Brevet FR2785103A1 — publié le 20000428

DISPOSITIF DE GENERATION D'ENERGIE ELECTRIQUE POUR BUS D'ALIMENTATION La présente invention concerne un dispositif de génération d'énergie électrique pour un bus d'alimentation, en particulier un bus régulé du type utilisé à bord des satellites. De tels dispositifs assurent les meilleurs résultats pour une surface minimale de capteurs solaires et une masse minimale des batteries. De tels bus régulés à 50 V ou bien à 100 V sont utilisés pour des satellites géostationnaires de télécommunication et sont actuellement mis en oeuvre pour des constellations de satellites tels que SKYBRIDGE ou bien encore CELESTRI/TELEDESIC. Il existe actuellement plusieurs architectures connues pour alimenter un bus à partir d'un générateur d'énergie solaire et d'une unité de stockage d'énergie électrique comprenant une ou plusieurs batteries. Le premier concept met en oeuvre trois domaines opératoires, à savoir le contrôle par shunt (court-circuit) de l'excès d'énergie solaire générée à un instant donné, la charge de l'unité de stockage d'énergie, et enfin la décharge de l'unité de stockage d'énergie. Les domaines opératoires sont commandés par une boucle de commande qui assure la transition entre les modes et qui gère les conflits entre les modes opératoires (par exemple, charge et décharge de la ou des batteries). Ce concept nécessite la mise en oeuvre d'un régulateur de charge des batteries et d'un régulateur de décharge des batteries. Le deuxième concept ne met en oeuvre que deux domaines opératoires, à savoir le contrôle par shunt (court-circuit) et la décharge de la ou des batteries. Le régulateur de charge n'est pas commandé par la boucle de commande, et sa mise en oeuvre est simplifiée, mais il n'est plus possible de gérer les conflits. Selon le troisième concept connu, dénommé"bus hybride", les générateurs solaires sont répartis en deux groupes dont l'un est affecté à l'alimentation du bus, et l'autre à la charge des batteries. Il permet de se dispenser de régulateur de charge, mais le fonctionnement n'est pas optimal et il s'avère sensible aux défaillances des générateurs solaires. La présente invention concerne un dispositif de générateur d'énergie électrique pour bus d'alimentation qui permette : -d'assurer en pratique un fonctionnement selon les trois domaines précités, -d'éviter la mise en oeuvre d'un régulateur de charge tel qu'on en trouve dans les dispositifs de l'art antérieur. En d'autres termes, le problème posé par l'invention est de conserver un fonctionnement selon trois domaines tout en simplifiant l'architecture du dispositif. L'idée de base de l'invention est d'affecter en fonction des besoins chacun des modules constituant le générateur d'énergie, soit à l'alimentation du bus, soit à la charge de la ou des batteries, soit à une mise en court-circuit pour évacuer l'énergie en excédent, les modules étant à cet effet individuellement commandables selon ces trois états. L'invention concerne ainsi un dispositif de génération d'énergie électrique pour un bus d'alimentation connecté à une charge, et comprenant : a) une unité de stockage d'énergie électrique comprenant au moins une ; b) un générateur d'énergie solaire présentant une pluralité de modules ; c) un régulateur de commande de la décharge de l'unité de stockage pour alimenter ledit bus à partir de l'unité de stockage d'énergie électrique, caractérisé en ce qu'il comporte : d) pour chaque module, un dispositif de commande à trois états présentant : i. un premier état dans lequel le courant dudit module alimente le bus, ii. un deuxième état dans lequel le courant dudit module alimente l'unité de stockage, iii. un troisième état dans lequel ledit module est en court-circuit. e) une unité de commande pour piloter les dispositifs de commande selon l'un de leurs trois états. Chaque module constitue en général une section présentant une pluralité de générateurs élémentaires. Le bus d'alimentation présente en général un élément capacitif. Selon une variante avantageuse, l'unité de commande présente un état de commande pour répartir les modules de commande selon deux groupes, à savoir : i. un premier groupe dans lequel au moins un module est dans son premier état pour alimenter le bus, et dans lequel un des modules est affecté à la régulation de la tension de bus et est à cet effet dans son premier état lorsque le maintien d'une tension nominale de bus requiert un apport de courant à partir dudit module ; ii. un deuxième groupe dans lequel au moins un module est soit dans son deuxième état, soit dans son troisième état en fonction d'un niveau de courant de charge désiré, le nombre de modules dans le deuxième état étant fonction de la valeur de courant de charge désiré. Lorsque le maintien de la tension nominale du bus ne requiert pas d'apport de courant à partir dudit module, celui-ci peut tre placé dans son troisième état. Préférentiellement, il est dans ce cas placé dans son deuxième état si le niveau dudit courant de charge le permet, et dans son troisième état sinon. Un dispositif de commande de charge peut générer la valeur dudit courant désiré de charge de l'unité de stockage d'énergie électrique. Il présente de préférence une sortie pour un signal logique de fin de charge pour placer dans leur troisième état au moins les modules faisant partie du deuxième groupe. Selon un mode de réalisation préféré, les modules sont connectés au bus à travers une diode en direct, et à l'unité de stockage d'énergie électrique à travers un interrupteur commandé et une diode en direct, la fermeture de l'interrupteur commandé plaçant le module dans son deuxième état. L'invention concerne enfin l'utilisation du dispositif précité dans un système pour lequel la tension finale de charge de l'unité de stockage est sensiblement inférieure à la tension nominale du bus. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en liaison avec les dessins ci-annexés, dans lesquels : -la Figure 1 représente une topologie d'un dispositif selon l'art antérieur du type à trois domaines ; -la Figure 2 représente une topologie du type"bus hybride", également selon l'art antérieur ; -la Figure 3 représente une topologie d'un dispositif selon un mode de réalisation préféré de l'invention ; et -les Figures 4a et 4b illustrent de manière comparative la commande d'une section shunt selon l'art antérieur (Figure 4a) et selon un mode de réalisation de la présente invention (Figure 4b). La topologie représentée à la Figure 1, qui correspond au concept connu dit à trois domaines, met en oeuvre N sections de modules générateurs Mugi, MG2, etc. MGn, présentant chacun en parallèle un interrupteur shunt commandé SW" SW2, etc. SWn, et chaque module étant couplé à un bus d'alimentation BUS par l'intermédiaire de diodes en direct D,, D2, etc. DN. Une unité de stockage d'énergie électrique BAT qui comporte au moins une batterie est couplée au bus BUS par l'intermédiaire d'un régulateur de charge BCR en parallèle avec un régulateur de décharge BDR. Le bus BUS comporte de manière classique un élément capacitif CBUS et le bus BUS alimente une charge CH. Un signal MEA d'erreur moyenne sur la tension V du bus BUS rapport à une tension de référence donnée par une diode Zener Z est délivré à la sortie d'un amplificateur intégrateur AMP. Suivant la valeur plus ou moins élevée de la valeur du signal MEA, le système fonctionne soit dans un domaine shunt (les valeurs les plus élevées), soit dans un domaine BCR de charge de l'unité de stockage BAT, soit pour les valeurs les plus faibles, dans un domaine BDR de décharge de l'unité de stockage BAT, ceci correspondant au cas d'un fonctionnement en mode éclipse dans lequel les panneaux solaires ne sont pas éclairés. La commande par shunt de la puissance en excès fournie par le générateur d'énergie solaire, la charge de l'unité de stockage BAT et sa décharge, sont commandés par une boucle de commande unique qui assure une transition souple d'un mode à l'autre et qui exclut les conflits entre les modes opératoires. Le concept à trois domaines permet une bonne optimisation de la caractéristique du réseau de capteurs solaires, en fonction de la valeur régulée de la tension V du bus BUS et une conception entièrement modulaire du réseau de capteurs solaires qui est organisé en modules constitués par des sections généralement identiques de générateurs solaires élémentaires. Ce concept assure également un découplage total de l'unité de stockage BAT grâce au régulateur de charge BCR et au régulateur de décharge BDR, ce qui permet une optimisation des batteries. Le second concept, dit à deux domaines, met en oeuvre la mme topologie que le concept dit à trois domaines, mais le fonctionnement des régulateurs de charge BCR n'est pas piloté par la boucle de commande générale et la régulation de la charge de l'unité de stockage BAT est pilotée par l'ordinateur principal. De ce fait, la boucle de régulation principale ne permet plus d'exclure la charge et la décharge simultanées de l'unité de stockage BAT. L'avantage principal de ce second concept est de simplifier la topologie du régulateur de charge BCR, qui reste cependant nécessaire. Le troisième concept, qui est illustré à la Figure 2, est qui est dénommé"bus hybride", a été utilisé par la demanderesse pour certains satellites géostationnaires de première génération et pour des missions à basse orbite terrestre LEO, en particulier dans le système Eureca. Selon ce concept, le réseau de cellules solaires est divisé en deux parties, la première étant constituée par les modules MGI, etc. MGN, qui assurent la régulation de tension du bus BUS, et la deuxième étant constituée par les modules MGNI +I, etc. MGN qui sont affectés à la charge de l'unité de stockage BAT. De ce fait, le régulateur de charge BCR est supprimé. Le système fonctionne suivant le principe de régulation à deux domaines, en ce qui concerne la régulation de tension du bus (régulation du réseau solaire, et décharge de l'unité de stockage BAT), la charge de l'unité de stockage BAT étant commandée séparément, c'est-à-dire par l'ordinateur central. La fin de la charge de l'unité de stockage BAT peut tre gérée de deux manières différentes, soit en shuntant l'énergie solaire en excès à la fin de la charge, soit en la dirigeant à travers le régulateur de décharge BDR. Le premier concept, à trois domaines, permet le fonctionnement le plus sûr du système d'alimentation du bus en raison du fait que, mme lorsque la batterie BAT est complètement déchargée, toute l'énergie qui est reçue par le réseau solaire et qui n'est pas nécessaire à l'alimentation de la charge est dirigée prioritairement vers la batterie BAT afin de la recharger. Cependant, ce concept n'est pas le meilleur en ce qui concerne la dissipation thermique et le coût, en raison de la complexité des convertisseurs ou régulateurs BCR, en particulier dans le cas des satellites LEO à basse orbite terrestre, et également en raison du fait que toute l'énergie qui circule à travers la batterie BAT voit les pertes dues au bus BUS, au régulateur de charge BCR, ainsi qu'au régulateur de charge BDR, ce qui est également pénalisant pour les satellites LEO. C'est la raison pour laquelle le concept du type"bus hybride"est généralement préféré dans le cas des satellites LEO à basse orbite terrestre, en raison du fait qu'ils suppriment la nécessité de régulateur BCR, mais la répartition du réseau solaire en deux portions non équivalentes n'est pas optimale et peut rendre les défaillances du réseau solaire critique si aucune marge de sécurité adéquate n'existe. En outre, pour les satellites LEO, une fois que la batterie est chargée, la puissance du réseau solaire en excès pour recharger la batterie ne peut tre fournie au bus qu'à travers les régulateurs BDR avec les pertes qui en résultent. En mode d'éclairage solaire, alors qu'avec le concept à trois domaines toute la puissance fournie par le réseau solaire et la puissance de pointe de sortie du régulateur BDR sont disponibles simultanément, avec le concept"bus hybride", la puissance de pointe disponible se limite à la somme de la puissance de pointe de sortie du régulateur BDR et de la puissance délivrée par la partie du réseau solaire qui est connectée directement au bus BUS. Enfin, la modularité du réseau solaire et les dispositions à prendre en cas de défaillance sont plus faciles à mettre en oeuvre avec le concept à trois domaines qu'avec le concept de type"bus hybride"ou qu'avec le concept à deux domaines. Le concept selon l'invention, qui est illustré par la Figure 3, s'applique particulièrement bien au cas où la tension de charge de l'unité de stockage BAT est, en fin de charge, très légèrement inférieure à la tension nominale V du bus BUS. Un tel concept est utilisé en particulier dans les systèmes SPACEBUS 4000, EUROSTAR 3000, OLYMPUS, etc. II permet, en particulier, le meilleur rendement des régulateurs BDR. Comme représenté à la Figure 3, chacun des modules générateurs MG1, MG2, etc. MGn présente trois états de fonctionnement. A cet effet, chacun d'entre eux est couplé au bus BUS à travers des diodes en direct DI, D2, etc. DN et à l'unité de stockage BAT, à travers des interrupteurs commandables SWHI, SW'2, SW'N, en série avec des diodes en direct respectivement D'"D'2, etc. D'N. Pour un module MG donné, lorsque les interrupteurs SW et SW'sont ouverts, le module MG alimente le bus (premier état). La fermeture de l'interrupteur SW'en maintenant ouvert l'interrupteur SW permet au module MG d'alimenter la charge de l'unité de stockage BAT (deuxième état). Le troisième état ou mode shunt, est obtenu par fermeture de l'interrupteur SW en maintenant ouvert l'interrupteur SW'. Le domaine BCR est obtenu par la commutation séquentielle des modules ou sections du générateur solaire pour les coupler à l'unité BAT. La commutation des sources de courant constituées par les modules du générateur solaire produit une alimentation discrétisée de l'unité de stockage BAT, par rapport à la fourniture de courant linéaire que procure le régulateur BCR de l'art antérieur. Le courant de charge des batteries BAT est d'autant plus réglable qu'il existe un plus grand nombre de modules MG. La topographie selon l'invention permet de commander le dispositif uniquement à partir de deux domaines vis-à-vis du signal MEA, à savoir un domaine BDR et un domaine"shunt", la boucle de commande procurant deux possibilités d'évacuation de l'énergie électrique en excès, qui permet de subdiviser ce domaine "shunt"en deux modes, à savoir soit un aiguillage vers l'unité de stockage BAT si elle nécessite d'tre chargée (mode BCR), soit une mise en court-circuit au cas où l'unité de stockage BAT est chargée (mode shunt proprement dit). Le courant de charge de l'unité de stockage BAT est contrôlé de manière classique par une boucle de commande indépendante, comme pour n'importe quel dispositif de l'art antérieur fonctionnant selon deux ou trois domaines, soit pour réaliser une intégration des nombres d'Ampère-heure fournis à l'unité BAT, soit pour commander la valeur de la tension finale de charge de l'unité BAT en fonction de la température. Pour mieux expliciter ce concept, on se rapportera aux Figures 4 à 6, parmi lesquelles la Figure 4 représente une section shunt classique dans laquelle la valeur du signal MEA est comparée à une valeur de référence Vref. Le résultat de cette comparaison est disponible à la sortie d'un comparateur COMP, qui attaque un dispositif de commande COMM dont la sortie pilote un transistor T à effet de champ de type MOS qui constitue l'interrupteur shunt SW, de manière à coupler la borne active SA du module MG soit au bus BUS à travers une ou plusieurs diodes D, soit au pôle de mode de commun ou masse M. Le schéma de la Figure 5 qui correspond à la présente invention reprend les éléments de la Figure 4, et il y ajoute un circuit logique L qui reçoit à son entrée active le signal de fin de charge EOC et à son entrée de remise à zéro la sortie du comparateur COMP. Lorsque EOC = 0, ce qui correspond à la charge de la batterie BAT, la sortie S, du circuit L est à son niveau bas. La sortie S2 du circuit L est à son niveau haut et commande positivement un circuit de commande COMMI qui autorise la charge de l'unité de stockage BAT à travers les diodes D', le transistor T1 étant passant et le transistor T étant non-passant. Le circuit logique L présente trois états logiques en fonction du signal EOC et du niveau de signal MEA détecté par le comparateur COMP. Pour S I = 0 et S2 = 0, T et T1 sont ouverts, et le module MG est couplé au bus BUS. Pour S S = 0, et S2 = 1, le module MG charge la batterie BAT (voir ci-dessus). Enfin, pour Si = 1 et S2 = 0, T est fermé et le module est en mode shunt. Le fonctionnement est résumé à la Figure 6, c'est-à-dire qu'il existe deux domaines de fonctionnement vis-à-vis du signal MEA, un domaine BDR pour les plus faibles valeurs et un deuxième domaine qui se subdivise en un domaine BCR lorsque EOC = 0 et en un domaine shunt lorsque EOC = 1. Dans le domaine BCR, le signal EOC peut tre utilisé pour désactiver certaines sections vis-à-vis de la charge de la batterie et pour diriger leur courant vers le bus BUS ou bien les placer en mode shunt. En fin de charge de la batterie, lorsque la valeur du signal EOC devient égale à 1, les sections ou modules MG qui avaient été validés pour charger l'unité de stockage BAT sont placés en position de shunt ou court-circuit. Lorsque le signal MEA est dans la zone (MEA Le concept selon l'invention permet de maintenir tous les avantages du concept à trois domaines sans avoir ses inconvénients dans le cas d'une tension de bus qui est régulée par une batterie dont la tension est légèrement inférieure à la tension V du bus. II permet d'éliminer les régulateurs BCR de mise en oeuvre complexe et d'éviter une dissipation inutile d'énergie et le rendement plus faible qui en résulte au cours d'un cycle de charge-décharge de l'unité BAT. Le fait que le fonctionnement puisse tre maintenu selon trois domaines permet en combinant toutes les cellules solaires des modules MG avec la puissance maximale du régulateur BDR d'obtenir une puissance maximale de pointe lorsque les cellules sont exposées au soleil, ce qui permet de choisir plus facilement la puissance de pointe et la puissance moyenne des régulateurs BDR pour fonctionner en mode d'ensoleillement et en mode éclipse. Ceci peut tre un facteur essentiel dans le cadre d'une propulsion électrique. Du fait que le concept permet d'obtenir un fonctionnement à trois domaines alors que l'amplificateur AMP ne fonctionne que selon deux domaines (shunt et BDR), il en résulte une réduction des transitoires interdomaines, ce qui permet de diminuer la taille du condensateur C BUS. Le concept selon l'invention peut tre mis en oeuvre en utilisant un nombre non redondant de sections shunt qui fonctionnent soit en court-circuit, soit en alimentation de l'unité BAT, et le nombre de sections de cellules solaires doit tre suffisant pour une bonne modularité. En pratique, on met en oeuvre deux diodes en série pour connecter les sections ou modules MG au bus BUS et à l'unité BAT de manière à protéger le système contre une panne simple (mise en court-circuit d'une diode). Un transistor T, de type MOSFET à canal P peut tre utilisé pour la commutation vers la batterie, mais le circuit qui active ce transistor doit tenir compte de la tension minimale de l'unité de stockage BAT. Chaque section de cellules solaires est pourvue d'une électronique qui reçoit trois signaux, à savoir le signal MEA, le signal EOC qui est en mme temps un signal d'autorisation pour utiliser une section MG en tant que chargeur de batterie ou non, et le signal Vréf. II est recommandé de mettre en oeuvre des protections additionnelles pour l'électronique de la section shunt. Au cas où un commutateur SW qui dirige le courant d'un module MG vers l'unité BAT tombe en court-circuit, il est possible que du courant en excédent parvienne à l'unité BAT déjà chargée. Ceci pourrait tre détecté de manière autonome par le signal EOC qui aurait dû normalement désactiver ce commutateur, en combinaison avec une détection de la tension de l'unité BAT en amont des deux diodes D'. Dans cette hypothèse, le commutateur de mise en court-circuit correspondant SW peut tre activé. Dès que le signal MEA se trouve dans le mode BDR, le signal EOC peut tre remis à zéro et autoriser le chargement de l'unité BAT à travers le commutateur défaillant SW'. Ceci permet de continuer à utiliser une section MG présentant un commutateur défaillant pour charger l'unité BAT. REVENDICATIONS 1. Dispositif de génération d'énergie électrique pour un bus d'alimentation (BUS) connecté à une charge (CH), et : a) une unité de stockage d'énergie électrique (BAT) comprenant au moins une batterie ; b) un générateur d'énergie solaire présentant une pluralité de modules (MG,... MGN) ; c) un régulateur de commande de la décharge de l'unité de stockage pour alimenter ledit bus (BUS) à partir de l'unité de stockage (BAT), caractérisé en ce qu'il comporte : d) pour chaque module (MG,... MGN), un dispositif de commande à trois états présentant : i. un premier état dans lequel le courant dudit module (MGs... MGN) alimente le bus (BUS), ii. un deuxième état dans lequel le courant dudit module (MG,... MGN) alimente l'unité de stockage (BAT), iii. un troisième état dans lequel ledit module (MGs... MGN) est en court circuit. e) une unité de commande pour piloter les dispositifs de commande selon l'un de leurs trois états 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque module (MGI... MGN) est une section constituée d'une pluralité de générateurs élémentaires. 3. Dispositif selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le bus d'alimentation (BUS) présente un élément capacitif (CBUS). 4. Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité de commande présente un état de commande pour répartir les modules (MGi... MGN) selon au moins l'un de deux groupes, à savoir : i. un premier groupe dans lequel au moins un module est dans son premier état pour alimenter le bus (BUS), et dans lequel un des modules est affecté à la régulation de la tension de bus et est à cet effet dans son premier état seulement lorsque le maintien d'une tension nominale de bus requiert un apport de courant à partir dudit module ii. un deuxième groupe dans lequel au moins un module est soit dans son deuxième état, soit dans son troisième état en fonction d'un niveau de courant de charge désiré, le nombre de modules dans le deuxième état étant fonction de la valeur de courant de charge désiré.. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit module affecté à ladite régulation est dans son troisième état lorsque le maintien de la tension nominale du bus (BUS) ne requiert pas un apport de courant à partir dudit module. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit module affecté à ladite régulation est, lorsque le maintien de la tension nominale du bus (BUS) ne requiert pas un apport de courant à partir dudit module, placé dans son deuxième état si le niveau dudit courant de charge désiré le permet, et dans son troisième état sinon. 7. Dispositif selon une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de commande du courant de charge qui génère la valeur dudit courant désiré de charge de l'unité de stockage d'énergie électrique. 8. Dispositif selon une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que le dispositif de commande présente une sortie pour un signal logique de fin de charge (EOC) pour placer dans leur troisième état au moins les modules faisant partie du deuxième groupe. 9. Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les modules (MG) sont connectés au bus à travers une première diode en direct (D), et à l'unité de stockage d'énergie électrique à travers un interrupteur commandé (SW') et une deuxième diode en direct (D'), la fermeture de l'interrupteur commandé plaçant le module dans son deuxième état. 10. Utilisation du dispositif selon une des revendications 1 à 9 dans un système pour lequel la tension finale de charge de l'unité de stockage (BAT) est sensiblement inférieure à la tension nominale (V) du bus (BUS).