Brevet FR2789818A1 — publié le 20000818

-1 - La présente invention est relative à un chargeur rapide pour accumulateur d'énergie électrique rechargeable du type électrostatique à base de condensateurs de forte capacité. L'invention concerne également, mais dans une moindre mesure, les chargeurs d'accumulateurs ou batterie au Cadmium Nickel (CdNi) ou au Nickel Hydrure métallique (NiMH) ou encore au plomb (Pb). Elle concerne aussi la charge ou la recharge d'accumulateurs hybrides combinant deux ou plusieurs des technologies de batterie cidessus. Un accumulateur de type électrochimique (plomb, Cadmium Nickel, Nickel Hydrure métallique, etc.) nécessite un temps de charge minimum de plusieurs heures avec un courant de charge limité. Ces limitations sont dûes au procédé chimique de stockage de charge qui implique des déplacements d'ions qui sont des particules grosses et par conséquent lentes. La tension de charge est aussi limitée. Il en résulte que l'énergie de charge par unité de temps est limitée. De nombreux chargeurs s'efforcent de réduire le temps de charge par une optimisation des caractéristiques de courant et de tension de façon à s'approcher le plus près possible des valeurs maximales supportables par l'accumulateur. Comme ces valeurs sont fonction du type d'accumulateur et qu'elles changent souvent avec le temps (par suite du vieillissement des éléments), les dispositifs de l'art antérieur sont relativement complexes et nécessitent souvent la présence d'un microprocesseur pour optimiser la charge en permanence. On connaît d'autres systèmes de charge d'accumulateurs utilisant du courant pulsé pour accélérer la charge. La forme généralement rectangulaire ou impulsionnelle du courant permet d'appliquer des valeurs de courant supérieures à celles d'un régime permanent. Ce procédé ne permet toutefois qu'une faible réduction du temps de charge et nécessite, de plus, des accumulateurs en bonne santé et une électronique de commande sophistiquée. 2 - Lorsque l'accumulateur est constitué d'un ou plusieurs éléments de condensateurs capables de stocker de l'énergie sous forme électrostatique, cette limitation de courant et de tension propre aux accumulateurs électrochimiques n'existe pratiquement plus. De tels accumulateurs, dont la production industrielle avec des valeurs de capacité élevée (plusieurs milliers de farads) est possible aujourd'hui, sont de plus en plus utilisés aujourd'hui, du fait de leur forte densité énergétique et leur très longue durée de vie. Contrairement aux accumulateurs électrochimiques, la charge d'un condensateur n'est pas limitée par des phénomènes de déplacement d'ions parce qu'elle est de nature électrostatique. Mais une limite inférieure de temps de charge est cependant imposée par la constante de temps RC du circuit de charge, la valeur de la résistance R ne pouvant être égale à zéro à cause des courants exorbitants qui se produiraient en début de charge. De plus, la moitié de la charge (Q=CV) et de l'énergie de charge (E=1/2CV2) est perdue lors de la charge du condensateur quelle que soit la valeur du condensateur et celle de la résistance R du circuit de charge. D'après l'American Journal of Physics (novembre 92), l'article de L. Fundaun, C. Reese et H. Soonpaa, intitulé "Charging a capacitor", on constate que si la tension de charge du condensateur est appliquée en paliers progressifs, on obtient une charge complète, à la fin du processus, en ayant dépensé une énergie nettement plus faible. Cependant la mise en oeuvre expérimentale de cette découverte n'a jamais encore donné lieu à la réalisation d'un chargeur réellement efficace. La présente invention à pour but de pallier la plupart de ces inconvénients et de proposer un chargeur de batterie(s) rapide et universel. Un but de la présente invention est d'améliorer radicalement l'efficacité de la charge des 3 0 accumulateurs électrostatiques (condensateurs) et également, bien que dans -3- des proportions moindres, des accumulateurs de type conventionnel (CdNi, NiMH, PB) par réduction des pertes entre le chargeur et l'accumulateur. En particulier, un des buts de l'invention est de réduire les pertes de charge, d'une part, et d'obtenir un gain de temps par une charge complète de l'accumulateur bien avant le délai de charge habituel, d'autre part. Encore un autre but de la présente invention est de permettre, grâce à l'invention, d'utiliser de plus en plus facilement des accumulateurs électrostatiques à la place des accumulateurs électrochimiques pour des appareils électroniques portables, grâce au fait qu'on pourra les recharger très rapidement. Un chargeur selon l'invention est caractérisé par le fait qu'il comprend, entre l'accumulateur à charger et une source d'énergie, un circuit de charge à découpage de courant automatique piloté à partir de son propre courant de charge. Ce circuit à découpage de courant est constitué d'un commutateur en série avec le primaire d'un circuit magnétique dont le secondaire pilote le commutateur électronique de manière que la croissance du courant dans le primaire provoque le blocage du commutateur avec une constante de temps faible. Selon une autre caractéristique de l'invention, le secondaire pilote la commutation à travers un condensateur ou un intégrateur. Une autre caractéristique de l'invention consiste à combiner plusieurs modules chargeurs selon l'invention pour réaliser un chargeur de plus grande puissance. Une autre caractéristique de l'invention consiste à combiner un condensateur de très forte capacité avec un module chargeur pour réaliser une batterie pour appareil électronique portable qui soit légère et rechargeable quasi-instantanément. Une autre caractéristique de l'invention consiste à combiner un module chargeur, un générateur magnéto-électrique et un condensateur de grande capacité pour constituer une source d'alimentation électrique portable et o disponible à volonté. -4- Le chargeur selon l'invention et ses diverses variantes permettent de réduire les pertes de charge par le découpage de la charge totale en une multitude de charges fractionnaires. Son efficacité résulte principalement de son automaticité et de la fréquence de découpage élevée que le couplage magnétique permet d'obtenir. La fréquence élevée du découpage et l'adaptation permanente des caractéristiques de commutation durant toute la charge entraînent une réduction importante de la variation d'entropie du circuit, d'o la réduction des pertes. Cette automaticité entraîne aussi une très grande adaptabilité de l'invention à diverses sources d'énergie d'entrée, pourvu que la tension fournie soit suffisante, ce qui est le cas de la plupart des générateurs magnéto-électriques. Grâce à l'invention, à énergie égale, la charge est plus rapide et les pertes peuvent être réduites de 50% à 90% et plus pour des condensateurs électrostatiques. Ces résultats sont moins spectaculaires avec des accumulateurs électrochimiques pour les raisons indiquées en préambule, mais une amélioration très sensible est néanmoins observable. Ainsi, avec l'invention, le bilan énergétique et le temps de charge sont améliorés, soit séparément soit simultanément. L'invention permet en particulier la charge d'un accumulateur à partir d'un chargeur de puissance nettement plus faible, par conséquent plus facile à transporter. De nombreux autres avantages découlent de la présente invention, qui permet de réaliser de nombreuses économies: échauffement plus faible, alimentation plus facilement transportable, volume, compacité, prix inférieurs, durée de vie améliorée des composants et des batteries, absence d'électronique complexe, absence de logiciel. Ces avantages sont particulièrement importants, actuellement, pour les systèmes électroniques portables comme les téléphones portables, les ordinateurs portables, les assistants personnels, les communicateurs Internet de poche, les livres électroniques, etc. Ces avantages concernent également -5- les installations électroniques qui doivent pouvoir fonctionner de façon autonome comme les centrales d'alarmes, les appareils domotiques, les réémetteurs de téléphonie cellulaire, les téléphones publics, etc... D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description qui suit, accompagnée des figures suivantes qui représentent: La figure 1 représente une vue générale du circuit de charge à découpage automatique selon la présente invention. La figure 2 représente les courbes comparatives de charge d'un condensateur avec et sans le circuit à découpage automatique selon l'invention. La figure 3 représente un circuit de charge d'accumulateur équipé de plusieurs circuits à découpage automatique selon l'invention. La figure 4 représente un exemple d'alimentation autonome à partir d'un générateur magnéto-électrique et d'un circuit à découpage automatique selon l'invention. La figure 5 montre un autre exemple d'application o l'invention est intégrée cette fois avec l'accumulateur. La figure 1 représente un circuit de charge à découpage automatique selon la présente invention. Une source d'énergie G sert à charger un condensateur C. Le circuit selon l'invention s'insère entre ces deux éléments de l'art antérieur. Le pôle positif du générateur est représenté par le point El. Le pôle positif du condensateur est représenté par le point S1. Les pôles négatifs du générateur et du condensateur sont reliés ensembles (masse du circuit). Les signes indiqués dans la présente description ne sont donnés qu'à titre d'exemple, l'invention pouvant s'adapter à toutes polarités. Entre les points El et S1, sont connectés en série respectivement une résistance de limitation de courant R1, un transistor de commutation T1 (liaison collecteur émetteur) et l'enroulement primaire LI d'un circuit magnétique. Une diode D1 est connectée entre la masse, d'une part, et le point commun 6 - entre l'émetteur de T1 et le point chaud de LI, d'autre part, pour supporter l'inertie du courant dans le primaire lorsque le transistor T1 se bloque. La base d(lu transistor T1 est polarisée à partir de la tension d'entrée en E1 à travers une résistance R2 dont la valeur est calculée pour saturer correctement le transistor, en l'absence de courant de blocage. Un enroulement secondaire L2 du circuit magnétique sert à commander le blocage et le déblocage du transistor T1. Son point chaud est relié à une armature d'un petit condensateur C2 dont l'autre armature est reliée à la base du transistor T1. Le point froid d(e l'enroulement L2 est relié au point chaud du primaire L1. Le fonctionnement de ce circuit est le suivant Lorsque le générateur G est connecté à l'entrée El, le transistor T1 est immédiatement conducteur grâce au courant dans la résistance (le base R2. Un courant traverse alors le circuit magnétique primaire L1 et commence la charge du condensateur C connecté à la sortie S1. L'établissement du courant dans le primaire L1 induit un courant dans le secondaire L2. Ce courant, dérivé par le condensateur C2, est négatif par rapport au courant de base défini par la résistance R2. Il bloque alors le transistor T T1. Le courant cesse progressivement grâce à la diode de protection D1 et l'ensemble du circuit revient dans l'état initial à partir duquel le processus qui vient d'être décrit peut recommencer. A chaque période de ce processus, qui dure quelques microsecondes seulement, le condensateur C acquiert une partie de sa charge. La charge complète du condensateur est obtenue après quelques secondes seulement. La résistance Ri de valeur très faible concoure à l'efficacité du circuit. La figure 2 représente les courbes comparatives de charge d'un condensateur avec et sans le circuit à découpage automatique selon l'invention. La courbe Cs en trait pointillé représente la charge conventionnelle d'une batterie électrostatique constituée de plusieurs cellules dites "supercondensateurs" en -7- parallèle, représentant une capacité totale de 1,3 Farad. La charge observe une loi exponentielle et dure environ 83 secondes. La même batterie est chargée en 30 secondes seulement à partir de la même source d'énergie lorsque l'invention est utilisée. Ceci est représenté sur la courbe Ca en trait plein. On observe donc un temps de charge 2,5 fois plus court. Par ailleurs, on constate que grâce à l'invention l'énergie consommée est bien inférieure et que le rendement de la charge dépasse 90%. Comme le temps de charge est plus court, la puissance absorbée est plus faible. Ces mesures varient avec le type d'accumulateur utilisé. Avec des condensateurs électrostatiques classiques (quelques dizaines de milliers de microFarads), on observe des temps de charge extrêmement courts, car ces condensateurs supportent des courants de charge élevés. Avec des accumulateurs électrochimiques (batteries NiMH par exemple), les temps de charge est également plus court qu'avec un chargeur conventionnel. A titre indicatif, de tels résultats ont été obtenus avec un transistor classique de type NPN, des résistances R1 de quelques Ohms et R2 de quelques kiloOhms, un condensateur C2 de quelques nanoFarad, une diode de commutation rapide Dl et un circuit magnétique constitué de deux enroulements de fil de cuivre sur un tore de ferrite pour limiter le rayonnement hertzien. L'intégrateur est un condensateur dont la valeur et celle de l'inductance du secondaire du circuit magnétique sont calculées pour obtenir une fréquence de commutation supérieure à 50 kilohertz. La période des charges élémentaires constatées dans cet exemple entre 2 commutations du transistor T1 est comprise entre 10 et 15 microsecondes. Compte tenu des résultats obtenus, un rendement de charge de 90% et une durée de charge divisée par 3 dans ce cas, l'invention est donc particulièrement avantageuse. De plus, pour réaliser l'invention, les -8composants nécessaires sont très courants et bons marchés, d'o un prix de revient très faible. Bien entendu, l'invention peut être réalisée selon de multiples variantes, l'électronique moderne permettant de réaliser l'invention sous de nombreuses formes équivalentes à celle qui utilise des composants discrets montrés ici à titre d'exemple. L'invention se prête bien à la réalisation d'un chargeur intégré avec la batterie ou le générateur. Le rendement plus élevé permet une plus grande liberté de choix des sources d'énergie. Une caractéristique essentielle de l'invention réside dans l'automatisme du découpage de la charge obtenu par un transformateur pilotant le transistor de commutation. En effet, durant le cycle de charge complet, la tension aux bornes du condensateur et le courant de charge varient continuellement. Il en résulte que la fréquence et l'amplitude des périodes élémentaires de charge évoluent en fonction de la charge du condensateur, de façon entièrement automatique. L'amorçage et l'entretien des commutations est ainsi automatique. Cet automatisme est également bien adapté à une tension d'entrée variable, et même élevée, tant que celle-ci ne dépasse pas les tolérances des circuits de l'invention. La figure 3 représente un circuit d'alimentation ou de charge d'accumulateur équipé de plusieurs circuits à découpage automatique selon l'invention. Entre un générateur 1 et une charge ou une batterie d'accumulateur 2, se trouvent deux circuits de charge identiques et connectés en parallèle. Le premier circuit de charge rapide comprend en série un commutateur SW1, un chargeur 3 tel de décrit à la figure 1, un condensateur 4 et un deuxième commutateur SW2. Le deuxième circuit de charge rapide comprend un commutateur SW3, un chargeur 6 tel de décrit à la figure 1, un condensateur 7 et un deuxième commutateur SW4. -a- Les 4 commutateurs SW1, SW2, SW3 et SW4 sont pilotés par un séquenceur 5. Le commutateur à l'entrée de chaque chargeur rapide doit être fermé quand le commutateur de sortie est ouvert et vice-versa. Les commutateurs du second chargeur rapide doivent être en position inverse de ceux du premier chargeur rapide. Le principe de fonctionnement est le suivant: lorsque le commutateur d'entrée SW1 est fermé, le générateur 1 est relié au chargeur 3 et la capacité 4 se charge. Puis le commutateur d'entrée SW1 est ouvert et le commutateur de sortie SW2 est fermé. La capacité 4 chargée peut alors alimenter la charge ou la batterie 2. Pendant ce temps, le commutateur SW3 est fermé et le chargeur rapide 6 charge la capacité 7. Puis les commutateurs s'inversent et la capacité 7 peut alimenter la charge 2 pendant que la capacité 4 se recharge, et ainsi de suite. Ce système permet de disposer d'une capacité chargée pendant que l'autre capacité se recharge. Bien entendu le nombre de modules chargeurs peut être supérieur à deux. Ce montage permet de disposer d'une charge encore plus grande pour compenser, par exemple, les limites de capacités des condensateurs ou conserver des temps de charge très courts en utilisant plusieurs condensateurs de moyenne capacité plutôt qu'un unique condensateur de forte capacité. La figure 4 représente un exemple d'alimentation autonome à partir d'un générateur magnéto-électrique à courant continu et d'un circuit à découpage automatique selon l'invention. Le générateur magnéto- électrique est schématisé par un aimant tournant dans un bobinage. La mise en mouvement se fait par exemple en pressant deux poignées. Les organes mécaniques et le circuit électrique complet pour délivrer du courant continu ne sont pas représentées pour simplifier la figure. L'énergie générée peut être 3 0 largement suffisante pour recharger en très peu de temps un condensateur de - 10- grande capacité 12 à travers le chargeur à découpage 11 selon l'invention. Le circuit à alimenter 13 est relié directement au condensateur 12 comme s'il s'agissait d'une pile ou d'un accumulateur classique. Certains condensateurs du commerce disposent d'une capacité suffisante pour alimenter un appareil électronique pendant plusieurs minutes, voire plusieurs heures. Le chargeur 11 permet de charger efficacement et très rapidement la capacité à la demande de l'utilisateur par de simples pressions sur les poignées. Il est possible de concevoir des alimentations de ce genre pour des appareils légers situés dans tLies lieux o il n'existe pas de secteur, comme dans certains territoires désertiques. L'invention est particulièrement intéressante aussi dlans le domaine des jouets, pour éviter le remplacement fréquent des piles. La figure 5 montre un autre exemple d'application o l'invention est intégrée cette fois avec l'accumulateur, une batterie électrostatique de type "supercondlensateur" par exemple. L'ensemble 50 constitue, par exemple, l'équivalent d'une batterie d'un téléphone cellulaire. Mais au lieu de contenir une batterie lourde et longue à recharger, l'ensemble 50 comprend une batterie electrostatique 30 beaucoup plus légère et plus petite mais de capacité éventuellement plus faible. Il comprend également un chargeur 20 selon l'invention et un circuit dle contrôle tde charge constitué d'un comparateur de tension 22 qui commande l'ouverture d'un commutateur 21 quand la tension maximale de la batterie 30 est atteinte. L'ensemble batterie-chargeur 50 peutit être ainsi raccordé à pratiquement n'importe quelle source d'énergie électrique E, de n'importe quelle tension (pourvu qu'elle soit supérieure à la batterie), sans aucun chargeur ni régulateur. La source E peut être une simple prise 12 V dans une voiture. Un téléphone sans fil équipé d'une telle "batterie-chargeur" est plus léger, ne nécessite pas le transport d'un chargeur et peut être rechargé en quelques secondes ou quelques minutes pratiquement n'importe o. Il est tout à fait possible, en -11 - effet, de disséminer des prises d'énergie telles que E, afin de rendre très facile la recharge de nombreux appareils portatifs. Il va de soi que le chargeur, selon l'invention, qui est logé dans le boîtier de batterie s'occupe de la charge rapide et de la protection de la batterie à laquelle ses caractéristiques sont évidemment adaptées. L'invention s'applique plus particulièrement aux systèmes de charge d'accumulateurs à base de condensateurs électrostatiques dont la charge peut être très rapide et efficace. Elle s'applique aussi aux chargeurs de 1o batteries électrochimiques malgré une efficacité et une rapidité généralement moindres à cause de la nature de ces batteries. Ce type de chargeur est particulièrement intéressant pour favoriser le remplacement des batteries électrochimiques par des batteries électrostatiques dans les appareils électroniques portables. En effet, la i5 densité de charge dans une batterie électrostatique est supérieure à celle d'une batterie électrochimique, donc plus légère à charge égale. De plus, le circuit de charge selon l'invention est beaucoup plus rapide que les chargeurs conventionnels. L'invention se combine également bien avec les générateurs magnéto- électriques portables actionnés par l'utilisateur pour recharger l'accumulateur d'un appareil situé dans un endroit totalement dépourvu d'électricité ou pour limiter l'installation de panneaux solaires dont les prix sont élevés. L'invention s'applique en particulier aux téléphones portables, aux systèmes d'alarme, aux systèmes domotiques, aux jouets, aux systèmes embarqués nécessitant une alimentation autonome. -12 - REVENDICATIONS 1) Chargeur à découpage d(lu courant de charge d'un accumulateur comprenant un commutateur électronique (T1) en série entre une source d'énergie électrique (G) et un accumulateur (C), caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit magnétique dont le primaire (Li) est en série entre le commutateur (Ti) et l'accumulateur (C) et dont le secondaire (L2) pilote le commutateur (T1) de manière que la croissance du courant dans le primaire (LI) provoque le blocage du commutateur (Tl) avec une faible constante de temps. 2) Chargeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pilotage du commutateur (T1) comprend un intégrateur (C2) en série avec le secondaire (L2) du circuit magnétique. 3) Chargeur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'intégrateur est un condensateur (C2) dont la valeur et celle de l'inductance du secondaire (L2) du circuit magnétique sont calculés pour obtenir une fréquence de commutation élevée, supérieure à 50 kilohertz. 4) Chargeur selon l'une ldes revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une diode de protection (D1) entre le potentiel commun ou masse dlu circuit et le point commun entre le commutateur (Tl) et le primaire L1) du circuit magnétique. ) Chargeur selon l'une ldes revendications I à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une résistance (R1) de limitation de courant de faible valeur en série avec le commutateur (T1). -13- 6) Chargeur composite, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs ensembles chargeurs (3, 6) selon l'une des revendications 1 à 5 incluant chacun un commutateur, un circuit magnétique de commande et un condensateur de forte capacité, et un jeu de commutateurs (SW1, SW2, SW3, SW4) en série en amont et en aval avec chaque chargeur (3, 6) et pilotés par un séquenceur (5) de façon à alterner ou permuter les cycles de charge des différents chargeurs. 7) Chargeur selon l'une dles revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le chargeur (11) est combiné avec un générateur magnéto-électrique (10) pour charger un condensateur de forte capacité (12) par l'action de l'utilisateur sur un système d'entraînement mécanique du générateur (10). 8) Ensemble batterie-chargeur intégré pour appareil électronique portatif, caractérisé en ce qu'il comprend une batterie électrostatique (30) de grande capacité, un circuit chargeur (20) selon l'une des revendications 1 à 5, un dispositif (22) de détection et d'arrêt de la charge lorsque la tension aux bornes dle la batterie (30) a atteint son maximum, et une prise d'alimentation (E) pour connecter une source d'énergie électrique.