Brevet FR2762721A1 — publié le 19981030

PROCEDE DE CHARGE D'UNE BATTERIE ET CHARGEUR DE BATTERIE POUR LA MISE EN OEUVRE DU PROCEDE La présente invention concerne la charge de batteries à partir d'une tension alternative. Si l'on considère par exemple une voiture électrique, sa batterie doit être chargée périodiquement par un chargeur relié au réseau alternatif et fournissant une tension redressée de charge. Cette tension redressée se présente sous la forme d'alternances positives de sinusoïdes juxtaposées variant entre une tension nulle et une tension crête supérieure à la tension batterie. Si on l'utilisait tel quel, le chargeur ne débiterait, lors de chaque alternance, que lorsque celle-ci présente une tension supérieure à celle de la batterie, puisque la tension de celle-ci est en opposition avec celle fournie par le chargeur. En dessous de la tension batterie, le chargeur ne pourrait vaincre la tension batterie et ne débiterait donc pas. On passerait donc alternativement, à chaque demi-période du réseau, d'un état actif, pour lequel le réseau alimenterait le chargeur qui débiterait, à un état bloqué, sans pratiquement de consommation. Ces brusques changements impulsionnels de consommation sur le réseau y induiraient des harmoniques d'autant plus intenses que le chargeur aurait été conçu relativement puissant pour limiter le temps de charge. De tels harmoniques perturberaient les appareils d'autres usagers du réseau, comme des téléviseurs; c'est pourquoi, leur niveau maximal est en fait strictement réglementé. Pour éliminer ces harmoniques, il faut donc que le chargeur débite même à faible tension redressée, c'est-à-dire qu'il simule une charge passive, à la place de la batterie, dans les creux de tension. Plus précisément, on simule une charge passive constante, c'est-à-dire que le courant d'entrée du chargeur doit être proportionnel à la tension d'entrée. De préférence, il est sensiblement en phase avec elle pour simuler, côté réseau, une charge purement résistive et ainsi s éviter d'appeler du courant déphasé, qui est une source de pertes en ligne. Afin de permettre le débit du chargeur à faible tension, inférieure à celle de la batterie, on prévoit un comparateur comparant la tension redressée qu'il produit à celle, de seuil, de la batterie pour, en quelque sorte, déconnecter par intermittence la batterie du chargeur dans la phase o sa tension est trop basse et faire débiter celui-ci sur uniquement une inductance, qui ne présente donc pas de tension de seuil. Cette inductance est montée en série sur l'une des deux bornes de sortie du chargeur et peut être rebouclée sur l'autre borne par la fermeture d'un interrupteur. La batterie est branchée aux bornes de l'interrupteur, à travers une diode anti-retour qui évite le court-circuit de la batterie par l'interrupteur. L'interrupteur fermé fournit donc une dérivation pour le courant alimentant l'inductance. Une régulation par découpage au niveau de l'interrupteur permet de réguler le courant, que l'on mesure, pour qu'il suive la forme sinusoïdale de la tension d'entrée. A chaque ouverture de l'interrupteur, l'inductance produit une surtension qui permet de vaincre la tension batterie et ainsi d'y décharger le courant emmagasiné par l'inductance, pour recommencer un nouveau cycle. Ce fonctionnement, qui permet en définitive de survolter l'énergie fournie sous faible tension, est appelé "boost". Dans la phase de tension redressée élevée, le courant de recharge peut s'écouler directement du chargeur dans la batterie puisque ce dernier fournit une tension dépassant la tension batterie. Cependant, la batterie équivaut alors à un court-circuit puisqu'elle présente une tension fixe quel que soit le courant. On contrôle donc le courant de charge par un interrupteur série de découpage, dont le pourcentage de taux de fermeture règle le courant. Il s'agit alors d'un mode de fonctionnement appelé "buck". Un tel chargeur est complexe car il comporte deux montages avec régulation de courant. En outre, il faut surveiller la tension d'entrée pour activer l'un tout en désactivant l'autre, et, comme chacun a ses propres circuits de régulation, le passage d'un mode de fonctionnement à l'autre produit une transition brutale dans la régulation, répercutée sur le réseau. On peut encore prévoir un seul montage permettant is simultanément les deux fonctionnements, mais l'inductance doit alors être surdimensionnée car toute l'énergie transite alors par elle. La présente invention vise à simplifier les circuits nécessaires tout en continuant à éviter la génération d'harmoniques sur le réseau. A cet effet, l'invention concerne tout d'abord un procédé de charge d'une batterie à partir d'une tension alternative évoluant de part et d'autre de la tension batterie, dans lequel on régule le courant de charge alternativement en mode boost et en mode buck en fonction de l'erreur entre la valeur instantanée du courant et une valeur instantanée d'un courant de consigne évoluant selon une forme déterminée, procédé caractérisé par le fait qu'on commande l'activation des modes de fonctionnement d'après le signe de l'erreur de courant. La demanderesse a en effet constaté que le signe de l'erreur sur le courant était pleinement représentatif du mode de fonctionnement approprié et qu'il était donc inutile de prévoir des circuits de comparaison entre la tension délivrée par le chargeur et celle de la batterie. En outre, les deux modes de fonctionnement peuvent être commandés par une unique boucle de rétroaction mesurant le courant. $ L'invention concerne aussi un chargeur de batterie comprenant deux ensembles de régulation de courant à fonctionnements respectifs en modes boost et buck agencés pour être asservis sur des moyens de détermination de l'erreur entre le courant instantané débité et un courant instantané de consigne, qui évolue lo selon une forme déterminée, caractérisé par le fait qu'il comporte une boucle commune d'asservissement desdits ensembles agencée pour commander des moyens d'activation respectifs de ceux-ci d'après le signe de ladite erreur. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'un chargeur de batterie pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, en référence au dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est un schéma par blocs du chargeur; et - la figure 2 illustre la régulation de courant. Le chargeur représenté comporte un ensemble 9 d'éléments de charge et un ensemble 11 de régulation de l'ensemble 9. L'ensemble 9 comporte dans l'ordre, de l'entrée alternative réseau à la sortie du chargeur, un pont redresseur 1 double alternance, un interrupteur "buck" 2 en série sur le fil positif, une diode parallèle 3 de roue-libre, une inductance série 4 sur le fil positif, un interrupteur parallèle "boost" 5 et une diode série 6 sur le fil positif. En série, ici sur le fil de retour de courant, ou de masse, un capteur ampéremétrique 7 est disposé en regard de l'inductance 4, donc entre une borne de l'interrupteur 5, en aval de celui-ci, et l'anode de la diode 3. Une batterie 10, de tension Vb, est raccordée en sortie du chargeur, en opposition avec la tension V de celui-ci. $ Les éléments 4, 5, 6 constituent un sous-ensemble d'éléments de charge pour le mode boost, tandis que les éléments 2, 3, 4 constituent un sousensemble homologue pour le mode buck, l'inductance commune 4 servant à lisser le courant. L'ensemble de régulation 11, qui asservit l'ensemble 9, comporte une boucle commune d'asservissement par régulation par rétroaction, avec un circuit 12 correcteur de la mesure du capteur 7, effectuant un filtrage passe-bas sur les valeurs instantanées du courant mesuré, relié en sortie à une entrée inverseuse d'un additionneur/soustracteur 131 appartenant à un circuit additionneur/soustracteur 13. L'additionneur/soustracteur 131 comporte une entrée directe, non inverseuse, reliée à un générateur 15 de demisinusoïdes, représentant un courant instantané de référence ou consigne, évoluant selon une forme déterminée. Un additionneur 132 du circuit 13 reçoit la sortie (signal AI d'erreur de courant) de l'additionneur/soustracteur 131 ainsi que celle d'un générateur 14 de signal en forme de dents de scie d'amplitude crête à crête déterminée. L'additionneur 132 est en fait un additionneur/soustracteur car le signal AI peut être positif ou négatif. Le générateur 15 est asservi en phase avec le réseau (ici, sortie du redresseur 1) par une liaison non représentée. Il s'agit d'un simple atténuateur recevant la tension réseau suivi d'un filtre passe- bas d'élimination des harmoniques. Le redressement peut intervenir en tête, comme ici, ou bien après filtrage, ce dernier s'exerçant, dans ce dernier cas, sur une onde pure 50 Hz, donc pouvant mettre en oeuvre un filtre à bande étroite. La sortie du circuit 132 commande les entrées inverseuses respectives de deux amplificateurs opérationnels 18 (buck) et 20 (boost) commandant les interrupteurs respectifs 2 et 5. Les entrées non-inverseuses des amplificateurs 18 et 20 sont commandées par des circuits de décalage respectifs 17 et 19 recevant une tension de référence Vr d'un circuit de référence 16 et fournissant respectivement des tensions Vr + D et Vr - D (fig. 2). Le fonctionnement du chargeur va maintenant être expliqué ci-dessous. Il convient tout d'abord de remarquer que, pour une tension instantanée d'entrée V faible (V décroître, quelle que soit la position de l'interrupteur série 2. De même, pour V > Vb et l'interrupteur série 2 fermé en permanence, le courant réseau appelé ne peut que croître puisque la batterie 10 est un court-circuit au point de vue alternatif, ceci quelle que soit la position de l'interrupteur parallèle 5. Bref, en mode boost (V fonctionnement qu'il faut. La sensibilité du capteur 7, c'est-à-dire l'amplitude du signal de mesure représentant le courant de charge I, détermine la valeur du courant de charge prévu, ceci pour un signal de consigne (15) présentant une forme de demi-sinusoïdes positives d'amplitude déterminée. Le tableau ci-dessous indique les états de régulation et les transitions entre eux. Etat V I AI Boost Buck (I - Ic) O O -..désactiva- activation tion (5 ouvert) 2 > Vb = 0 Inactif ACTIF (3) = Vb (-) (désacti- vation) Dans un état 0, pour lequel V (buck désactivé)). Dans l'état 1 transitoire qui suit, la tension V vient juste (Vb (+)) de dépasser Vb. L'interrupteur série 2 étant fermé en permanence, le système s'emballe c'est-à-dire que le courant I croît au-dessus de la valeur de référence. L'erreur AI positive fait alors commuter du mode boost au mode buck, seul efficace, pour passer rapidement à un état 2 de fonctionnement, l'interrupteur parallèle 5 étant ouvert en permanence (boost désactivé) et la régulation buck intervient par ouvertures épisodiques de l'interrupteur série 2. A la retombée de V juste en-dessous (Vb(-)) de Vb, le courant I repasse sous sa valeur de consigne (état transitoire 3) quelle que soit l'action de l'interrupteur série de buck 2, devenu inefficace en régulation et donc désactivé (fermé). Le changement de signe de l'erreur AI de courant fait alors repasser à l'état 0. Le détail de fonctionnement des circuits représentés va maintenant être expliqué. La régulation de courant, dans un mode comme dans l'autre, est ici fondée sur le découpage temporel du courant, c'est-à-dire la régulation de son pourcentage de temps de passage respectivement dans l'inductance 4 et l'interrupteur parallèle de boost 5 et dans l'interrupteur série de buck 2. La figure 2 illustre, en fonction du temps t, le principe de fonctionnement des deux modes et des transitions entre eux. Les circuits 17 et 19 fournissent respectivement les signaux de seuil, haut et bas, Vr + D et Vr - D dont les tensions sont portées sur l'axe des ordonnées V. Le circuit 13 détermine un signal intermédiaire représentant l'erreur AI entre le courant I mesuré et le courant de consigne 15, erreur AI à laquelle est ajouté le signal en dent de scie (14) d'amplitude crête-à-crête 2 S, avec ici S = D. Plus précisément, l'amplitude de l'erreur AI est modulée d'une valeur de dent de scie évoluant de -D à +D. En pratique, la dent de scie (ou l'erreur AI) peut présenter une composante continue pour polariser les divers circuits dans une plage de fonctionnement correct, si bien qu'on peut aussi considérer que c'est l'erreur AI qui module la composante continue du signal en dent de scie. En l'absence d'erreur AI, la dent de scie est polarisée en continu pour juste atteindre Vr + D par sa crête positive et Vr - D par sa crête négative. Chacun des interrupteurs 2 et 5 est inactif, (angle de commande ou pourcentage d'activité nul), c'est-à-dire respectivement fermé et ouvert. Cet état n'est que théorique, conmme expliqué plus haut. A l'apparition d'une erreur AI négative, la courbe somme en dent de scie (CO) dérive (C-) vers le seuil bas VR - D et le franchit immédiatement par ses crêtes négatives, ce qui accroît l'angle de commande Abo de fermeture de l'interrupteur parallèle de boost 5, nul au repos (ouverture permanente). L'interrupteur série 2 de buck reste fermé (inactif) puisque son angle de commande reste nul, le seuil haut Vr + D n'étant pas franchi. Dans le sens opposé, une erreur AI positive fait franchir à la courbe somme en dent de scie CO le seuil haut Vr + D et commande donc le fonctionnement en mode buck uniquement (ouvertures de l'interrupteur série 2). De ce fait, les amplificateurs 18 et 20 servent à la fois à activer, d'après le signe de l'erreur AI, leur mode de fonctionnement respectif et à réguler, d'après l'amplitude de cette erreur AI, le courant I dans ce mode. Dans cet exemple, les seuils d'activation des deux modes de fonctionnement sont en fait fonctionnellement confondus (S = D) (même si la présence de la dent de scie nécessite de les décaler physiquement) puisqu'un mode est toujours activé dès que l'équilibre est rompu, c'est-à-dire qu'on désactive l'un des modes lors de l'activation de l'autre. On aurait cependant pu prévoir une plage d'erreurs AI qui soit inactive, c'est-à-dire que les modes boost et buck aient des plages de fonctionnement disjointes (S D), afin de réduire l'erreur AI et de mideux assurer les transitions d'un mode de fonctionnement à l'autre. On remarquera, en outre, que la régulation peut s'effectuer par un procédé selon l'une ou l'autre des branches d'une alternative liée au mode d'action de l'erreur AI. En effet, on détermine en fait la différence entre le signal en dent de scie (14) et chacun des deux seuils (17), (19) et, dans l'exemple ci-dessus, l'erreur AI module le signal en dent de scie (15), qui "flotte" ainsi par rapport aux seuils fixes (17, 19). La solution duale consisterait à moduler les deux seuils (17, 19) par l'erreur AI pour les faire flotter par rapport au signal en dent de scie (15), alors immnuable. Les amplificateurs opérationnels 18 et 20 sont donc en fait des additionneurs/soustracteurs coopérant avec le circuit 13. Le circuit 13 serait alors déplacé et dupliqué pour intervenir en sortie des circuit 17 et 19, avec alors inversion du signe de l'erreur AI pour compenser le changement d'entrée sur les amplificateurs 18 et 20. En bref, on transformerait alors par décalage l'erreur AI en deux erreurs pour les modes boost et buck respectifs, mutuellement décalées d'une valeur déterminée 2D = 2S, et on régulerait la largeur des impulsions de courant dans chaque mode par comparaison entre l'erreur décalée considérée et un signal alternatif d'amplitude 25, donc égale au décalage mutuel. Dans d'autres modes de réalisation, on peut avoir, comme évoqué plus haut, un seuil unique ou deux seuils fonctionnellement décalés (plages d'activation boost et buck disjointes ou en recouvrement partiel) sans que ce décalage soit lié à un signal en dent de scie. Par exemple, un microprocesseur de traitement du signal (DSP) pourrait commander le passage aux fonctionnements boost et buck d'après le signe de l'erreur de courant AI (avec un décalage ! d'amplitude éventuel), tandis qu'il règlerait le courant d'après l'amplitude de cette erreur AI. La commande correspondante pourrait alors faire intervenir une temporisation, avec une sortie croissante d'un compteur, équivalente de la dent de scie devenue inutile. De même, une régulation de courant par un élément à résistance variable ne nécessiterait pas de signal en dent de scie. REVENDICATIONS 1 - Procédé de charge d'une batterie (10) à partir d'une tension alternative évoluant de part et d'autre de la tension batterie, dans lequel on régule le courant de charge alternativement en mode boost et en mode buck en fonction de l'erreur (AI) entre la valeur instantanée du courant et une valeur instantanée d'un courant de consigne évoluant selon une forme déterminée, procédé caractérisé par le fait qu'on commande l'activation des modes de fonctionnement d'après le signe de l'erreur de courant (AI). 2 - Procédé de charge selon la revendication 1, dans lequel on désactive l'un des modes lors de l'activation de l'autre. 3 - Procédé de charge selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel on régule le courant, dans chaque mode, par régulation de largeur d'impulsions de courant. 4 - Procédé de charge selon la revendication 3, dans lequel on transforme par décalage l'erreur en deux erreurs pour les modes boost et buck respectifs, mutuellement décalées d'une valeur déterminée, et on régule la largeur des impulsions de courant dans chaque mode par comparaison entre l'erreur décalée considérée et un signal alternatif d'amplitude égale audit décalage mutuel. - Procédé de charge selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel on affecte au signal de régulation une forme de dent de scie. 6 - Procédé de charge selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel on effectue un filtrage passe-bas sur les valeurs instantanées du courant mesuré. 7 - Chargeur de batterie pour la mise en oeuvre du procédé de la revendication 1, comprenant deux ensembles (4, 5, 6; 2, 3, 4) de régulation de courant à fonctionnements respectifs en modes boost et buck agencés pour être asservis sur des moyens (131) de détermination de l'erreur entre le courant instantané débité et un courant instantané de consigne, qui évolue selon une forme déterminée, caractérisé par le fait qu'il comporte une boucle commune (12, 13) d'asservissement desdits ensembles (4, 5, 6; 2, 3, 4) agencée pour commander des moyens (18; 20) d'activation respectifs de ceux- ci d'après le signe de ladite erreur. 8 - Chargeur de batterie selon la revendication 7, dans lequel chaque ensemble comporte un interrupteur (5; 2) de régulation à découpage de courant, à temps de conduction commandé, en fonction de l'erreur, par un circuit de régulation (18; 20) asservi sur ladite boucle (12, 13). 9 - Chargeur de batterie selon la revendication 8, dans lequel il est prévu un circuit (14) générateur de signal en forme de dent de scie, d'amplitude crête à crête déterminée, un circuit de décalage (17, 19) pour fournir deux signaux de référence, respectivement de boost et buck, de niveaux mutuellement décalés selon ladite amplitude, et un circuit additionneur-soustracteur (132, 18, 20) agencé pour déterminer la différence entre le signal en dent de scie (14) et le signal respectif de référence (17; 19) et la composer à l'erreur (131) pour commander les interrupteurs respectifs (5; 2). - Chargeur de batterie selon l'une des revendications 8 et 9, dans lequel un circuit (7) de mesure du courant débité est disposé, sur une liaison de retour de courant, en aval de l'interrupteur de boost (5).