Brevet FR2715779A3 — publié le 19950804

FR 2715779 A3 19950804 FR 9400937 A 19940128 La présente invention concerne un système de commande de charge des batteries et, plus particulièrement, elle concerne un système de commande de charge des batteries qui surveille automatiquement la température, la tension, les niveaux de puissance de l'ensemble de batterie de façon à charger l'ensemble de batterie automatiquement et correctement selon les conditions surveillées sans provoquer aucun dommage de l'ensemble de batterie. Les téléphones mobiles sont devenus de plus en plus populaires grâce aux avantages de leur mobilité. Différents types de batteries rechargeables parmi lesquelles des batteries au nickel-cadmium, au nickel- hydrogène, et au lithium ont été présentés pour être utilisés dans des téléphones mobiles. Ces batteries pour téléphones mobiles présentent les inconvénients suivants: 1) Une capacité limitée de la batterie réduit le temps d'utilisation du téléphone mobile. Si, pour augmenter la capacité de la batterie, il faut augmenter relativement la dimension de la batterie, la mobilité du téléphone mobile s'en trouvera affectée. 2) Une simple augmentation de la capacité de la batterie ne peut pas assurer au téléphone mobile une alimentation illimitée, et par conséquent il faut prévoir des batteries de rechange. 3) Il n'est pas commode de charger la batterie d'un téléphone mobile et il est également difficile d'obtenir une source d'alimentation extérieure pour charger la batterie. 4) Il faut beaucoup de temps pour charger complètement la batterie d'un téléphone mobile (normalement 10 heures environ). L'utilisation d'un chargeur rapide pour charger la batterie peut créer une température élevée qui provoque une dégradation de la batterie. 5) L'utilisation d'une source d'alimentation extérieure pour charger la batterie d'un téléphone mobile consomme de l'énergie. 6) Selon des procédés classiques de charge des batteries, le problème de "l'effet mémoire" de la batterie a tendance à intervenir, en entrainant une réduction de la capacité de la batterie ou même une dégradation de la batterie. "L'effet mémoire" de la batterie se produit lorsque la batterie est chargée avant que son énergie soit complètement épuisée ou lorsqu'une fuite électrique s'est produite. Etant donné que la tension de la batterie chute lorsqu'elle se trouve faiblement chargée ou quand une fuite électrique intervient, la quantité résiduelle d'énergie de la batterie sera gardée en mémoire lorsque la mémoire sera chargée par une source d'alimentation extérieure de tension supérieure, et cette quantité résiduelle d'énergie va occuper la capacité de la batterie en entrainant une réduction de la capacité disponible de la batterie. L'accumulation d'un tel volume résiduel d'énergie va finalement rendre la batterie impossible à charger. Lorsque la batterie devient impossible à charger, l'utilisateur doit mettre en place une batterie neuve dans le téléphone mobile. 7) Les batteries classiques ne peuvent pas être chargées avec un courant de charge total ou une tension élevée lorsque la température des batteries est inférieure à *C ou supérieure à 50 *C. Lorsque la température d'une batterie classique descend au-dessous de 5 *C ou s'élève au-dessus de 50 'C, la batterie est endommagée lorsqu'elle est chargée par un courant à pleine charge ou une tension élevée. La présente invention a été réalisée pour fournir un système de commande de charge des batteries qui élimine les inconvénients précités. Les caractéristiques et avantages du système de commande de charge de batteries sont les suivants: 1) Il comporte une importante régulation de tension et une protection de commande pour maintenir la tension de la batterie à une valeur de 12 V 4 V, le courant de la batterie à 1A, et la puissance de l'énergie de batterie dans un niveau normal. 2) Il régule également automatiquement la tension et le courant de l'alimentation de charge lorsque la température de la batterie augmente en mode de chargement rapide. 3) Il régule automatiquement la tension de l'alimentation de charge lorsque la température de la batterie est inférieure à 5 *C ou supérieure à 50 OC. 4) Il surveille automatiquement les conditions de la batterie afin de réguler automatiquement l'alimentation de chargement afin de charger la batterie selon ses conditions. Par conséquent, le système de commande de charge de batterie est pratique et son usage est sûr. En mode rapide, une batterie peut être chargée jusqu'à saturation en une heure environ. 5) Etant donné que le système de commande de charge de batterie surveille la batterie à charger et la charge ensuite automatiquement selon les conditions de la batterie surveillée, le système de commande de charge de batterie convient pour charger n'importe quelle batterie parmi toute une variété de batteries classiques rechargeables. 6) Une source lumineuse quelconque peut être utilisée pour charger des batteries, et des batteries peuvent être chargées pendant qu'elles sont en service. 7) Le panneau collecteur d'énergie lumineuse peut être construit avec la forme et la dimension désirées pour collecter efficacement l'énergie de la lumière afin de charger rapidement les batteries. 8) Il coupe automatiquement le circuit lorsque l'ensemble de batterie commandé est à l'état de saturation. 9) Il élimine le problème de "l'effet mémoire" et, par conséquent, la durée d'utilisation de l'ensemble de batterie commandé est prolongé. 10) L'ensemble de batterie contrôlé peut être rechargé soit avec de l'énergie lumineuse soit avec une alimentation extérieure. La figure 1 est un schéma de principe représentant le fonctionnement de la présente invention; la figure 2 est un schéma de circuit du système de commande de charge de batterie de la forme de réalisation préférée de la présente invention; la figure 3 est un organigramme fonctionnel du système de commande de charge de batterie de la figure 2; la figure 4 est un schéma de principe de commande représentant le fonctionnement du système de commande de charge de batterie de la figure 2 lorsque l'on utilise de l'énergie lumineuse pour charger l'ensemble de batterie; la figure 4A est un schéma de principe du circuit du sous-ensemble de charge grâce à l'énergie lumineuse du système de commande de charge et de batterie de la figure 2; la figure 5 est un schéma de principe de commande représentant le fonctionnement du système de commande de charge de batterie de la figure 2 lorsqu'une alimentation extérieure est utilisée pour charger l'ensemble de batterie; la figure 5A est un schéma de principe du circuit du sous-système de charge au moyen d'une alimentation extérieure du système de commande de charge de batterie de la figure 2; la figure 6 est une courbe de charge représentant le fonctionnement du système de commande de charge de batterie de la figure 2 lorsque la charge de l'ensemble de batterie est effectué automatiquement; et la figure 7 est un schéma représentant l'opération de chargement automatique du système de commande de charge de batterie de la figure 2 au point de tension critique pour éliminer l'apparition de "l'effet mémoire". En référence à la figure 1, une alimentation extérieure(alimoentation en courant alternatif ou batterie de véhicule) et l'énergie rayonnée par la lumière peuvent être utilisées pour charger des batteries. Lorsque l'on emploie une alimentation extérieure, le courant est redressé et surveillé en passant dans un circuit de protection de puissance d'entrée, puis traité au moyen d'un système de commande de la puissance de charge d'entrée, lequel se compose d'un commutateur de commande, d'un autorégulateur, d'un redresseur pleine onde, et d'un commutateur de puissance, et puis commandé par les commutateurs de tension et de température et par le circuit intégré principal de commande,etensuite délivré pour charger les batteries. Lorsque l'énergie rayonnée par la lumière est utilisée, cette énergie est d'abord convertie en énergie électrique, puis traitée par l'intermédiaire du système de commande de la puissance de charge d'entrée et commandée ensuite par les commutateurs de tension et de température et par le circuit intégré principal de commande, avant d'être délivrée pour charger les batteries. En référence aux figures 2 et 3, le système de commande de charge de batterie selon la forme de réalisation préférée de la présente invention est généralement constitué par un circuit 1 de protection contre les courts-circuits, un circuit 2 de protection instantanée contre les surtensions, un circuit indicateur 6 2715779 à voyant vert 3, un régulateur automatique 4 de puissance d'entrée, un circuit porte 5 de commande du courant d'entrée, un premier redresseur pleine onde à haute fréquence 61, un second redresseur pleine onde 62 à haute fréquence, un ensemble de batterie 7, un circuit intégré principal de commande 8, un circuit indicateur à voyant rouge 9, un circuit porte 10 de commande de température, un panneau collecteur de lumière 11, un circuit indicateur 12 à voyant jaune, un convertisseur 13, un inducteur 14, et un circuit 15 de commande de protection contre les surtensions, dans lequel: le circuit 1 de protection contre les courts-circuits est destiné à protéger l'ensemble de batterie 7 en cas d'apparition d'un court-circuit dans l'alimentation extérieure pendant qu'elle charge l'ensemble de batterie 7. Le circuit 2 de protection instantanée contre les surtensions est destiné à empêcher les pointes de tension susceptibles d'endommager l'ensemble de batterie 7 lorsqu'une alimentation extérieure sert à charger l'ensemble de batterie. Le circuit intégré principal de commande 8 doit surveiller l'état de puissance de l'ensemble de batterie 7, recevoir des signaux extérieurs, et commander le régulateur automatique 4 de puissance d'entrée en formant un circuit de charge. Le régulateur automatique 4 de puissance d'entrée s'associe au circuit intégré principal de commande pour décoder l'alimentation de charge, et réguler automatiquement la puissance de l'alimentation de charge en fonction de l'état de l'ensemble de batterie 7 et délivrer ensuite un signal correspondant au circuit porte de commande du courant d'entrée en lui communiquant des informations correctes. Le circuit porte 5 de commande du courant d'entrée fonctionne conformément à l'instruction reçue du régulateur automatique 4 de puissance d'entrée pour faire passer la puissance d'alimentation correcte à l'ensemble de batterie 7 ou pour empêcher le passage de l'alimentation à l'ensemble de batterie 7. Le premier et le second redresseurs pleine onde à haute fréquence 61; 62 sont destinés à redresser en totalité l'alimentation de charge en la transformant en une alimentation à courant continu pour charger l'ensemble de batterie 7. Le convertisseur 13 doit transformer l'énergie lumineuse rayonnée captée par le panneau collecteur de lumière 11 en énergie électrique. Le circuit 15 de commande de protection contre les surtensions doit surveiller la tension de l'alimentation délivrée par le convertisseur 13 afin d'obtenir une tension de charge convenable pour charger l'ensemble de batterie 7. L'inducteur 14 doit détecter la variation de l'alimentation de l'ensemble de batterie 7 et puis transmettre le résultat de la détection au circuit intégré principal de commande 8 pour qu'il donne une instruction de charge ou d'arrêt de charge de l'ensemble de batterie 7 et, par conséquent, que l'effet mémoire de la batterie soit éliminé. Le circuit porte 10 de commande de température doit détecter la température pour permettre de réguler l'alimentation de charge en fonction de l'état de la température, afin d'éliminer l'influence de la température sur l'ensemble de batterie 7 pendant la charge. Les circuits indicateurs à voyants vert, jaune et rouge 3; 12; 9 doivent signaler l'état de fonctionnement du système de commande de charge de batterie; les circuits indicateurs à voyants vert et rouge sont mis en 8 2715779 service en mode de chargement rapide; le circuit indicateur à voyant vert est mis en service en mode de chargement lent; le circuit indicateur à voyant jaune est mis en service lorsque l'énergie lumineuse rayonnée est transformée en énergie électrique et employée pour charger l'ensemble de batterie. Le panneau collecteur de lumière 11 est moulé en matière plastique avec une forme souhaitée. Les opérations de charge, les actions de commande et les effets du système de charge de batterie de la présente invention sont définis ci- après. A. Charge au moyen de l'énergie lumineuse (voir figures 2, 4 et 4A) : L'énergie lumineuse rayonnée est collectée par le panneau collecteur de lumière 11, puis transformée en énergie électrique au moyen du convertisseur 13. En même temps, le circuit indicateur à voyant jaune 12 est mis en service. L'énergie électrique venant du convertisseur 13 est transformée en une alimentation en courant continu par le second redresseur pleine onde à haute fréquence 62. L'alimentation en courant continu provenant du redresseur pleine onde haute fréquence 62 est commandée par le circuit de commande de protection contre les surtensions afin d'obtenir une tension de charge appropriée à l'ensemble de batterie 7. En même temps, le circuit intégré principal de commande 8 est commandé par l'inducteur 14 et le circuit porte 10 de commande de température pour créer une sortie appropriée en formant un circuit de charge destiné à charger l'ensemble de batterie 7. La charge au moyen de l'énergie lumineuse est effectuée en fonction de V (puissance de charge d'entrée) = Vl (puissance de l'alimentation extérieure) - V2 (niveau de puissance existant de l'ensemble de batterie) + Vd (puissance fixée en fonction de la température). Sur la figure 4, D6 désigne une diode qui détecte une température 9 2715779 et une tension de référence utilisées pour commander la puissance d'entrée de l'alimentation de charge. L'inducteur 14 détecte l'état de la puissance de l'ensemble de batterie 7 pour voir si le point critique est atteint, afin d'activer le circuit intégré principal de commande en fonction du résultat de la détection. Par conséquent, le système de commande de charge de batterie peut automatiquement réguler l'alimentation de charge pour charger automatiquement l'ensemble de batterie. B. Charge au moyen d'une alimentation extérieure (Alimentation en courant alternatif ou batterie de véhicule) (voir figures 2, 5 et 5A) : Lorsque l'alimentation extérieure est redressée pour obtenir une alimentation d'entrée de 12V, le circuit indicateur à voyant vert 3 est mis en service. En même temps, le circuit intégré principal de commande 8 reçoit le signal du circuit porte-commande de température 10 pour déclencher le régulateur automatique de puissance d'entrée 4 et lui faire commander l'alimentation d'entrée au circuit porte 5 de commande de courant d'entrée en fonction de l'état de puissance du courant et de la température de l'ensemble de batterie 7. L'alimentation d'entrée provenant du circuit porte 5 de commande du courant d'entrée est ensuite traitée par l'intermédiaire du premier redresseur pleine onde à haute fréquence 61 et puis délivrée pour charger l'ensemble de batterie 7. Pendant la charge, le circuit indicateur à voyant rouge 9 est mis en service. Grâce au fonctionnement du régulateur automatique 4 de puissance d'entrée, du circuit porte commande du courant d'entrée 5 et du circuit porte 10 de commande de température, l'alimentation de charge est surveillée, régulée et commandée avant de charger l'ensemble de batterie 7. C. Commande de charge en fonction de la température: 2715779 Du fait de la limite des matériaux, la température de charge de l'ensemble de batterie 7 doit être commandé entre 5 OC et 50 OC. Lorsque la température augmente de 1 OC, la tension varie de 15 mV. La température de l'ensemble de batterie 7 est directement proportionnelle à la tension et au courant de l'alimentation de charge. Par conséquent, le courant de l'alimentation de charge doit être commandé afin d'être maintenu à un niveau bas en cas de température anormale de manière que l'ensemble de batterie 7 ne soit pas endommagé. La valeur minimale du courant d'entrée selon la présente invention est fixée à 0,1 mA. Dans des conditions normales, le courant de charge est fixé entre 50 mA et 350 mA. Lorsque la température extérieure est inférieure à 5 C ou supérieure à 50 C, l'inducteur 14, le TH1 du circuit porte commande de température 10, et les TH1, TLO, TEMP du circuit intégré principal de commande 8 fonctionnent, en laissant l'alimentation d'entrée charger l'ensemble de batterie à un niveau de courant faible (environ 0,1 mA). Cette commande de charge nécessite un temps de charge relativement plus long, mais, protège efficacement l'ensemble de batterie 7. D. Elimination de l'effet mémoire: L"'effet mémoire" se produit lorsqu'une batterie est chargée avant la tension zéro (la batterie a encore une légère tension qui n'est pas utilisable). L'accumulation de cet effet mémoire réduit progressivement la capacité de charge de la batterie. Si une batterie est chargée par une tension supérieure (par exemple: 12 V) lorsqu'elle contient encore une faible puissance d'alimentation à un niveau de tension bas (par exemple: 8 V), la faible puissance d'alimentation existante à un niveau de tension bas va amortir la mémoire. Par conséquent, la commande de la tension de charge détermine l'apparition de "l'effet mémoire". Cet effet mémoire est éliminé par le système de l1 il 2715779 commande de charge de batterie selon la présente invention. Comme l'indique la figure 7, si la tension détectée par l'inducteur 14 est inférieure au point critique de tension prédéterminé lorsque l'ensemble de batterie 7 ne fonctionne pas, le circuit intégré principal de commande 8 émet une instruction de charge de l'ensemble de batterie 7 au même niveau de tension dès que la tension détectée est descendue de 5 mV. Par conséquent, il n'existe aucune alimentation résiduelle à basse tension dans l'ensemble de batterie 7. Comme l'ensemble de batterie 7 est chargé en permanence au même niveau de tension, le problème de "l'effet mémoire" est éliminé. E. Charge en cours d'utilisation (voir figure 6) : Lorsque l'alimentation de la batterie descend au- dessous du point critique de charge, un courant est induit dans l'inducteur 14 pour activer le circuit intégré principal de commande 8 en amenant le système de charge par énergie lumineuse (voir figure 4) à charger l'ensemble de batterie 7, et par conséquent la puissance d'alimentation de l'ensemble de batterie 7 augmente. Par conséquent l'alimentation de la batterie de l'ensemble de batterie 7 est constamment maintenue au-dessus du point critique de charge, et la tension de l'alimentation de charge est maintenue égale à la tension au point critique de charge. Par conséquent, le système de commande de charge de batterie selon la présente invention charge automatiquement l'ensemble de batterie 7 pour maintenir l'alimentation de la batterie au-dessus du niveau fonctionnel, et empêche efficacement "l'effet mémoire" de la batterie. F. Rendement de charge élevé : D'après les tests, quand la tension de charge d'entrée Vin = 12,05 V et le courant de charge d'entrée Iin = 0, 925A, alors la puissance de charge d'entrée Pin = 12,05 x 0,925 = 11,15 W. A la fin de l'opération de 12 2715779 charge, la tension de sortie Vout = 10,6 V et le courant de sortie Iout = 0,956A, par conséquent la puissance de sortie Pout = 10,6 x 0,956 = 10,13 W; WPout = Pin - Pout = 11,15 W 10,13 W = 1,02 W et, par conséquent, le rendement utile = WPout/Pin% = 91,47 % c'est-à-dire environ 92 %. En comparaison avec le rendement moyen de charge des systèmes habituels de charge des batteries, qui est d'environ 80 %, le rendement de charge de la présente invention est d'environ de 12 % supérieur aux systèmes de charge de batterie habituels. Comme indiqué, la présente invention propose un système de commande de charge de batterie qui surveille l'état de l'ensemble de batterie et le charge automatiquement en fonction des conditions détectées de manière que la durée d'utilisation de l'ensemble de batterie soit prolongée et que le problème de "l'effet mémoire" soit supprimé. REVENDICATIONS 1. Système de commande de charge de batterie comprenant un circuit de protection contre les courts- circuits (1), un circuit de protection contre les surtensions instantanées (2), un circuit indicateur à voyant vert (3), un régulateur automatique de puissance d'entrée (4), un circuit porte de commande du courant d'entrée (5), un premier redresseur pleine onde à haute fréquence (61), un second redresseur pleine onde à haute fréquence (62), un ensemble de batterie (7), un circuit intégré principal de commande (8), un circuit indicateur à voyant rouge (9), un circuit porte de commande de température (10), un panneau collecteur de lumière (11), un circuit indicateur à voyant jaune (12), un convertisseur (13), un inducteur (14), et un circuit de commande de protection contre les surtensions (15), dans lequel: ledit circuit de protection contre les courts- circuits (1) est destiné à protéger l'ensemble de batterie (7) en cas de court-circuit d'une alimentation extérieure pendant que cette dernière charge ledit ensemble de batterie (7) ; ledit circuit de protection instantané contre les surtensions (2) doit empêcher les pointes de tension susceptible d'endommager l'ensemble de batterie (7) lorsque l'on utilise une alimentation extérieure pour charger ledit ensemble de batterie (7) ; ledit circuit intégré principal de commande (8) surveille l'état de puissance dudit ensemble de batterie (7) et commande ledit régulateur automatique (4) de puissance d'entrée en constituant un circuit de charge pour charger ledit ensemble de batterie (7) ; ledit régulateur automatique (4) de puissance d'entrée s'associe au circuit intégré principal de 14 2715779 commande (8) pour surveiller l'alimentation de charge, et réguler automatiquement la puissance de l'alimentation de charge en fonction de l'état de puissance dudit ensemble de batterie (7) et ensuite fournir un signal correspondant audit circuit porte de commande (5) du courant d'entrée en l'informant des informations correctes surveillées; ledit circuit porte de commande (5) du courant d'entrée fonctionne conformément à l'instruction reçue dudit régulateur automatique de puissance d'entrée (4) pour faire passer, audit ensemble de batterie (7), une puissance convenable d'alimentation de charge ou pour empêcher le passage de l'alimentation de charge audit ensemble de batterie (7) ; lesdits premier et second redresseurs pleine onde à haute fréquence (61) et (62) sont destinés à redresser en totalité l'alimentation de charge en une alimentation à courant continu pour charger ledit ensemble de batterie (7) ; ledit convertisseur (13) doit transformer l'énergie lumineuse rayonnée captée par ledit panneau collecteur de lumière (11) en énergie électrique pour charger ledit ensemble de batterie (7) ; ledit circuit de commande de protection contre les surtensions (15) doit surveiller la tension de l'alimentation délivrée par ledit convertisseur (13) afin de fournir une tension de charge appropriée pour charger ledit ensemble de batterie (7) ; ledit inducteur (14) est destiné à détecter la variation de l'alimentation dudit ensemble de batterie (7) et puis à transmettre le résultat de la détection audit circuit intégré principal de commande (8) en lui faisant délivrer une instruction de charge ou d'arrêt de charge dudit ensemble de batterie (7) ; ledit circuit porte de commande de température (10) doit détecter la température afin de permettre de réguler 2715779 l'alimentation de charge en fonction de l'état de température, de manière à éliminer l'influence de la température sur ledit ensemble de batterie (7) pendant la charge de la batterie; et lesdits circuits indicateurs à voyants vert (3), jaune (12) et rouge (9) doivent indiquer l'état de fonctionnement du système de commande de charge de batterie, lesdits circuits indicateurs à voyants vert (3) et rouge (9) étant mis en service en mode de chargement rapide, ledit circuit indicateur à voyant vert (3) étant mis en service en mode de chargement lent, ledit circuit indicateur à voyant jaune (12) étant mis en service lorsque l'énergie lumineuse rayonnée est transformée en énergie électrique et utilisée pour charger ledit ensemble de batterie (7) . 2. Système de commande de charge de batterie selon la revendication 1 dans lequel lorsque l'énergie lumineuse est utilisée pour charger ledit ensemble de batterie (7), ledit circuit de commande de protection contre les surtensions (15) et ledit second redresseur pleine onde à haute fréquence (62) de même que ledit inducteur (14) et ledit circuit porte commande de température (10) et ledit circuit intégré principal de commande (8) constituent un circuit de charge pour charger ledit ensemble de batterie (7). 3. Système de commande de charge de batterie selon la revendication 1, dans lequel lorsqu'une alimentation extérieure est utilisée pour charger ledit ensemble de batterie (7), ledit régulateur automatique (4), ledit circuit porte de commande du courant d'entrée (5) et ledit premier redresseur pleine onde à haute fréquence (61) et ledit circuit intégré principal de commande (8) constituent un circuit de charge pour charger ledit ensemble de batterie (7). 16 2715779 4. Système de commande de charge de batterie selon la revendication 1, dans lequel l'alimentation de charge d'entrée est redressée par ledit premier ou ledit second redresseur pleine onde à haute fréquence (61, 62) en une alimentation à courant continu pur pour charger ledit ensemble de batterie (7). 5. Système de commande de charge de batterie selon la revendication 1, dans lequel, au cours de la charge au moyen d'une alimentation extérieure, la tension de l'alimentation de charge d'entrée est commandée par ledit régulateur automatique de puissance d'entrée (4), ledit circuit porte de commande du courant d'entrée (5) et ledit circuit intégré principal de commande (8) pour charger ledit ensemble de batterie (7) en fonction du niveau de tension dudit ensemble de batterie (7), et ledit inducteur (14) détecte l'état de puissance dudit ensemble de batterie (7) pour permettre à l'alimentation de charge d'entrée de charger ledit ensemble de batterie (7) en fonction de l'état de puissance dudit ensemble de batterie (7). 6. Système de commande de charge de batterie selon la revendication 1, dans lequel lorsque la température de la batterie est inférieure à 5 C ou supérieure à 50 C pendant la charge, ledit inducteur (14) et ledit circuit porte de commande de température (10) ainsi que ledit circuit intégré principal de commande (8) commandent le niveau de tension et le niveau de courant de l'alimentation de charge pour que l'alimentation de charge puisse charger ledit ensemble de batterie (7) avec un niveau de courant faible de 0,1 mA à faible vitesse sans détériorer ledit ensemble de batterie (7).