de six mois. -10- REVENDICATIONS 1. Système autonome d'alimentation électrique caractérisé en ce qu'il comprend: au moins une pile (2,4) pour fournir la quantité d'énergie électrique requise; une batterie d'accumulateur (10), montée en tampon par rapport aux bornes d'utilisation (8) dudit système pour fournir les pointes de courant requises; et un régulateur-chargeur de batterie (6) pour assurer le transfert d'énergie de ladite pile (2,4) a ladite batterie (10), comprenant des moyens (Rm, 34, 20) pour adapter le régime de décharge de ladite pile à la consommation effective d'énergie sur ladite batterie, et des moyens (38, 42, 44, 46) pour maintenir l'état de charge de ladite batterie dans une plage réduite proche de la pleine charge. 2. Système d'alimentation électrique autonome selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour adapter la charge comprennent des moyens (Rm, 34, 20) pour maintenir le courant de charge (Ich) de la batterie à une valeur sensiblement constante. 3. Système d'alimentation électrique autonome selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits moyens (38, 42, 44) pour maintenir la charge comprennent des moyens pour interrompre la charge de la batterie lorsque celle-ci atteint sa pleine charge, et des moyens (46) pour commander périodiquement la charge de la batterie en fonction de la consommation d'énergie du dispositif alimenté par ledit système. -11- 4. Système autonome d'alimentation électrique selon l'une quelconque des revendications i à 3,caractérisé en ce que ledit régulateur-chargeur (6) comprend un circuit de régulation du type à découpage (20). 5. Système autonome d'aimentation électrique selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens pour interrompre la charge comprennent des moyens (42) pour élaborer un signal de référence caractéristique de la pleine charge de la batterie et compensé en température, des moyens pour élaborer un signal représentatif de la pleine charge de la batterie (R6, R7, 38), des moyens de comparaison (40) desdits signaux, et des moyens (44) pour interrompre, en fonction de ladite comparaison, la charge de la batterie et l'alimentation des circuits du régulateur-chargeur associés à la charge. 6. Système autonome d'alimentation électrique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens pour commander la charge de la batterie comprennent un circuit (46) pour fournir un signal impulsionnel à fréquence fixe dont chaque impulsion déclenche la charge de la batterie, ladite fréquence étant adaptée à la consommation du dispositif alimenté par ledit système. 7. Système autonome d'alimentation électrique selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les moyens pour maintenir sensiblement constant le courant de charge comprennent des moyens (Rm, 34) pour élaborer un signal représentatif du courant de charge, des moyens (58) pour comparer ledit signal à une valeur de consigne, et des moyens (52) pour modifier le rapport cyclique du signal périodique de découpage en fonction du résultat de ladite comparaison.