Brevet FR2675319A3 — publié le 19921016

FR 2675319 A3 19921016 FR 9104550 A 19910409 DISPOSITIF DE REGULATION D'UN COURANT DE CHARGE DANS UNE PLURALITE DE BATTERIES MONTEES EN SERIE. L'invention concerne un dispositif perfectionné apte à réguler le courant de charge alimentant une pluralité de batteries montées en série. De nombreuses installations nécessitent l'utilisation d'un certain nombre de batteries montées en série, destinées à palier les coupures intempestives du secteur d'alimentation électrique. On appelle couramment ces batteries montées en série sous l'appelation anglaise "pack". De manière traditionnelle, ces batteries ou accumulateurs sont du type au plomb, et en fonctionnement normal, c'est-à-dire lorsque le secteur n'est pas coupé, elles sont soumises à un courant de charge plus ou moins important, selon la charge résiduelle qu'elles développent. Néanmoins, compte tenu du fait que ces batteries sont montées en série, elles sont traversées par le même courant de charge. De la sorte, si l'ensemble des batteries est hétérogène, en d'autres termes, si la tension aux bornes de chacune des batteries varie de l'une à l'autre, le courant de charge est imposé par la batterie la plus chargée.Il devient très faible, typiquement une dizaine de milliampères, dès lors que celleci est correctement chargée, empêchant ainsi une charge correcte des autres batteries. Ces écarts d'état de charges ne font que s'accentuer au fil des cycles de charge/décharge, et induisent un mauvais fonctionnement du pack, les batteries les plus faiblement chargées dégradant les performances de l'ensemble. De plus, ceci détériore prématurément les batteries, et impose un remplacement périodique du pack, et ce à des périodes de temps relativement rapprochées. L'invention vise à palier ces inconvénients. Elle propose un dispositif, adaptable sur tout ensemble de batteries montées en série, et destiné à permettre la charge correcte de chacune desdites batteries, indépendemment de l'état de charge de chacune d'entre elles. Ce dispositif est réalisé de telle sorte qu'il dévie le courant de charge aux bornes d'une batterie ayant atteint sa tension de pleine charge, afin de ne pas interrompre la charge des autres batteries. Ce disposif pour assurer une répartition uniforme d'un courant de charge sur une pluralité de batteries ou accumulateurs montés en série, se caractérise en ce qu'il comporte une pluralité de modules individuels identiques, chaque module étant monté en parallèle aux bornes de chacune des batteries ou accumulateurs en série, et en ce que chacun des modules comprend des moyens pour détecter une tension seuil aux bornes de la batterie ou accumulateur correspondant, et des moyens pour dériver le courant de charge alimentant ladite batterie ou ledit accumulateur au niveau de la batterie ou de l'accumulateur suivant, ces moyens n'étant activé que lorsque la tension aux bornes de la batterie ou de l'accumulateur considéré atteint ou dépasse la tension seuil fixée. En d'autres termes, l'invention consiste à monter un module en parallèle sur chacune desdites batteries, dont la fonction correspond à celle d'une diode Zener de puissance. Ainsi, lorsque la tension de charge de la batterie est atteinte, le courant est dérivé sur la batterie suivante et ainsi de suite jusqu'à obtenir une tension de charge uniforme pour chacune des desdites batteries. Dans une forme de réalisation avantageuse de l'invention, le seuil de la tension de charge de la batterie est déterminé et ajusté par un pont de résistances et par une diode zéner montée en polarisation inverse. Dans une variante avantageuse de 1 invention, le module comprend des moyens de détection et d'information visuelle pour indiquer l'état de charge de la batterie considérée. Dans une autre version également avantageuse de l'invention, le module comprend également des moyens pour détecter un seuil maximum de la tension de charge de la batterie, indiquant un mauvais fonctionnement du module répartiteur de charge. Le module comporte alors également un organe d'information visuelle, apte à indiquer la batterie au niveau de laquelle l'anomalie de fonctionnement est constatée. Dans une version évoluée de l'invention, le module comporte en outre des moyens destins à limiter le courant dérivé dans le répartiteur afin d'éviter tout risque de court-circuit. Enfin, le module peut également comprendre un moyen apte à empêcher tout courant inverse, qui risquerait de déteriorer le circuit électronique constitutif du module. La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit donné à titre indicatif et non limitatif à l'appui des figures annexées. La figure 1, est une représentation schématique d'une installation mettant en oeuvre le dispositif conforme à l'invention. La figure 2 est une représentation schématique du synoptique fonctionnel correspondant au dispositif conforme à l'invention. La figure 3 est un schéma électronique d'une forme de réalisation du circuit électronique constitutif du module conforme à l'invention. La figure 4 est un schéma électronique d'une autre forme de réalisation du circuit électronique constitutif du module conforme à l'invention. Selon l'invention, une installation (1) fonctionnant habituellement sur secteur, comporte une pluralité de batteries (2) montées en série, destinées à palier les coupures du secteur d'alimentation électrique. Cette installation est par exemple constituée par une machine textile, dont la tension d'alimentation au niveau du bus continu après redressement réseau est typiquement de 300 Volts. En cas de panne secteur, elle peut donc continuer à fonctionner, le nombre de batteries (13,8 Volts en charge) étant alors de 22. Ces batteries (2) sont des batteries traditionnelles au plomb, susceptibles de délivrer jusqu'à 50 Ampères (en nominal) suivant le type. En fonctionnement normal, elles sont alimentées par un courant de charge voisin de quelques dizaines de milliampères dit "courant de maintien" , délivré par un chargeur (3). Selon l'invention, on monte en parallèle aux bornes (5,6) respectivement négative et positive de chacune des batteries (2), un module (4) répartiteur du courant de charge. On a représenté au sein de la figure (2) un synoptique schématique du fonctionnement de ce répartiteur (4), les différents cadres représentant les fonctions qu'il assure. Le répartiteur (4) comprend des moyens (11), destinés à détecter la tension de charge nominale. Pour une batterie au plomb de 12 Volts, celle-ci se situe typiquement au voisinage de 13,8 Volts. Lorsque cette tension de charge est détectée, le moyen (11) induit au niveau d'un autre moyen (9) la dérivation du courant électrique de charge vers la batterie suivante. Corrélativement, cette détection de tension de charge induit l'activation d'un organe de visualisation de l'état de charge (10), destiné à indiquer à l'utilisateur que la batterie a atteint sa tension de charge. Corrélativement, le répartiteur de charge (4) comprend un détecteur de tension de charge maximum (12), qui lorsqu'il est activé, indique que le module répartiteur n'a pas joué son rôle de dérivateur de courant de charge, probablement suite à une destruction d'un ou de plusieurs composants. Cet état s'accompagne également de l'activation d'un signal de visualisation (10),indiquant à l'utilisateur cette anomalie de fonctionnement. En outre, afin d'augmenter la fiabilité du dispositif, chaque module comprend, d'une part, une protection contre le courant inverse (7), qui est monté en série avec le dispositif de dérivation du courant, et un organe de protection de court circuit (8). On a représenté sur la figure 3 un exemple de réalisation d'un tel circuit électronique. L'organe fondamental de dérivation du courant (9) est ici constitué par un transistor bipolaire (13) de type Darlington, dont l'emetteur est monté en série avec une résistance (19). L'activation du transistor bipolaire (13), constitutif du dérivateur du courant n'est possible de ma nière connue que lorsque le courant de base atteint une valeur déterminée. Comme on peut l'observer sur le schéma, la valeur de ce courant de base ne peut être atteinte que lorsque la diode Zener (14) montée en polarisation inverse, autorise le passage du courant. Pour ce faire, une tension minimum dite tension Zener doit être atteinte, dont la valeur est fixée d'une part, par les caractéristiques propres à la diode et d'autre part, par les deux résistances (15 et 16). De la sorte, lorsqu'effectivement la tension seuil est atteinte, c'est à dire lorsque la tension de charge est détectée, et que la diode Zener (14) conduit, le courant de base du transistor bipolaire (13) est suffisant pour permettre le passage du courant du collecteur à l'émetteur, et ainsi permettre la dérivation du courant de charge de la borne positive (6) à la borne négative (5). Corrélativement, on observe que si la diode Zener (14) conduit, le courant de base d'un autre transistor bipolaire (17) est suffisant pour permettre la conduction dudit transistor du collecteur à l'émetteur, et ainsi l'activation d'un diode électro-luminescente (DEL) (18) par exemple verte, indiquant que la tension de charge nominale est atteinte et que le courant est régulièrement dérivé à la batterie suivante. Le relais (27) donne une information rédondante avec celle de la DEL verte, information qui peut être exploitée par exemple pour activer une lampe d'alarme située à l'extérieur du coffret des batteries. Le dispositif de protection de court-circuit (8), constitué par un limiteur de courant, est réalisé au moyen d'une résistance (19) associé à la base d'un transistor (20), la résistance (19) étant alimentée par le courant de dérivation issu de l'émetteur du transistor (13) lorsque ledit transistor est passant. Lorsque ce courant de dérivation atteint la valeur pour laquelle la tension aux bornes de la résistance (19) devient égale à 0,6 Volts, tension de déblocage du transistor (20), celui-ci devient passant, et le collecteur dudit transistor (20) étant relié à la base du transistor (13), le courant de base du transistor (13) devient insuffisant pour faire augmenter le courant de dérivation. De la sorte, il s'établit un équilibre entre ces courants, équilibre qui maintient le courant de dérivation à sa valeur maximum fixée par la résistance (19). L'organe de protection du courant inverse est constitué classiquement par une diode (7), montée juste en amont de la borne négative (5). Concernant la détection du seuil haut de la tension de charge, celle-ci est effectuée au moyen d'une diode Zener (21) montée en polarisation inverse, associée à deux résistances (22 et 23) comme représenté sur la figure 3. Lorsque la tension de charge atteint une valeur critique définie par le choix des caractéristiques des deux résistances (22,23) et de la diode (21), celle-ci devient passante et permet la conduction au niveau de la base d'un transistor (24), permettant alors l'activation d'une diode électro-luminescente (25) par exemple rouge, destinée à indiquer à l'utilisateur un état de fonctionnement anormal du module. Correlativement, lorsque la diode (21) devient passante, elle induit également un courant de base au niveau d'un transistor (26), dont le collecteur est relié à la base du transistor (17). De la sorte, celui-ci n'étant plus passant, provoque l'arrêt de l'alimentation de,la diode électro-luminescente (18) et du relais (27). Dans une autre forme de réalisation de l'invention, plus évoluée que la précedente, et représentée schématiquement sur la figure 4, la détection du seuil autorisant la dérivation du courant à la batterie suivante est assurée au moyen d'un amplificateur opérationnel (30) associé à un pont de résistances (31,32) diviseur de tension et à une diode Zener (34) montée en polarisation inverse. De manière avantageuse, on peut faire varier le facteur de division dudit pont, en rajoutant en série avec la résistance (32) un potentiomètre (33). De manière connue, avec un tel amplificateur opérationnel monté en comparateur, lorsque la tension de l'entrée positive dudit amplificateur est supérieure à celle de l'entrée négative, la tension de sortie correspond environ à la tension de l'alimentation positive de l'amplificateur opérationnel, c'est à dire, ici la tension présente sur la borne positive (6) de la batterie. En revanche, lorsque la tension de l'entrée positive est inférieure à celle de l'entrée négative, la tension de sortie correspond environ à la tension de l'alimentation négative de l'amplificateur opérationnel, c'est à dire ici la tension présente sur la borne (5) de la batterie. De la sorte, aussi longtemps que la tension aux bornes (5,6) de la batterie considérée est inférieure à une valeur seuil, typiquement 13,8 Volts, la tension à l'entrée positive de l'amplificateur opérationnel (30) reste égale à la tension Zéner de la diode Zener (34), et la tension à l'entrée négative dudit amplificateur reste, en utilisant des valeurs appropriées des résistances du pont diviseur de tension, à une valeur inférieure à cette tension Zener. De la sorte, le transistor bipolaire type PNP (35), monté en série avec la sortie dudit amplificateur (30) est bloqué car la tension émetteur-base de ce transistor est voisine de zéro, et ceci, du fait que la tension de sortie de l'amplificateur (30) correspond à la tension présente sur la borne (6) de la batterie.En conséquence, le courant de base du transistor bipolaire NPN (37) est nul, et de fait ce transistor est bloqué : il n'y a pas de dérivation du courant électrique. En revanche, dès lors que la tension de l'entrée négative de l'amplificateur (30) dépasse la tension Zener, c'est à dire, dès lors que la tension aux bornes de la batterie excède 13,8 Volts dans l'exemple décrit, la tension de sortie dudit amplificateur est voisine de la tension d'alimentation négative de l'amplificateur, c'est à dire zéro Volt,de sorte que la tension émetteurbase du transistor (35) est supérieure à 0,6 Volt, autorisant de la sorte la sortie d'un courant de collecteur, et par voie de conséquence, induit un courant de base dans le transistor (37) suffisant pour permettre le passage d'un courant du collecteur à l'émetteur de ce transistor : celui-ci devient passant, le courant électrique aux bornes de la batterie est dérivé. On utilise la même architecture et des composants similaires pour activer la diode électroluminescente-DEL (38), matérialisant le fait que la batterie a atteint sa charge nominale. En effet, un pont diviseur de tension (39,40), monté en parallèle sur les bornes de la batterie, constitue l'entrée négative d'un amplificateur opérationnel (41), dont l'entrée positive est constituée par une diode Zéner (42), montée en polarisation inverse entre les bornes de ladite batterie. La sortie de cet amplificateur est en série avec la base d'un transistor PNP (43), dont l'émetteur est connecté à la borne posi tive (6) de ladite batterie, et dont le collecteur est reliée à la dite DEL (38). Ainsi si la tension aux bornes de la batterie atteint ou dépasse la tension nominale de charge, la DEL, verte par exemple, s'allume. Avantageusement, l'émetteur de chacun des deux transistors PNP respectivement (35) et (43) est connecté à la borne (6) de la batterie par l'intermédiaire de trois diodes de même caractéristique, respectivement (36) et (44). Cette caractéristique permet de s'assurer que la tension de l'émetteur desdits transistors n'excède pas d'une valeur déterminée ia tension de base des transistors respectifs, lorsque l'amplificateur opéra- tionnel concerné est à saturation positive, c'est à dire, lorsque la tension sur son entrée positive est supérieure à la tension sur son entrée négative. S'agissant de la détection du seuil haut de la batterie, le module est pourvu d'un autre amplificateur opérationnel (45), dont l'entrée positive est constitué par un pont diviseur de tension (46,47), monté en parallèle aux bornes (5,6) de la batterie, et dont l'entrée négative est constituée par une diode Zener (48), montée en polarisation inverse auxdites bornes de la batterie. Ainsi, lorsque la tension aux bornes de la batterie atteint une valeur jugée excessive, et définie par les valeurs des résistances (46,47) du pont diviseur de tension, le courant de sortie dudit amplificateur, relié à la base d'un transistor bipoliare NPN (49) devient suffisant pour rendre ce dernier passant, le collecteur étant relié à la borne positive (6) de la batterie par l'intermédiaire d'une diode électro-luminescente rouge (50), et l'émetteur étant relié à la borne négative (5) de ladite batterie. De la sorte, la DEL (50) est activée, matérialisant un disfonctionnement du module. En outre, le collecteur dudit transistor (49) est relié au pont diviseur de tension (39,40) déjà mentionné, par l'intermédiaire d'une diode (51).Ainsi, lorsque le transistor (49) devient passant, la faible tension (quelques 100 mV) de son collecteur est transmise par la diode (51) sur l'entrée négative de l'amplificateur (41), ce qui a pour effet d'inverser la saturation de ce dernier, donc de bloquer le transistor (43) et d'éteindre la DEL (38). Le dispositif de protection de court circuit est similaire à celui de l'exemple précédent, de sorte qu'il n'est pas décrit ici plus en détail. L'organe de protection du courant inverse est cons titué de deux diodes (7) montées en parallèle, juste en amont de la borne négative (5) de la batterie. De la sorte, on évite tout risque de surchauffage desdites diodes (7), risquant d'altérer la valeur de leur tension de chute, et par voie de conséquence, de déteriorer les performances en précision des montages "détecteur de seuil" à base d'amplificateurs opérationnels, situés en amont desdites diodes. L'utilisation d'amplificateurs opérationnels permet d'accroître la précision de détection des différents seuils de fonctionnement des modules, puisque de manière connue, leur précision en tension est voisine de quelques millivolts. Il apparaît donc que ce dispositif de dérivation du courant joue le rôle d'une diode Zener de puissance puisque, en sélectionnant de manière appropriée les composants électroniques destinés à remplir les fonctions décrites, on aboutit typiquement à une puissance de dérivation du courant voisine de 15 Watts. De la sorte, on peut ainsi procéder au chargement continu d'une grande quantité de batteries en série sans risquer d'obtenir une répartition non-uniforme de la charge. On est donc assuré de disposer en permanence de batteries de secours toujours opérationnelles, ce qui s'avère d'importance primordiale pour un certain nombre d'applications. Ceci est notamment vrai dans le cadre de machines textiles, dans lesquelles un certain nombre de pièces en rotation présente une forte inertie et qui, lors de coupures de courant, et en l'absence de source de courant paliative, mettent un certain temps pour stopper leur rotation. De plus, de telles machines comportent également et de manière connue un certain nombre d'autres pièces rotatives ou animées de mouvement en translation, d'inertie beaucoup plus faible, et qui lors de pannes de secteur, et en l'absence de source de courant paliative, stoppent immédiatement leur rotation.Or, ces différentes pièces en rotation, ou en translation, sont toutes plus ou moins directement connectées à des fils ou fibres, de sorte que cette combinaison d'une part, d'arrêt brutal de pièces à faible inertie, et de rotation à vitesse décroissante des pièces à forte inertie, entraîne une cassure d'un certain nombre voire de la totalité de ces fibres et/ou fils, induisant tout d'abord la détérioration totale de la pièce-textile en cours de réalisation, et ensuite une grande perte de temps pour la remise en marche de la machine. Ainsi, la mise-à disposition d'une source de courant de secours, montée en permanence aux bornes d'alimentation électrique de la machine, constituée d'une pluralité de batteries montées en série et uniformément chargees permet-elle de s'affranchir de tels risques. Le dispositif conforme à l'invention trouve donc tout naturellement son application à toutes les installations alimentées électriquement par le secteur, et nécessitant le recours à des sources paliatives, bran chées en permanence aux bornes d'alimentation desdites installations, et soumises en permanence à un courant de charge. REVENDICATIONS 1/ Dispositif pour assurer une répartition uniforme d'un courant de charge sur une pluralité de batteries ou accumulateurs (2) montés en série, caractérisé - en ce qu'il comporte une pluralité de modules individuels identiques (4), chaque module étant monté en parallèle aux bornes (5,6) de chacune des batteries ou accumulateurs (2) en série, - et en ce que chacun des modules (4) comprend des moyens (11,14,15,16,30,31,32,33,34) pour détecter une tension seuil aux bornes (5,6) de la batterie ou accumulateur correspondant, et des moyens (13,35,37) pour dériver le cou rant de charge alimentant ladite batterie ou ledit accumulateur au niveau de la batterie ou de l'accumulateur suivant, ces moyens n'étant activé que lorsque la tension aux bornes de la batterie ou de l'accumulateur considéré atteint ou dépasse la tension seuil fixée. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le seuil de la tension de charge de la batterie ou de l'accumulateur (2) est déterminé par une diode Zener (14) montée en polarisation inverse aux bornes (5,6) de ladite batterie, et un pont de résistances (15, 16), également monté aux bornes de cette batterie. 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le seuil de la tension de charge de la batterie ou de l'accumulateur (2) est déterminé par un amplificateur opérationnel (30), dont l'entrée positive est constituée par une diode Zéner (34) montée en polarisation inverse aux bornes (5,6) de la batterie, et dont l'entrée négative est constituée par un pont diviseur de tension (31,32,33) également monté aux bornes de ladite batterie. 4/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque module (4) comprend des moyens de détection et d'information visuelle (10,17, 18,38-43), destinés à indiquer l'état de charge de la batterie ou de l'accumulateur considéré. 5/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque module (4) comprend des moyens (10,21,22,23,45-48) pour détecter un seuil maximum de la tension de charge de la batterie ou de l'accumulateur, indiquant un mauvais fonctionnement dudit module. 6/ Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque module (4) comporte un organe d'information visuelle (24,25,49,50,51), apte à indiquer l'anomalie de fonctionnement dudit module, et donc une mauvaise charge (surcharge) de la batterie correspondante. 7/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque module (4) comporte des moyens (9,19,20) destinés à limiter le courant de charge, afin d'éviter tout risque de court-circuit. 8/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque module (4) comprend en amont de sa sortie vers la borne négative (5) de la batterie ou de l'accumulateur (2) auquel il est branché un moyen (7) apte à empêcher tout courant inverse de le traverser. 9/ Installation textile à alimentation par secteur d'alimentation électrique comportant une source électri- que paliative constituée par une pluralité de batteries ou d'accumulateurs en série, et en permanence soumis à un courant électrique de charge, caractérisée en ce que la source électrique paliative est munie d'un dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 8.