Brevet FR2712747A1 — publié le 19950524

La présente invention concerne un dispositif d'alimentation d'une charge résistive à partir d'une batterie de stockage d'énergie d'un véhicule. Dans l'état de la technique, ces dispositifs d'alimentation comportent des moyens de régulation de l'alimentation de la charge interposés entre celle-ci et la batterie. Cette charge résistive est pour l'essentiel constituée par les moyens d'éclairage du véhicule. Il existe certaines catégories de véhicules, comme par exemple les véhicules dits électriques, dans lesquels la tension de la batterie varie dans de telles proportions que l'intégration de ces moyens de régulation est extrêmement difficile. On sait en effet que les véhicules dits électriques sont souvent équipés de batteries de traction présentant une tension nominale de 18 à 48 volts. Les différentes situations de conduite comme par exemple les accélérations à puissance maximale ou les freinages électriques, c'est-à-dire à récupération d'énergie, influent de manière très importante sur la tension de la batterie. Ce phénomène est dû essentiellement à la résistance interne de la batterie et au courant circulant dans celle-ci, qui change de signe dans les deux modes de fonctionnement mentionnés précédemment. Cet effet a pour conséquence une forte baisse de l'intensité lumineuse des moyens d'éclairage au moment où la consommation est élevée sur les batteries, comme par exemple lors des phases d'accélération, ou une forte hausse de cette intensité lumineuse lors des phases de fonctionnement en récupération d'énergie pour le freinage électrique du véhicule. Ce dernier mode de fonctionnement peut également se traduire par des surtensions extrêmement importantes pouvant entraîner la destruction des moyens d'éclairage. Pour résoudre ces différents problèmes, on a déjà proposé d'utiliser des alimentations stabilisées permettant d'alimenter des moyens d'éclairage à ampoules standardisées et d'obtenir un fonctionnement sans variation de l'intensité lumineuse de ceux-ci quelle que soit la tension de la batterie. Ces moyens de régulation peuvent être constitués par des moyens de régulation linéaire mais ce type de moyens de régulation est peu satisfaisant dans la mesure où leur rendement dépasse difficilement 50 %. On a également utilisé dans l'état de la technique des moyens de régulation à découpage de tension de type circuit abaisseur. Ces moyens travaillent à rendement élevé mais présentent un prix extrêmement élevé en raison des composants passifs nécessaires tels que les inductances, les condensateurs, etc... Par ailleurs, ces composants présentent également un encombrement important et le circuit de pilotage de ces moyens de régulation est d'un coût élevé. Le but de l'invention est donc de résoudre ces problèmes en proposant un dispositif d'alimentation qui soit simple, fiable, présentant de faibles pertes, un encombrement réduit et d'un coût relativement peu élevé. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'alimentation d'une charge résistive à partir d'une batterie de stockage d'énergie d'un véhicule, dans lequel des moyens de régulation de l'alimentation de la charge sont interposés entre celle-ci et la batterie, caractérisé en ce que les moyens de régulation comprennent un hâcheur d'alimentation de la charge en tension pulsée à fréquence fixe et dont le rapport cyclique est commandé en fonction de la tension aux bornes de la batterie. Avantageusement, les moyens de régulation comprennent un interrupteur électronique formé par un organe commutateur à semi-conducteur, interposé entre la batterie et la charge et dont le fonctionnement est piloté par des moyens d'analyse de la tension aux bornes de la batterie. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels - La figure 1 représente un schéma synoptique illustrant la structure et le fonctionnement de circuits électriques d'un véhicule dit électrique - La figure 2 illustre l'implantation de moyens de régulation de l'alimentation d'une charge résistive dans le schéma de la figure 1 - Les figures 3 et 4 illustrent la structure et le fonctionnement de moyens de régulation utilisés dans l'état de la technique pour réguler l'alimentation d'une charge résistive - La figure 5 représente un schéma synoptique illustrant la structure et le fonctionnement d'un dispositif d'alimentation selon l'invention ; - La figure 6 représente un schéma d'un circuit électrique détaillé d'un dispositif d'alimentation selon l'invention ; - Les figures 7, 8 et 9 représentent différentes formes de signaux présents à différents points du circuit représenté sur la figure 6 et permettant d'illustrer le fonctionnement du dispositif d'alimentation selon l'invention ; et - La figure 10 illustre les différentes phases de fonctionnement du dispositif d'alimentation selon l'invention. Si l'on se réfère à la figure 1, on y voit représentée de manière générale la structure d'un circuit électrique d'un véhicule dit électrique, tel que par exemple un scooter ou une voiture. Ce véhicule comporte une batterie de stockage d'énergie désignée par la référence générale 1 connectée à un bloc reversible d'entraînement et de freinage désigné par la référence générale 2. Ce bloc est dit réversible dans la mesure où il peut fonctionner d'une part en moyen d'entraînement du véhicule et d'autre part en moyen de freinage de celui-ci par récupération d'énergie et comporte par exemple un organe pouvant fonctionner en moteur ou en génératrice selon le cas. On conçoit alors que le courant Ibat entre la batterie 1 et ce bloc 2 circule dans un sens ou dans l'autre selon que le bloc est utilisé en moyen d'entraînement ou en moyen de freinage du véhicule. Selon le mode de fonctionnement de ce bloc, la tension aux bornes de la batterie varie fortement. Ce phénomène est dû essentiellement à la résistance interne Ri de la batterie et dépend de l'amplitude du courant Ibat. Des moyens d'éclairage du véhicule, désignés par la référence générale 3 sur cette figure 1, sont en général connectés aux bornes de la batterie 1 et l'on conçoit que selon la tension aux bornes de la batterie, l'intensité lumineuse de ces moyens d'éclairage varie fortement soit à la baisse soit à la hausse selon le mode de fonctionnement du bloc 2. On a indiqué précédemment que des surtensions pouvaient provoquer la destruction de ces moyens d'éclairage. Pour résoudre ces problèmes on a déjà proposé dans l'état de la technique, d'interposer, entre la batterie 1 et les moyens d'éclairage 3, des moyens de régulation de l'alimentation de ceux-ci. Ces moyens sont désignés par la référence générale 4 sur la figure 2 et peuvent par exemple être constitués par des moyens de régulation linéaire tels que représentés sur la figure 3 ou par des moyens de régulation à découpage tels que représentés sur la figure 4. Les moyens de régulation linéaire présentent l'inconvénient d'un rendement faible tandis que les moyens de régulation à découpage sont d'un coût et d'un encombrement importants. Pour résoudre ces problèmes, les moyens de régulation 4 du dispositif d'alimentation selon l'invention comprennent un hâcheur d'alimentation de la charge c'est à dire des moyens d'éclairage, en tension pulsée à fréquence fixe et dont le rapport cyclique est commandé en fonction de la tension aux bornes de la batterie. Le schéma synoptique d'un tel dispositif d'alimentation est donné sur la figure 5, sur laquelle on peut constater qu'un interrupteur électronique 5 constitué par exemple par un organe commutateur à semi-conducteur, est interposé entre la batterie 1 et les moyens d'éclairage 3. Cet interrupteur électronique est piloté par des moyens d'analyse de la tension aux bornes de la batterie, comme cela sera décrit plus en détail en regard des figures 6 à 9. Cet interrupteur électronique peut par exemple être constitué par un transistor de puissance de type POWER MOS travaillant en fréquence fixe et rapport cyclique variable de manière que l'on retrouve aux bornes des moyens d'éclairage 3 un signal de tension à créneaux rectangulaires, qui correspond en valeur efficace à une tension continue nominale déterminée par exemple de 12 volts. On notera qu'aucune variation de l'intensité lumineuse des moyens d'éclairage n'est visible si la fréquence de la tension pulsée d'alimentation de ces moyens d'éclairage est supérieure par exemple à 50 Hz. On conçoit alors qu'il est possible d'obtenir la même intensité lumineuse que dans le cas classique d'une alimentation stabilisée, cette intensité étant indépendante des variations de la tension de la batterie dues à l'utilisation du véhicule. Sur la figure 6 qui représente un schéma de circuit détaillé du dispositif d'alimentation selon l'invention, on peut constater que celui-ci est connecté entre la borne positive de la batterie + BAT et la masse du véhicule. Les moyens d'éclairage sont quant à eux connectés entre la borne "sortie" de ce circuit et la masse. L'alimentation de cette partie de circuit, par exemple en 12 volts continu, est obtenue à partir de l'ensemble constitué de la résistance R1 et de la diode Zehner CR1 et délivrant un signal d'alimentation sur une borne positive d'alimentation à partir de la tension de batterie. Ce circuit comporte un premier amplificateur opérationnel libellé U1 sur cette figure et constitué par exemple par un composant du type LM2924 dont l'entrée non inverseuse est reliée au point milieu entre deux résistances R5 et R6 branchées entre la borne positive de l'alimentation et la masse. La sortie de cet amplificateur opérationnel est rebouclée sur son entrée non-inverseuse à travers une résistance R7 et est également reliée à la borne positive de l'alimentation à travers une résistance R9. Cette sortie de l'amplificateur opérationnel U1 est également reliée à son entrée inverseuse à travers une résistance R8 et cette entrée est reliée à la masse à travers un condensateur C1. Le signal de sortie de cet amplificateur opérationnel U1 est représenté sur la figure 7, ce signal se présentant sous la forme d'un signal à créneaux à fréquence fixe et à rapport cyclique déterminé minimal avec lequel l'interrupteur électronique 5 mentionné précédemment peut être commandé. On conçoit alors que ce signal permet de déterminer jusqu'à quelle tension maximale de batterie peut être maintenue l'alimentation régulée des moyens d'éclairage. La période T (T= ton + toff) de ce signal est choisie suffisamment courte, c'est-à-dire qu'on utilise une fréquence supérieure à environ 50 Hz, pour qu'aucune variation de l'intensité lumineuse des moyens d'éclairage ne soit perceptible par l'utilisateur. La sortie de cet amplificateur opérationnel U1 est reliée à travers une résistance R10 à la base d'un transistor NPN Q2 de type BCX 19 par exemple, dont le collecteur est relié à la borne positive de l'alimentation à travers une résistance Rîl et dont l'émetteur est relié à la masse à travers un condensateur C2 et une résistance R15 en parallèle. Ce transistor constitue avec les éléments associés des moyens de lissage des fronts descendants du signal à créneaux de sortie de l'amplificateur U1. Ce signal lissé est représenté sur la figure 8. Ce signal lissé est appliqué sur l'entrée noninverseuse d'un second amplificateur opérationnel U2 à travers une résistance R16. Ce second amplificateur U2 peut également être constitué par un composant du type LM 2924. L'entrée inverseuse de celui-ci est reliée à travers une résistance R14 au point milieu entre deux résistances R12 et R13, dont l'une est reliée à la masse et l'autre est reliée à une diode Zehner CR2 connectée à la borne positive de la batterie +BAT. On conçoit que l'amplificateur opérationnel U1 reçoit ainsi sur son entrée inverseuse une image de la tension de la batterie. La sortie du second amplificateur opérationnel U2 est reliée à la borne positive de l'alimentation à travers une résistance R19 et à la borne de commande de l'interrupteur électronique 5 constitué par exemple par un transistor de type VN 21. Ce transistor reçoit également en entrée la tension présente sur la borne positive de la batterie +BAT et délivre le signal d'alimentation des moyens d'éclairage à la borne "sortie" de ce circuit. L'amplificateur opérationnel U2 est monté en comparateur et fonctionne de la manière suivante (figure 9). A l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel U2 on trouve une image de la tension de la batterie qui varie pendant l'utilisation du véhicule. Si le signal S en sortie du transistor Q2 qui est également présent à l'entrée non-inverseuse de l'amplificateur opérationnel U2, est supérieur à l'image de la tension de la batterie, la sortie de l'amplificateur opérationnel U2 passe à l'état haut, c'est-à-dire commande la fermeture de l'interrupteur électronique 5 et l'alimentation des moyens d'éclairage. Par contre, si le signal S en sortie du transistor Q2 est inférieur à l'image de la tension de la batterie, la sortie de l'amplificateur opérationnel U2 passe à l'état bas, ce qui coupe l'interrupteur électronique 5 et donc l'alimentation des moyens d'éclairage. On peut voir le fonctionnement de cet amplificateur, en regard de la figure 9, pour une tension de batterie faible (refl), une tension de batterie élevée (ref2) et pour une tension de batterie très élevée qui est en dehors de la plage d'utilisation (ref3). Dans ce dernier cas, l'interrupteur électronique est inhibé ou coupé en permanence pour éviter qu'une tension trop élevée soit appliquée aux moyens d'éclairage, ce qui pourrait entra;- ner leur détérioration. Le circuit représenté sur la figure 6 comporte un second transistor Q3 de type PNP par exemple BCX 17, dont l'émetteur est relié à l'entrée non-inverseuse du second amplificateur opérationnel U2 et dont le collecteur est relié à la masse. La base de ce transistor est reliée par une résistance R17 à une entrée de commande de fonctionnement INH du circuit permettant de connecter l'entrée non-inverseuse du second amplificateur opérationnel U2 à la masse grâce à un niveau logique zéro à l'entrée INH. L'entrée INH du circuit est également reliée à la borne positive de l'alimentation par une résistance R18. De cette manière, le niveau de l'entrée inverseuse de ce second amplificateur opérationnel U2 sera plus haut que le niveau de l'autre entrée de celui-ci et la sortie de ce second amplificateur opérationnel sera en permanence à l'état bas et l'interrupteur électronique coupé en permanence. La résistance R16 permet de limiter le courant d'une telle mise à la masse. Si l'image de la tension de la batterie tombe au-dessous du niveau de la fin de la phase exponentielle du signal S représenté sur la figure 8, la commande de l'interrupteur électronique 5 passe à l'état haut en permanence, c'est-à-dire que les moyens d'éclairage sont alimentés en permanence. Cette situation correspond à une batterie déchargée au-dessous d'une valeur prédéterminée telle que par exemple 12 volts. Ce fonctionnement est illustré sur la figure 9 pour une tension de batterie très faible (ref.4) et sur la figure 10 où l'on voit que lorsque la tension de batterie est inférieure à la valeur prédéterminée par exemple 12 volts, l'interrupteur électronique est commandé en permanence pour obtenir une conduction permanente et donc une alimentation en permanence des moyens d'éclairage sous une tension égale à la tension de batterie, tandis que, lorsque la tension de batterie est supérieure à 12 volts, l'interrupteur électronique est utilisé en régulation pour limiter l'alimentation des moyens d'éclairage jusqu'à une valeur maximale autorisée au-delà de laquelle ces moyens d'éclairage ne sont plus alimentés pour éviter leur destruction. On conçoit alors que le dispositif d'alimentation selon l'invention présente une structure et un fonctionnement extrêmement simples et fiables et qu'il comporte des moyens permettant d'alimenter en toute sécurité les moyens d'éclairage du véhicule, comme cela a été décrit précédemment. En effet, ces moyens permettent d'inhiber l'alimentation des moyens d'éclairage lorsque la tension de la batterie est trop élevée, c' est à dire supérieure à un seuil déterminé et d'alimenter ceux-ci en permanence lorsque la tension de batterie est trop faible, c'est à dire inférieure à un seuil déterminé. Bien entendu, ce dispositif d'alimentation peut être utilisé dans des véhicules autres que des véhicules dits électriques pour réguler l'alimentation des moyens d'éclairage ou de toute autre charge résistive de ceux-ci. REVENDICATIONS 1.- Dispositif d'alimentation d'une charge résistive à partir d'une batterie de stockage d'énergie d'un véhicule, dans lequel des moyens de régulation (4) de l'alimentation de la charge (3) sont interposés entre celle-ci et la batterie (1), caractérisé en ce que les moyens de régulation comprennent un hâcheur (5) d'alimentation de la charge en tension pulsée à fréquence fixe et dont le rapport cyclique est commandé en fonction de la tension aux bornes de la batterie (1). 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de régulation comprennent un interrupteur électronique (5) formé par un organe commutateur à semi-conducteur, interposé entre la batterie (1) et la charge (3) et dont le fonctionnement est piloté par des moyens d'analyse (U1, Q2, U2, Q3) de la tension aux bornes de la batterie. 3.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'analyse de la tension aux bornes de la batterie comprennent des moyens (U1) de génération d'un signal impulsionnel à fréquence fixe et à rapport cyclique déterminé correspondant au rapport cyclique minimal autorisé de commande de l'interrupteur électronique, des moyens (Q2) de lissage des fronts des-cendants des impulsions du signal impulsionnel à fréquence fixe et des moyens (U2) de comparaison du signal lissé à une image de la tension de la batterie, pour délivrer un signal impulsionnel de pilotage de l'interrupteur électronique (5) dont le rapport cyclique est fonction de la comparaison entre le signal lissé et l'image de la tension aux bornes de la batterie. 4.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fréquence de l'alimentation en tension pulsée délivrée par le hâcheur, est supérieure à 50 Hz. 5.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (U2) d'inhibition du fonctionnement de l'interrupteur électronique (5) lorsque la tension de la batterie est supérieure à une valeur prédéterminée. 6.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (U2) de commande en permanence de l'interrupteur électronique (5) lorsque la tension de la batterie est inférieure à une valeur prédéterminée.