Brevet FR2785736A1 — publié le 20000512

BATTERIE SYNTHETISEE La présente invention concerne une batterie synthétisée, destinée à délivrer entre deux bornes de sortie une tension continue variable. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des téléphones publics, et, plus généralement, à tous les équipements portables utilisant des packs de batteries NiCd ou d'hydrures métalliques de nickel, ainsi que les équipements de faible puissance alimentés par le secteur et possédant une batterie de secours. Actuellement, les appareils de téléphonie publique nécessitent, suivant le modèle et les gabarits de boucles de courant spécifiés dans chaque pays, l'utilisation de packs de batteries NiCd dont le nombre d'éléments est variable et peut aller de 4 à 10. Le coût de ces packs intervient de façon significative dans le prix du produit, alors que la réserve d'énergie disponible, liée à la taille minimum de l'élément constitutif de base, est souvent surdimensionnée pour l'utilisation qui en est faite, notamment pour les tensions élevées. Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer une batterie synthétisée, destinée à délivrer entre deux bornes de sortie une tension continue variable, qui permettrait de réduire le nombre d'éléments des packs de batterie tout en permettant de couvrir la totalité des cas avec un système de batterie universelle. La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ladite batterie synthétisée est constituée par un dipôle réversible en charge/décharge comprenant, disposées en parallèle sur lesdites bornes de sortie, une batterie et une inductance de stockage dont une borne est reliée au ple positif de la batterie, une autre borne de ladite inductance de stockage étant reliée, d'une part, à une première borne de sortie par un premier interrupteur, et, d'autre part, au ple négatif de la batterie et à une deuxième borne de sortie par un deuxième interrupteur, lesdits interrupteurs étant commandés de manière complémentaire à une fréquence et un rapport cyclique donné. Ainsi, comme on le verra en détail plus loin, la batterie synthétisée conforme à l'invention permet, à partir d'un nombre réduit d'éléments de batterie de tension totale Vbatt, de réaliser un dipôle équivalent à une batterie de tension kVbattt (k > = 1) et dont la tension est ajustable linéairement et programmable. La batterie synthétisée ainsi obtenue se comporte électriquement comme une batterie réelle, permettant la charge et la décharge sous la tension kVbatt, le coefficient k étant fonction dudit rapport cyclique. La batterie synthétisée, objet de l'invention, présente un certain nombre d'avantages : -il est possible, malgré la réduction du nombre d'éléments de batterie, d'obtenir des tensions élevées ; -la tension obtenue n'est plus égale à un multiple de la tension d'un élément constitutif de base d'un pack de batterie, mais varie continument ; -la tension de la batterie synthétisée peut tre ajustée en dynamique de manière à atteindre à tout moment le maximum de puissance disponible délivrée par le système fournisseur d'énergie. La quantité d'énergie stockable n'est plus fixée exclusivement par le courant fourni par la source d'énergie, mais au produit du courant disponible par la tension de charge programmée ; -par un asservissement simple de la commande, la tension obtenue peut tre rendue indépendante de la variation de tension liée au niveau de charge des éléments (usuellement de 8 à 15 %). Elle peut ainsi tre parfaitement réglée et se comporter comme un régulateur shunt. Le rendement d'un système électronique utilisant traditionnellement une batterie-tampon et une régulation-série peut tre notoirement amélioré par l'utilisation d'une batterie synthétisée conforme à l'invention La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut tre réalisée. La figure 1 est un schéma de principe d'une batterie synthétisée, selon l'invention. La figure 2 est un schéma d'un mode de réalisation de la batterie synthétisée de la figure 1. La figure 3 est un chronogramme montrant le signal de commande, la tension au point commun des interrupteurs, la tension de la batterie et la tension de sortie de la batterie synthétisée de la figure 2. Le schéma de principe de la figure 1 représente une batterie synthétisée, destinée à délivrer entre deux bornes 1,2 de sortie une tension Vout continue variable. Cette batterie synthétisée comprend une batterie réelle B, formée de 1 à n éléments, en série avec une inductance L de stockage, l'ensemble de la batterie B et de l'inductance L étant disposé en parallèle sur lesdites bornes 1,2 de sortie. Une borne 3 de l'inductance L de stockage est reliée au ple positif de la batterie B, tandis qu'une autre borne 4 de l'inductance L est reliée, d'une part, à une première borne 1 de sortie par un premier interrupteur S 1, et, d'autre part, au ple négatif de la batterie B et à une deuxième borne 2 de sortie par un deuxième interrupteur S2. Les deux interrupteurs S1, S2 sont pilotés par les commandes C 1, C2 respectivement, de manière à assurer un découpage complémentaire à une fréquence donnée f, 48 kHz par exemple. Le système de batterie synthétisée illustre à la figure 1 permet en fait d'obtenir un dipôle entièrement réversible qui peut tre à la fois élévateur ou abaisseur de tension en fonction du sens du courant circulant dans la batterie réelle B, la borne 2 de sortie, étant toujours à un potentiel au moins égal à Vbatt. La tension continue Vout de sortie entre les bornes 1 et 2 de sortie de la batterie synthétisée est exclusivement fonction de la tension Vbatt de la batterie B et du rapport cyclique p de la commande C2 : Vout = Vbatt/p La tension Vout de sortie peut donc tre ajustée de manière continue en fixant la rapport cyclique p. La batterie synthétisée ainsi formée permet de fournir du courant ou en absorber sous une tension programmée par le rapport cyclique. On notera également que le montage de la figure 1 assure une conversion de puissance suivant la loi : Vout x Iout = Vbatt x Ibatt Enfin, on notera la présence d'un condensateur C de lissage destiné à filtrer la fréquence f de découpage. Pour une fréquence de 48khz, la capacité du condensateur C doit tre au moins de 10 pF. La figure 2 montre un mode de réalisation particulier du circuit de batterie synthétisée de la figure 1. On notera que les premier S 1 et deuxième S2 interrupteurs sont constitués par des transistors TRI, TR2, à effet de champ, notamment de type MOSFET. Plus spécialement, lesdits transistors à effet de champ ont des polarités (P, N) opposées, ce qui permet d'obtenir l'équivalent d'une commande complémentaire à partir d'une commande unique représentée sur la figure 2 par le générateur G fonctionnant à une fréquence f de 48 kHz par exemple. Cependant, afin d'éviter la conduction simultanée des deux transistors MOSFET, il est prévu d'introduire un léger retard entre les deux commandes Cl et C2. Ceci est réalisé au moyen de réseaux R1, D1, Cpl et R2, D2, Cp2 où Cpl et Cp2 sont les capacités parasites grillesource des transistors TR1, TR2. Sur la figure 3, on a représenté un chronogramme sur lequel Sc est le signal de commande des deux transistors TR1, TR2, fourni par le générateur G à la fréquence de 48 kHz. La tension V12 est la tension des drains des transistors TR1, TR2 à la borne 4 du schéma de la figure 2. On voit qu'au point bas du signal Sc de commande le transistor TR2 est bloqué tandis que le transistor TR1 conduit, la tension V12 étant alors égale à Vout. Inversement, au point bas de Sc, le transistor TR2 conduit, amenant la tension Vis à celle de la masse. Dans 1'exemple de la figure 3, la tension Vout continue de sortie vaut Vbatt/0,475,0,475 étant le rapport cyclique de la commande du transistor TR2. Pour un rapport cyclique p donné, la batterie synthétisée des figures 1 et 2 présente, comme pour une batterie réelle : -une variation de la tension Vout de sortie liée au niveau de charge de la batterie B (variation de Vbatt) ; -une variation de la tension Vout de sortie liée à la résistance interne équivalente du montage en fonction du courant tout fourni ou absorbé. La résistance interne de la batterie ainsi synthétisée est directement liée à la résistance interne de la batterie réelle B, mais le choix des transistors MOSFET, TR1, TR2, par leur résistance Rdson, et le choix de l'inductance L de stockage sont les facteurs les plus significatifs influant sur la résistance interne du montage. Les composants actuellement disponibles sur le marché permettent d'obtenir une résistance interne de la batterie synthétisée de l'ordre de 3Q, à peine plus élevée que son équivalent en éléments réels. Celle-ci augmente quand le rapport cyclique p diminue. En pratique, le circuit proposé pour réaliser une batterie synthétisée présente des performances satisfaisantes sur une plage de rapport cyclique p allant environ de 0,9 à 0,2. Ceci permet de couvrir une plage de tension Vout de sortie allant de 4,5 à 15V à partir d'un pack de 3 éléments NiCd délivrant une tension nominale Vbatt de 3,6V. Bien entendu, pour réduire les variations de tension, un asservissement de Vout agissant sur la commande est facilement réalisable. Les rendements atteints par le montage des figures 1 et 2 peuvent dépasser 90 %, incluant l'auto-alimentation par la batterie de l'électronique de commande. Le choix d'une fréquence f de découpage basse, 48 kHz, et l'utilisation d'une inductance L de forte valeur, 1 à 5 mH, permettent d'obtenir ce rendement, mme pour des valeurs de courant Ibatt dans la batterie réelle B de 10 mA. REVENDICATIONS 1-Batterie synthétisée, destinée à délivrer entre deux bornes (1,2) de sortie une tension (Vout) continue variable, caractérisée en ce que ladite batterie synthétisée est constituée par un dipôle réversible en charge/décharge comprenant, disposées en parallèle sur lesdites bornes (1, 2) de sortie, une batterie (B) et une inductance (L) de stockage dont une borne (3) est reliée au pôle positif de ladite batterie (B), et une autre borne (4) de ladite inductance (L) de stockage étant reliée, d'une part, à une première borne (1) de sortie par un premier interrupteur (S1), et, d'autre part, au ple négatif de la batterie (B) et à une deuxième borne (2) de sortie par un deuxième interrupteur (S2), lesdits interrupteurs (S 1, S2) étant commandés de manière complémentaire à une fréquence et un rapport cyclique (p) donné. 2-Batterie synthétisée selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un condensateur (C) de lissage est disposé entre les bornes (1,2) de sortie. 3-Batterie synthétisée selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdits premier et deuxième interrupteurs (SI, S2) sont constitués par des transistors (TR1, TR2) à effet de champ. 4-Batterie synthétisée selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdits transistors (TR1, TR2) à effet de champ ont des polarités (N, P)opposées.