Brevet FR2738964A1 — publié le 19970321

I L'invention concerne un procédé et un dispositif de charge d'une batterie alimentant un moteur électrique, cette batterie se chargeant à l'aide d'une tension d'alimentation. La commande impulsionnelle d'un moteur électrique utilise fréquemment un microprocesseur. Le chargeur correspon- dant comprend une source de courant continu et généralement un élément LC pour lisser la tension d'alimentation. De plus, des moyens peuvent être prévus pour prédéterminer une courbe de charge avec des capteurs d'intensité et de tension. De nombreux véhicules électriques en particulier dans les chariots de levage et les empileurs servant à préparer des commandes, sont équipés de manière définitive, de chargeurs pour charger la batterie de traction du véhicule. Les compo- sants de base d'un tel chargeur comprennent par exemple un transformateur pour réduire la tension du réseau à la tension d'alimentation souhaitée pour le chargement de la batterie ain- si que pour assurer le découplage galvanique, un redresseur pour redresser la tension du réseau, transformée, un circuit électronique de puissance avec une unité de commande et des capteurs (capteurs d'intensité et de tension) pour réguler le transfert d'énergie vers la batterie selon une courbe de charge prédéterminée et enfin un élément LC comprenant un condensateur et une self pour lisser la tension d'alimentation adressée. Il existe également des chargeurs qui n'ont ni transformateur, ni redresseur, mais utilisent une autre source de tension conti- nue, par exemple une partie de réseau commutée. Pour charger la batterie du moteur électrique, on la sépare du circuit électrique de la commande du moteur et on la relie au chargeur lui-même raccordé à une source de tension externe. Le chargeur peut être soit à demeure dans le véhicule, soit externe. Les chargeurs embarqués dans le véhicule entraînent une augmentation du coût mais offrent l'avantage d'être accor- dés sur un type particulier de véhicule. La présente invention a ainsi pour but de dévelop- per un chargeur embarqué dans un véhicule, avec un minimum de moyens pour la fonction de charge, présentant une plus grande fiabilité et permettant une économie considérable de frais. Ce problème est résolu en ce que la tension d'ali- mentation est lissée à l'aide d'un élément LC comprenant comme inductance, la bobine d'excitation du moteur électrique, puis la tension ainsi lissée est appliquée à la batterie.5 Lorsque la commande impulsionnelle du moteur élec- trique travaille pendant le roulement, avec un microprocesseur, ce problème peut être résolu en ce qu'en mode de charge la bat- terie est chargée selon une courbe de charge prédéfinie par le microprocesseur de la commande impulsionnelle. Pour des dispo- sitifs correspondants pour charger une batterie alimentant un moteur électrique à l'aide d'une tension d'alimentation, com- prenant une source de courant continu et un élément LC pour lisser la tension d'alimentation, l'élément LC comprend la bo- bine d'excitation du moteur électrique comme inductance. Si la15 charge doit se faire selon une courbe de charge et que le mo- teur électrique est précédé par une commande impulsionnelle utilisant un microprocesseur, selon l'invention, le micropro- cesseur de la commande impulsionnelle du moteur électrique est le moyen pour prédéterminer la courbe de charge en mode de charge. Ainsi, la caractéristique de l'invention est d'uti- liser d'une part la bobine d'excitation du moteur électrique comme composant du chargeur et d'autre part le microprocesseur de la commande impulsionnelle (dans la mesure o il existe) pour prédéterminer en mode de charge, la courbe de charge de la batterie. Les composants correspondants du chargeur séparé, installés jusqu'alors à demeure, sont supprimés et le chargeur est intégré au système déjà existant. Par une réalisation correspondante de la commande du moteur, il est particulièrement avantageux de combiner les deux caractéristiques de l'invention, le microprocesseur de la commande impulsionnelle étant utilisé pour prédéterminer la courbe de charge et la bobine d'excitation du moteur électrique étant l'inductance de l'élément LC pour lisser la tension d'alimentation redressée. De nombreuses commandes impulsionnelles travaillent à des fréquences élevées par exemple 16 kHz; pour de faibles longueurs des lignes électriques et les inductances qu'elles présentent ainsi que les courants commutés à haute fréquence, on rencontre des pointes de tension qui risquent de détruire les transistors de la commande impulsionnelle. De telles com- mandes impulsionnelles contiennent pour cette raison un ou plu- sieurs condensateurs d'appui montés par rapport au transistor pour le protéger contre les pointes de tension pendant la cir- culation. Une réalisation particulièrement avantageuse de l'invention est caractérisée en ce que l'on utilise un ou plu- sieurs condensateurs de soutien comme capacité pour l'élément LC, servant à lisser la tension d'alimentation redressée. Sui- vant la réalisation de la commande du moteur électrique, cette conception peut être combinée aux deux solutions précédentes. Les trois solutions selon l'invention pour le problème posé ci- dessus peuvent également être réalisées indépendamment. L'invention peut également s'utiliser pour charger des batteries alimentant plusieurs moteurs électriques branchés en parallèle ou en série. Le nombre des bobines d'excitation des moteurs électriques qu'il faut ajouter comme inductances et le nombre des condensateurs de soutien branchés en plus comme capacités dans l'élément LC pour lisser la tension d'alimenta- tion redressée s'adaptent dans chaque cas. Dans le cas le plus favorable, le chargement selon l'invention de la batterie alimentant le ou les moteurs élec- triques se fait de la manière suivante: La source de courant continu, par exemple un trans- formateur suivi d'un redresseur est branchée sur une source de tension alternative externe. La tension d'alimentation, fournie par la source de courant continu, est lissée par les condensa- teurs de soutien de la commande impulsionnelle et la bobine d'excitation du moteur électrique et de l'enroulement d'induit du moteur coupé du circuit électrique pour être appliquée à la batterie. La batterie se coupe par exemple de la commande du moteur par un connecteur pour être reliée à la tension d'ali- mentation obtenue selon l'invention. Lorsque le moteur électri- que est coupé, les contacteurs électromagnétiques directionnels du moteur sont neutralisés et aucun courant ne traverse l'en- roulement de l'induit. En pratique, il est important que cette neutralisation des contacteurs électromagnétiques directionnels reste maintenue correctement pendant toute la phase de charge. Dans le cas contraire, des courants intenses pourraient passer dans le moteur et mettre celui-ci en mouvement, ou générer des5 pertes de puissance élevées sous la forme de chaleur. C'est pourquoi lorsqu'on charge la batterie, il faut couper les li- gnes de commande des contacteurs électromagnétiques direction- nels du moteur pour que pendant toute la phase de charge, on soit garanti d'un état défini. Cela se réalise par exemple en10 branchant le connecteur de la batterie qui, en circulation, re- lié à la batterie, possède un contact auxiliaire fermant la commande des contacteurs électromagnétiques directionnels du moteur électrique. En mode de charge, à la place de ce connec- teur, on utilise un autre connecteur de batterie qui coupe le circuit de commande des contacteurs électromagnétiques direc- tionnels. Si la source de courant continu, destinée à charger la batterie comprend un transformateur suivi d'un redresseur, il est avantageux que le connecteur de batterie utilisé pendant la phase de charge pour appliquer la tension d'alimentation, comporte un contact auxiliaire fermant le secondaire du trans- formateur en phase de charge. Inversement, cela garantit que le transformateur n'est pas branché pendant le mode de circula- tion. Une autre possibilité pour commuter entre le mode de circulation et le mode de charge consiste à utiliser des contacteurs électromagnétiques qui, relient d'une part la bat- terie à la commande du moteur électrique et d'autre part à la liaison avec le chargeur; la commutation appropriée des con- tacteurs électromagnétiques définit alors soit le mode de cir- culation, soit celui de charge. Un exemple de réalisation de l'invention sera dé- crit ci-après à l'aide des dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 montre schématiquement les composants principaux d'une unité d'entraînement d'un moteur électrique alimenté par une tension continue d'une batterie pour le mode de circulation, - la figure 2 montre schématiquement un dispositif selon la figure 1 commuté pour charger la batterie selon l'in- vention, - la figure 3 montre un dispositif analogue à celui de la figure 1 avec des réalisations avantageuses selon l'in- vention. Selon la figure 1, le moteur électrique est en mode de circulation (fonctionnement) pour lequel les contacteurs électromagnétiques directionnels 2 sont fermés en diagonale. La bobine d'excitation 3 du moteur électrique est branchée en sé- rie sur l'induit. L'unité de commande 4 de l'électronique de déplacement comprend principalement la commande impulsionnelle du moteur électrique qui peut être réalisée en technique analo- gique ou avec un microprocesseur. L'unité de commande 4 peut également comporter des moyens de détection pour mesurer l'in- tensité du courant et la tension. La batterie 5 est reliée par un connecteur de batterie 6 pour le mode de circulation à l'unité de commande 4. De plus, la figure 1 montre un composant intégré selon l'invention au véhicule, à savoir la source de tension continue nécessaire pour charger la batterie. La source de tension continue, se compose ici d'un transformateur 7 suivi d'un redresseur 8. Le transformateur 7 peut être branché sur une source de tension externe 9. En mode de charge, la batterie est reliée au collecteur de batterie 10 comme cela sera décrit ci-après. En mode de circulation, la batterie 5 alimente l'unité de commande 4 avec une tension continue de 24 volts; cette tension continue est transformée par la commande impul- sionnelle à l'aide d'un transistor, en un signal PWM à haute fréquence (signal à largeur d'impulsion modulée); ce signal produit l'excitation de la bobine d'excitation 3 et la mise en oeuvre de l'induit du moteur électrique 1. En mode de circula- tion, le transformateur 7 et le redresseur 8 n'ont pas d'in- fluence sur le circuit de commande du moteur. Selon l'invention, dans cet exemple, il s'agit des deux seuls compo- sants nécessaires en plus pour charger la batterie 5. L'embar- quement du chargeur complet devient de ce fait inutile. La figure 2 montre le mode de charge selon l'inven- tion. Les différents composants correspondent à ceux de la fi- gure 1; la seule différence est que la batterie 5 est maintenant reliée au connecteur de batterie 10. L'enroulement d'excitation du moteur 1 est coupé du circuit électrique par la neutralisation des contacteurs électromagnétiques 2 direction- nels. Le transformateur 7 est relié à une source de tension ex- terne 9 (230 volts, 50 Hz) et dans ce secondaire, il crée une tension alternative de faible amplitude redressée par le re- dresseur 8. Cette tension redressée est en suite lissée pour servir de tension d'alimentation chargeant la batterie 5. Il convient de remarquer qu'à la place du transformateur 7, du re- dresseur 8 et de l'éventuel élément LC pour lisser, on pourrait également utiliser une autre source de courant continu par exemple une partie d'un réseau de commutation fournissant la tension d'alimentation nécessaire à la batterie 5. Selon la figure 2, le lissage de la tension d'ali- mentation redressée est assuré par un composant LC dont l'in- ductance est uniquement constituée par la bobine d'excitation 3 du moteur électrique 1. Dans ce cas, la capacité du composant LC est intégrée à l'unité de commande 4 et n'est pas représen- tée. En plus du lissage selon l'invention de la tension d'alimentation, redressée en utilisant l'inductance de la bo- bine d'excitation 3, on peut également charger la batterie 5 en mode de charge selon une courbe de charge prédéterminée. Pour cela, un microprocesseur convient tout particulièrement; un tel microprocesseur existe fréquemment dans une commande impul- sionnelle. Le microprocesseur peut être préprogrammé pour le mode de charge, pour qu'à l'aide de capteurs d'intensité et de tension généralement intégrés à l'unité de commande 4, il puisse exécuter une certaine courbe de charge. La courbe de charge sert à charger efficacement la batterie 5, en général tout d'abord avec une intensité constante, puis à puissance constante, enfin à tension constante et finalement de nouveau à intensité constante. Les valeurs d'intensité, de tension et de puissance peuvent être mesurées par les capteurs d'intensité et de tension, être calculées et servir de paramètres pour la courbe de charge programmée dans le microprocesseur. La figure 3 montre une réalisation correspondant à celle de la figure 1 avec plus de détail pour la partie 4. Comme composant de l'unité de commande 4, on a représenté schématiquement les éléments principaux à savoir la diode de roue libre 11 de l'induit du moteur électrique 1, la diode de roue libre 12 de la bobine d'excitation 3, l'unité 15 comprenant un microprocesseur qui assure la commande impulsionnelle du tran- sistor 14 ainsi qu'un condensateur de soutien 13 qui protège principalement le transistor 14 de la commande impulsionnelle contre les pointes de tension. Les capteurs d'intensité et de tension ne sont pas représentés, c'est-à-dire les moyens de dé- tection déterminant les données propres nécessaires au mode de charge pour la courbe de charge de calcul de microprocesseur. En mode de circulation, la batterie 5 (24 volts) est reliée par le connecteur de batterie 6 au circuit du moteur et à l'unité de commande; le moteur électrique 1 fonctionne usuellement avec une commande impulsionnelle. De manière avan- tageuse, le connecteur de batterie 6 comporte un contact auxi- liaire 16 qui libère la commande des contacteurs électroma- gnétiques directionnels 2 par les bobines électromagnétiques 17. Si par contre la batterie est reliée au connecteur de batterie 10 en mode de charge, les contacteurs électromagné- tiques directionnels sont coupés du circuit électrique du mo- teur. Par contre, le contact auxiliaire 18 du circuit secondaire du transformateur 7 est alors fermé. Les contacts auxiliaires 16 et 17 garantissent que le mode de charge et le mode de circulation correspondent à des états définis de ma- nière précise et dont l'un exclu l'autre. Comme indiqué, en mode de charge on lisse la ten- sion d'alimentation redressée par le condensateur de soutien 13 et la bobine d'excitation 3 (élément LC) et par les contacteurs électromagnétiques directionnels 2, neutralisés, on contourne l'induit du moteur électrique 1 pour arriver au connecteur de batterie 10 auquel est reliée la batterie 5. Le chargement selon l'invention de la batterie as- sure les fonctions de nombreux composants d'un chargeur de bat- terie, séparés comme jusqu'alors par des éléments qui existent déjà dans la commande du moteur. Cela permet une économie jus-5 qu'à 50 % par rapport aux chargeurs usuels. Avec l'enroulement d'excitation et les condensa- teurs de soutien, on peut lisser de manière remarquable la ten- sion de charge de la batterie. Le microprocesseur et les moyens de détection existant pour mesurer l'intensité et la tension10 d'alimentation dans l'unité de commande permettent de program- mer n'importe quelle courbe de charge. Cette réalisation de la fonction de charge est économique et très fiable. R E V E N D I C A T IONS 1 ) Procédé de charge d'une batterie alimentant un moteur élec- trique, cette batterie se chargeant à l'aide d'une tension d'alimentation, caractérisé en ce que la tension d'alimentation est lissée à l'aide d'un élément LC comprenant comme inductance, la bobine d'excitation (3) du mo- teur électrique (1), puis la tension ainsi lissée est appliquée à la batterie (5). 2 ) Procédé selon la revendication 1, selon lequel la commande impulsionnelle du moteur électrique comporte un ou plusieurs condensateurs de soutien qui, en mode de circulation, protègent le transistor de la commande impulsionnelle contre les pointes de tension, caractérisé en ce qu' un ou plusieurs condensateurs de soutien (13) servent de capa- cités dans l'élément LC. 3 ) Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel en mode de circulation, la commande impulsionnelle du moteur électrique coopère avec un microprocesseur, caractérisé en ce que la batterie (5) en mode de charge est chargée selon une courbe de charge prédéterminée par le microprocesseur de la commande impulsionnelle. 4 ) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la tension d'alimentation est lissée à l'aide d'un élément LC comportant comme inductance, la bobine d'excitation (3) du mo- teur électrique (1), puis cette tension est appliquée à la bat- terie (5). 5 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4 selon lequel la commande impulsionnelle du moteur électrique comporte un ou plusieurs condensateurs de soutien qui protègent le transistor de la commande impulsionnelle en mode de circula- tion contre les pointes de tension, caractérisé en ce que la tension d'alimentation de la batterie (5) en mode de charge est lissée à l'aide d'un élément LC comportant comme capacité un ou plusieurs condensateurs de soutien (13). 6 ) Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que pour charger la batterie (5), les lignes de commande des con- tacteurs électromagnétiques directionnels (2) du moteur élec- trique (1) sont coupées. 7 ) Dispositif pour charger une batterie alimentant un moteur électrique à l'aide d'une tension d'alimentation, comprenant une source de courant continu et un élément LC pour lisser la tension d'alimentation pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément LC comprend la bobine d'excitation (3) du moteur électrique. ) Dispositif pour charger une batterie alimentant un moteur électrique à l'aide d'une tension d'alimentation comprenant une source de courant continu, un capteur d'intensité et de tension et des moyens pour prédéterminer une courbe de charge, le mo- teur électrique étant commandé par une commande impulsionnelle munie d'un microprocesseur pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le microprocesseur de la commande impulsionnelle du moteur électrique (1) est le moyen qui prédétermine la courbe de charge. 9 ) Dispositif selon la revendication 8 comportant un élément LC pour lisser la tension d'alimentation, caractérisé en ce que Il l'élément LC comporte comme inductance la bobine d'excitation (3) du moteur électrique (1). ) Dispositif selon l'une des revendications 7 à 9 dans le- quel la commande impulsionnelle du moteur électrique comporte un ou plusieurs condensateurs de soutien qui protègent le tran- sistor de la commande impulsionnelle contre les pointes de ten- sion, caractérisé en ce que l'élément LC comporte comme capacité le ou les condensateurs de soutien (13). 11 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à , caractérisé en ce que la source de courant continu comprend un transformateur (7) et un redresseur (8). 12 ) Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le chargeur comporte un connecteur de batterie (10) pour four- nir la tension d'alimentation, ce connecteur ayant un contact auxiliaire (18) qui ferme le circuit secondaire du transforma- teur (7) en mode de charge. 13 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 12, caractérisé en ce que en mode de circulation, la batterie (5) comporte un connecteur de batterie (6) ayant un contact auxiliaire (16) qui branche électriquement la commande des contacteurs électromagnétiques directionnels (2) du moteur électrique. 14 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que pour la protection, la batterie (5) est reliée d'une part à la commande du moteur électrique et d'autre part au chargeur, la a1 vw 2738964 position du contacteur électromagnétique fixant soit le mode de circulation, soit le mode de charge.