Brevet FR2652202A1 — publié le 19910322

La présente invention concerne l'analyse de l'état de charge des batteries, de traction notamment, dont les courants d'exploitation sont variés dans de larges limites. Dans l'art antérieur, la plus sûre des méthodes employées s'est avérée être celle de mesure d'ampèreheures. Toutefois, les moyens utilisés ne permettaient pas des résultats fiables, voire précis. Puis, une amélioration notable a été apportée par l'apparition des ampèreheuremètres de conception statique à semiconducteurs qui ont rendu négligeables les incidences de la température, chocs, vibrations et vieillissement, De tels appareils dont l'invention enregistrée sous No 81 00850, ont donné des résultats suffisants pour des régimes relativement peu variables. Cependant, leur action s'est avérée insuffisante lors du contrôle de courants de décharge de grandeur variable dans des limites très importantes, entre C/5 et C/0,8 environ (C étant la capacité nominale de la batterie). On rencontre de telles conditions dans le domaine de la traction électrique avec des engins autonomes importants, telles les rames de transports communs, les locotracteurs dans les mines, etc. Il est connu que la capacité disponible d'une batterie dépend de son rendement à la décharge, lui-même fonction de l'intensité des courants consommés. De ce fait, seul un contrôle ampèreheuremétrique qui tient compte dudit rendement peut indiquer à tout instant la valeur réelle de la capacité disponible de la batterie et empêcher sa détérioration par décharges excessives. Un tel procédé permet aussi, par la totalisation d'ampèreheures pendant une période d'exploitation donnée, de fournir une image du degré d'usure d'organes de l'engin, ou encore une tarification plus juste d'engins en location. L'invention se distingue des dispositifs de l'art antérieur par - une mesure précise et fiable de la capacité disponible de la batterie quel que soit le régime de son exploitation, par la prise en compte de variations de son rendement en fonction d'amplitude des courants fournis et/ou absorbés, - l'émission en décharge d'un premier signal à l'approche de la décharge limite admissible, puis d'un deuxième signal à ladite limite, - le maintien dudit premier signal pendant la charge jusqu'au niveau de la capacité qui a entraîné son émission, - l'émission en charge d'un troisième signal au moment de l'apparition de la charge complète, - l'affichage permanent de la capacité disponible par un moyen numérique et/ou analogique, - la mise en mémoire des paramètres de son fonctionnement lors d'une coupure de son alimentation, et - l'indication du degré d'usure d'organes d'un engin à traction électrique grâce à la combinaison avec un moyen totalisateur. Dans le cadre d'une application préférée, la présente invention sera mieux comprise à l'aide de sa description et des dessins sur lesquels La figure 1 représente le bloc-schéma du dispositif selon l'invention, La figure 2 illustre le moyen d'introduction dans la chaine de mesures du coefficient correcteur, fonction de la variation du rendement en décharge de la batterie, La figure 3 est le schéma fonctionnel d'une autre application de l'invention qui vise la totalisation d'ampèreheures pendant une période donnée, La figure 4 montre une variante à semiconducteurs du commutateur "charge-décharge" de l'entrée du dispositif selon l'invention, La figure 5 est une modification du circuit d'entrée dans le cas d'emploi d'une seul shunt et pour la charge et pour la décharge, et La figure 6 montre le schéma du moyen de la remise à zéro. Le présent exemple se rapporte à l'exploitation rationnelle d'une rame autonome à alimentation hybride, à savoir qu'elle peut puiser son énergie soit d'une batterie incorporée dont la capacité est contrôlée pendant la décharge et la charge par le dipositif et procédé de l'invention, soit d'un réseau. La puissance totale des moteurs de la rame est de 800 CV, la capacité nominale de la batterie 800 Ah sous 500 V, d'où un débit de l'ordre de 800 A maximum, qui correspond à la valeur unitaire de ladite capacité. La charge s'effectue à partir du réseau par l'intermédiaire d'un hacheur, soit d'une façon continue, soit par intermittence (biberonnage), avec un courant limité à 150 A moyens. Le circuit de courants forts de la batterie B se compose d'un bloc d'utilisation qui comporte l'ensemble moteur M ayant inséré le shunt de décharge Sd qui délivre à ses bornes une tension v+, et d'un ensemble chargeur CH dont le courant parcourt le shunt de charge Sc qui délivre à ses bornes une tension v-. Le dispositif selon l'invention possède les bornes d'entrée X,Y et Z,W auxquelles sont appliquées respectivement les tensions v+ et v-, et qui sont suivies d'un commutateur 3 actionné par l'amplificateur 4 raccordé aux bornes Z,W de façon à ce que les contacts "travail" du commutateur soient fermés en présence de la tension v-. Le circuit d'entrée 31, 32 d'un convertisseur "courantfréquence 30 est alimenté en décharge par un courant qui traverse une première résistance d'étalonnage 1, et en charge à travers une deuxième résistance d'étalonnage 2. Ledit convertisseur possède un module d'entrée constitué d'un intégrateur formé d'un amplificateur opérationnel 36 et d'une capacité Ci; une source OS variable assure la compensation de la tension de déchet dudit amplificateur 36. Ledit module est associé à un commutateur-inverseur 31 dont la borne 03 est raccordée à un condensateur C qui est relié d'autre part à la borne d'entrée 32. Le commutateur 31 est actionné à une cadence déterminée et raccorde le condensateur C soit à la borne 33 portée à un potentiel de référence Vr, soit le court-circuite. La sortie de l'intégrateur est reliée à l'entrée d'un comparateur 37 qui alimente à travers un organe retardateur 38 l'étage de sortie 35 et l'amplificateur 39 dont la sortie actionne le commutateur 31. La fréquence d'impulsions délivrées à la sortie 34 sera F = ------------ si r est la r . Vr .C résistance en série avec la source de la tension v. Pour les valeurs de C, r et v données, on introduit le coefficient correcteur précité en agissant sur le potentiel de référence Vr. Cette fonction est assurée par le moyen 8 dont les entrées 81, 82 sont raccordées aux bornes X,Y pendant la décharge. L'amplificateur 83 amplifie la tension vs et le pont diviseur f,g branché à sa sortie définit par ses valeurs l'action correctrice de la tension Vr délivrée par la sortie 86. Un commutateur statique 84, 85 met le moyen 8 hors service par l'application d'un signal logique 0 sur sa borne 87, ce qui se traduit par une valeur constante du potentiel Vr pendant la charge. Les impulsions de la sortie 34 du convertisseur 30 sont appliquées au diviseur de fréquence 9 suivi dtun compteur-décompteur 10. Ce dernier délivre un code nvmexque appliqué d'une part à un décodeur-entraîneur (driver) 40 qui commande ltafficheur 20, et d'autre part à un ensemble logique de décodage 50 qui agit par l'intermédiaire d'étages de puissance 51, 52, 53 sur l'excitation des relais 101, 102 et 103. Le diviseur 9 et le compteur 10 sont remis à zéro à la mise sous tension de l'équipement par le dispositif de remise à zéro 6 qui comporte un élément logique 62 dont l'entrée est raccordée à un condensateur 63 initialement au potentiel 0, puis chargé à partir de la mise sous tension, à travers la résistance 64. Le dispositif 6 délivre une implulsion logique 1 d'abord, puis, pour une valeur donnée de potentiel du condensateur 63, une impulsion logique 0 à la sortie 61. En cas de panne, la source d'alimentation A est automatiquement remplacée par un dispositif - "normal-secours" NS à batterie tampon, de tension légèrement inférieure, qui continue d'alimenter, grâce au moyen de commutation 7, le diviseur 9, le décodeur 40 et le compteur-décompteur 10, et qui met hors service l'afficheur 20 par l'action sur la borne "extinction" 41 du décodeur-entraSneur 40. Le compteur 10 compte en décharge et compte en charge. Le choix entre ces deux fonctions dépend du signal logique à sa borne 12 produit par un amplificateur inverseur 5 qu'entratne l'amplificateur 4. Dans la présente application, la batterie B est chargée une première fois avec des moyens connus, en absence de toute alimentation du dispositif selon l'invention. Puis, on met ce dernier sous tension. En décharge, les contacts repos du commutateur 3 sont fermés et la tension v+ du shunt Sd donne naissance, à travers la résistance 1, à un courant Iv qui est transformé par le convertisseur 30 en des impulsions de fréquence linéairement proportionnelle audit courant et inversement proportionnelle au potentiel de référence Vr sur la borne 33 du convertisseur. La valeur de la résistance 1 et le coefficient N sont choisis une fois pour toutes en fonction de la capacité nominale de la batterie et du calibre du shunt Sd. Les impulsions délivrées par le diviseur 9 actionnent le compteur 10 à une cadence telle que l'affichage "100%" représente la totalité de la capacité disponible déchargée. Pour une décharge de 90%, le relais 101 met hors service la consommation non essentielle et provoque la signalisation de l'approche de la décharge limite admissible. Cette action est maintenue jusqu'a la fin de la décharge, et puis jusqu'au seuil des 90% pendant la recharge. Quand ladite décharge limite est atteinte, le relais 102 est actionné et entrain la coupure de l'ensemble des circuits de consommation. En charge, les contacts "travail" du commutateur 3 sont fermés et la tension v- du shunt Sc donne naissance, à travers la résistance 2, à un courant dans le circuit d'entrée du convertisseur 30 qui fonctionne comme décrit plus haut. La valeur de la résistance est choisie une fois pour toutes en fonction du calibre du shunt Sc et du rendement en charge de la batterie, le coefficient diviseur N étant maintenu à la même valeur qu'en charge. Compte tenu des valeurs modérées du courant de charge, le potentiel de référence Vr du convertisseur 30 est maintenu constant. La charge une fois terminée correspondant à l'affichage '100%", l'étage de puissance 53 excite le relais 103 ce qui entraîne l'arrêt du chargeur. Dans le cadre d'une autre application où les courants de décharge et de charge sont de même ordre de grandeur, un shunt unique Sdc suffit. Entre ce dernier et les bornes X et Z est intercalé un amplificateur opérationnel 15 à gain unitaire monté en inverseur. Le commutateur électromécanique 3 des deux applications précitées peut être remplacé par un type statique à semiconducteurs x, y, z, w, de préférence à structure C MOS, ou encore à optocoupleurs. Dans un autre exemple, l'invention vise l'indication du degré d'usure d'engins à traction électrique par la totalisation d'ampère- heures consommés pendant une période donnée, avec la prise en compte d'intensités de courant particulièrement élevées qui accélèrent ladite usure. Ceci permet de faire à temps les révisions nécessaires ou encore une tarification rationnelle d'engins en location. Un shunt Sd inclus dans le circuit de consommation est raccordé aux bornes X,Y et alimente d'une part, à travers la résistance d'étalonnage 1, le circuit d'entrée 31, 32 du convertisseur 30 et, d'autre part, les entrées 81, 82 du moyen 8 qui agit sur le convertisseur 30 comme dans les exemples précédents. Toutefois, le moyen 8 ne comporte plus son commutateur 84, 85, puisqu'il ne s'agit que de contrôle en décharge. La sortie 34, 35 du convertisseur 30 entraîne le diviseur 9 qui applique ses impulsions, par l'intermédiaire de l'étage de puissance 100, à l'entrée d'un totalisateur à mémoire 200 de type électromécanique ou encore statique. Si ce dernier est muni d'un organe de remise à zéro, l'appareil peut servir comme indicateur de décharge des batteries. Dans certains cas, le potentiel de référence Vr du convertisseur 30 sera maintenu fixe, d'où la suppression du moyen 8. REVENDICATIONS 1. Procédé d'analyse de l'état de charge des batteries, caractérisé par le fait qu'il consiste à effectuer - une mesure précise et fiable de la capacité disponible de la batterie quel que soit le régime de son exploitation, par la prise en compte de variations de son rendement en fonction d'amplitude des courants fournis et/ou absorbés, - l'émission en décharge d'un premier signal à l'approche de la décharge limite admissible, puis d'un deuxième signal à ladite limite, - le maintien dudit premier signal pendant la charge jusqu'au niveau de la capacité qui a entraîné son émission, - l'émission en charge d'un troisième signal au moment de l'apparition de la charge complète, - l'affichage permanent de la capacité disponible par un moyen numérique et/ou analogique, - la mise en mémoire des paramètres de son fonctionnement lors d'une coupure de son alimentation, et - l'indication du degré d'usure d'organes d'un engin à traction électrique grâce à la combinaison avec un moyen totalisateur. 2. Dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un bloc d'utilisation comprenant un ensemble moteur (M) ayant inséré un shunt de décharge (Sd) délivrant à ses bornes une tension donnée (v+), et d'un ensemble chargeur (CH) dont le courant parcourt ledit shunt de charge (Sc). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre, à partir de bornes d'entrée (X,Y-Z,W), un commutateur (3) actionné par un amplificateur (4) raccordé aux bornes (Z,W) de façon à ce que les contacts travail dudit commutateur soient fermés en présence d'une tension de référence (v-). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'un circuit d'entrée (31, 32) d'un convertisseur courant fréquence (30) est alimenté, en décharge, par un courant qui traverse une première résistance d'étalonnage (1) et, en charge, à travers une deuxième résistance d'étalonnage (2). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ledit convertisseur possède un module d'entrée constitué d'un intégrateur formé d'un amplificateur opérationnel (36) et d'une capacité (Ci), une source (OS) variable assurant la compensation de la tension de déchet dudit amplificateur (36). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ledit module est associé à un commutateur-inverseur (31) dont la borne (03) est raccordée à un condensateur (C) qui est relié d'autre part à la borne d'entrée (32). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que ledit commutateur (31) est actionné à une cadence déterminée et raccorde le condensateur (C), soit à la borne (33) portée à un potentiel de référence (Vr), soit le court-circuite. 8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait que la sortie dudit intégrateur est reliée à l'entrée d'un comparateur (37) qui alimente à travers un organe retardateur (38) l'étage de sortie (35) et l'amplificateur (39) dont la sortie actionne le commutateur (31). 9. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un moyen (8) dont les entrées (81,82) sont raccordées aux bornes (X,Y) pendant la décharge, un amplificateur (83) amplifiant la tension donnée (v+), et un pont diviseur (f,g) branché à la sortie dudit amplificateur (83). 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait qu il comporte un commutateur statique (84,85) commandant le ledit moyen (8) pour le mettre hors service par l'application d'un signal logique "0" sur sa borne d'entrée (87) et d'un compteurdécompteur (10) relié à la sortie du diviseur de fréquence (9) pour commander un décodeur-entra#neur (40) alimentant un afficheur (20).