Brevet FR2802723A1 — publié le 20010622

Dispositif d'alimentation électrique à plusieurs niveaux de tension continue de sortie à base de batteries connectées en série. La présente invention a pour objet un dispositif d'alimentation électrique comportant plusieurs niveaux de tension continue de sortie à partir de plusieurs batteries d'accumulateurs connectées en série, lesdites batteries pouvant être chargées par une tension externe de niveau identique à la somme des tensions de l'ensemble des batteries d'accumulateurs connectées en série. L'invention trouve une application particulièrement interessante dans le domaine de l'automobile, dans le cadre d'alimentation à plusieurs niveaux tels que par exemple 24V/12V à partir de plusieurs batteries de 12V disposées série et connectées à un alternateur. En effet, dans la perspective de conception de nouveaux équipements automobiles fonctionnant avec du 24V ou 36V, il est nécessaire de disposer un système d'alimentation à base de batteries capable de fournir aussi bien du 12V et du 24V, ou du 12V et du 36V par exemple. On connaît des dispositifs antérieurs d'alimentation en tension continue à plusieurs niveaux dans lesquels utilise un régulateur de type Buck-Boost . Un tel régulateur comprend par exemple deux batteries de douze volts chacune disposées en série, une capacité en parallèle série composée desdites deux batteries, un système de commande integrant deux transistors et une inductance, et une batterie de douze volts en parallèle d'une capacité. La fonction Buck permet d'abaisser la tension de vingt quatre volts pour une alimentation en douze volts, et la fonction Boost permet d'augmenter la tension de douze volts pour une alimentation en vingt quatre volts. les dispositifs à base de régulateur de type Buck- Boost nécessitent un système de commande des transistors assez complexe. En outre le courant efficace demandé aussi bien en entrée qu'en sortie de tels dispositifs est suffisamment important pour que les capacités intégrées soient de grande valeur, donc coûteuses. Par ailleurs la dynamique des courants traversant les inductances est telle que l'on utilise des inductances à entrefer, un composant coûteux et lourd. La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités en proposant un dispositif simple à mettre en ceuvre. Un autre objet de la présente invention est de réaliser un dispositif d'alimentation dans lequel le courant de charge est identique dans toutes les batteries et le courant de décharge est également identique dans toutes les batteries. L'invention a également pour objet un dispositif d'alimentation peu coûteux et de grande robustesse. invention propose donc un dispositif d'alimentation électrique comportant plusieurs niveaux de tension continue sortie à partir de plusieurs batteries d'accumulateurs connectées en série, lesdites batteries pouvant être chargées par tension externe de niveau identique à la somme tensions de l'ensemble des batteries d'accumulateurs connectées en série. Selon l'invention, ce dispositif d'alimentation électrique comprend en outre, pour une tension de sortie prédéterminée, un convertisseur continu-continu. D'une part, la sortie dudit convertisseur est connectée en parallèle d' premier bloc de batteries pris dans l'ensemble des batteries ledit premier bloc étant relié à la masse et totalisant une tension sensiblement égale à ladite tension de sortie prédéterminée. D'autre part l'entrée dudit convertisseur est connectée en parallèle du second bloc de batteries restant, ce convertisseur étant commandé de façon à obtenir un courant de charge identique dans toutes les batteries et un courant décharge identique dans toutes les batteries. En d'autres termes, pour une tension de sortie prédéterminée, on sépare l'ensemble des batteries en deux blocs. Un premier bloc inférieur relié à la masse et dont tension totale est égale à la tension prédéterminée. Un second bloc connecté au premier bloc et à la tension externe de charge. Puis on branche la sortie et l'entrée du convertisseur continu-continu en parallèle respectivement du premier bloc et du second bloc. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le convertisseur continu-continu est de type push-pull. La caracteristique push-pull permet d'améliorer la robustesse du dispositif. Avec un tel convertisseur, l'isolation galvanique est naturellement assurée du fait de la présence inhérente un transformateur au sein d'une structure push-pull. push-pull est idéalement optimisé par les connexions spécifiques de l'entrée et de la sortie du convertisseur continu-continu, en fait la sortie du convertisseur continu- continu est l'image du second bloc de batterie. Avec un push- pull ainsi optimisé, les capacités utilisées coûtent nettement moins chères que celles utilisées dans un régulateur de type Buck-Boost car elles fournissent entre cinq et dix fois moins courant. Avantageusement, le convertisseur continu-continu peut injecter au point de connexion des deux blocs de batteries un courant dont la valeur absolue est sensiblement identique à celle courant partant dudit point de connexion vers un connecteur délivrant ladite tension de sortie prédéterminée. De préférence, le courant de sortie du convertisseur continu- continu est injecté dans ledit connecteur délivrant la tension de sortie prédéterminée. Ainsi, une partie de la puissance utile au niveau du connecteur de la tension de sortie prédéterminée provient du convertisseur continu-continu, et l'autre partie provient dudit point de connexion. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, le convertisseur continu-continu comprend un circuit de commande de l'étage push-pull. La commande du dispositif d'alimentation se résume pratiquement à la commande un système push-pull, une commande plus simple à mettre en #uvre que la commande d'un système de type Buck-Boost . Selon l'invention, la commande de l'étage push-pull effectue à partir des mesures du courant ' 'ecté dans le point de connexion et du courant partant dudit point de connexion vers le connecteur de la tension prédéterminée. Dans une variante avantageuse de l'invention, la commande l'étage push-pull peut s'effectuer à partir de la mesure d'un courant nul sur une branche commune au courant injecté dans le point de connexion et au courant partant dudit point de connexion vers le connecteur de la tension prédeterminée. D'autres avantages et caractéristiques l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode mise en ceuvre nullement limitatif, et des dessins annexés lesquels : - la figure 1 est un schéma synoptique un dispositif, selon l'invention, dont les tensions d'alimentations sont 24V et 12 V; - la figure 2 est un schéma électronique détaillant le convertisseur continu-continu selon l'invention ; - la figure 3 est un schéma électronique d'un circuit de commande disposé dans le convertisseur continu-continu selon l'invention ; - la figure 4a est une variante du dispositif illustré sur la figure 1 dans laquelle la mesure de deux courants est réduit à la mesure d'un courant nul; - la figure 4b est un schéma électronique un circuit de commande conformément à la variante illustrée sur la figure 4a; et - la figure 5 est un schéma synoptique un dispositif, selon l'invention, dont les tensions d'alimentation sont 36V et 12V. Bien que l'invention n'y soit pas limitée, on va maintenant décrire un dispositif d'alimentation en tension continue de 24V et 12V à partir de deux batteries disposées en série et connectées à un alternateur d'une automobile. Une vue d'ensemble du dispositif selon 1 invention est représentée sur la figure 1. L'ensemble du dispositif est intégré dans une automobile. On distingue deux batteries 1 et 2 de douze volts chacune connectées en série au point A. La plus haute tension disponible au point C qui est la borne positive de la batterie 1 non reliée à la masse M. Ladite plus haute tension correspond dans ce cas à vingt quatre volts, la somme des deux batteries, et elle est disponible par le connecteur 8. connecteur 7 relié au point A permet une alimentation en douze volts. Un convertisseur continu-continu 4 est disposé entre le point A et le point B situé sur la branche reliant le point A au connecteur alimentation de douze volts. Une résistance shunt 5 est disposée sur la branche reliant le point A au convertisseur continu-continu. Une seconde résistance shunt 6 est disposée entre A et B sur la branche reliant le point A au connecteur 7. deux résistances 5 et 6 sont de faible valeur, typiquement quelques milli-chms, et servent à mesurer les courants passant dans les branches respectives. Par ailleurs, les deux batteries 1 et 2 sont connectées au point C à alternateur 3 symbolisé par une source de courant. L'alternateur 3 permet de charger les deux batteries 1 et 2. Pour une alimentation de vingt quatre volts, on se branche au connecteur 8 qui délivre une tension de vingt quatre volts provenant soit directement de l'alternateur 3 si ce dernier est actif soit des deux batteries 1 et 2 connectées en série si l'alternateur 3 n'est pas actif. Pour une alimentation de douze volts, seule la tension d'une batterie est suffisante. on se branche alors au connecteur 7 qui est relié au point A, point milieu deux batteries et correspondant à une tension de douze volts. l'absence du convertisseur continu-continu 4, seule la batterie 2 se déchargerait. Le convertisseur continu-continu 4 va donc intervenir pour qu'un même courant de décharge circule dans les deux batteries 1 et 2 afin d'éviter un déséquilibre, c'est-à-dire qu'une batterie s'use plus rapidement que l'autre car trop sollicitée. Lorsque l'alternateur 3 charge les deux batteries 1 et 2, le courant traversant la batterie 1 du point C vers le point A est plus grand que le courant traversant la batterie 2 du point A vers la masse M puisqu'une partie du courant C-A est déviee par branche A-B pour une alimentation de douze volts connecteur 7. Le convertisseur continu-continu 4 va donc intervenir ici pour que le courant de charge traversant la batterie 1 soit identique au courant de charge traversant batterie 2. En d'autres termes, le convertisseur continu continu intervient pour que le courant de charge I.#1 égale le courant de charge Ich2, et que le courant utile 16 égale le courant injecté I... rapport à un régulateur de type Buck-Boost , on n'utilise ici que deux batteries au lieu de trois. L'intervention du convertisseur continu-continu 4 dans dispositif selon l'invention va être mieux explicitée en référant plus particulièrement à la figure 2. La figure 2 illustre plus en détail le convertisseur continu-continu 4. Ledit convertisseur continu-continu comporte principalement 3 blocs. Le premier bloc 9 est un filtre passe bas permettant d'alimenter les autres blocs du convertisseur continu-continu 4 en un courant continu stable prélevé au point C. La stabilisation dudit courant continu stable est principalement réalisée par les inductances 27 et et capacités 29 et 30. Le second bloc 10 concerne un étage push pull comportant un transformateur de type push-pull commandé à l'aide de deux transistors de type N-MOS. Lesdits transistors sont pilotés par le troisième bloc composé d' circuit de commande 24. Une partie du courant délivré par le bloc 9 pénètre dans le transformateur de type push-pull par les branches 11 et Le transformateur de type push-pull comprend quatre inductances 13, 14 en primaire et 17, 18 en secondaire. Suivant l'état des transistors 15 et 16, le courant passe, soit par l'inductance 13 si le transistor 15 est passant et le transistor 16 bloqué, soit par l'inductance 14 si le transistor 16 est passant et le transistor 15 bloqué. De même le courant induit dans le secondaire passe respectivement soit par l'inductance 17 et la diode 19, soit par l'inductance 18 et la diode 20. Dans tous les cas, le courant induit est injecté au point B vers le connecteur 7. Le courant passant dans le primaire (inductances 17 et 18) se retrouve à travers une résistance shunt 23 qui alimente le bloc 9 par la branche 31 de façon à être filtre par les inductances 25 et 26 et les capacités 29 et 30. Ensuite ledit courant passant dans le primaire est injecté au point A à travers la résistance 5. invention est remarquable dans le sens que courant injecté au point A par le convertisseur continu-continu 4 est identique, en valeur absolue, au courant sortant du point A et dirigé vers le connecteur 7 de douze volts. Ainsi les courants Ichl Ich2 sont identiques. Le circuit de commande 24 contrôle le transformateur de type push-pull en pilotant les transistors 15 et 16 fonction de mesures de courant effectuées au niveau des résistances 5, 6 et 23. Dans le dispositif illustré sur les figures et 2, le courant entrant dans le convertisseur continu-continu par le point C et les courants injectés dans les points A et B sont identiques. Au niveau du connecteur 7 de douze volts, le convertisseur continu-continu délivre sensiblement la moitié de la puissance utile. Si l'on considère que le rendement du convertisseur continu-continu est de 95%, on obtient un rendement global du système en utilisation douze volts (abaisseur), c'est-à-dire puissance utile par rapport à la puissance absorbée de 97,5%. figure 3 montre en détail le schéma électronique d'un circuit de commande 24 selon l'invention. Ledit circuit de commande 24 comprend principalement trois amplificateurs opérationnels 32, 33 et 34 disposés en comparateur et destinés à la mesure des courants à l'aide des résistances 5 et 6. Le circuit de commande comprend également un circuit intégré 35 pour traiter les mesures de courant provenant des résistances 5, 6 23 afin de piloter les transistors 15 et 16. Les amplificateurs 32 et 33 sont de type LM358. L'amplificateur 34 est du type LM393, et le circuit intégré 35 est du type UC3526. Une variante avantageuse du dispositif décrit ci-dessus est illustrée sur la figure 4a. On remarque la disparition des résistances de mesure 5 et 6. Les branches qui contenaient résistances 5 et 6 comportent dans la figure 4a une partie commune 56. En fait, dans cette variante, au lieu d'effectuer deux mesures de courant I. et 16, on mesure le courant 156 traversant la partie 56, et le circuit de commande 24 implémenté de façon à annuler ce courant 156. Ainsi lorsque le dispositif est actif, le courant 1.-6 est nul. La partie 56 comprend par exemple un système de mesure tel qu'illustré sur la figure 4a, c'est-à-dire deux diodes schottky D5 et D6 en têtes bêches et en parallèles d'une résistance 57. Les diodes schottky permettent d'effectuer la mesure du courant nul 156. Un exemple d'implémentation du circuit de commande est illustré sur la figure 4b dans laquelle on distingue un schéma simplifié par rapport à celui de la figure 3. Le circuit de commande 24 comporte un seul amplificateur 32 relié au circuit intégré 35. Une variante de la présente invention concerne une alimentation en tension continue à trente six volts et douze volts dont un schéma synoptique est illustré sur la figure on retrouve les mêmes éléments que ceux illustrés sur la figure 1, mais avec deux batteries 36 et 37 de douze volts à la place de la précédente batterie 1. Les tensions continues de sortie sont trente six volts au connecteur 8 et douze volts connecteur 7. Au niveau du connecteur 7 de douze volts, convertisseur continu-continu délivre, dans ce cas, les deux tiers de la puissance utile. présente invention propose donc un dispositif d'alimentation en plusieurs tensions continues avec rendement global en abaisseur élevé. En outre le dispositif est peu couteux du fait que l'on utilise un transformateur de type push-pull de puissance en entrée et en sortie de douze volts. Le dispositif selon l'invention permet également une alimentation en douze volts même dans le cas où le convertisseur continu-continu serait hors d'usage. Bien sûr, la présente invention n'est pas 'Limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. Ainsi on pourra par exemple envisager un circuit de commande différent commandant d'autres types de transistors que transistors N-MOS. Par ailleurs, le nombre de batteries en série n'est pas intrinsèquement limité à deux ou trois comme dans les exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, mais peut être modulé selon les besoins techniques a satisfaire en matière de translation de niveaux de tension continue. On peut aussi prévoir un dispositif d'alimentation selon l'invention comprenant autant de convertisseurs continu-continu que de niveaux intermédiaires de tension continue proposés à partir d'une tension continue haute. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alimentation électrique comportant plusieurs niveaux de tension continue de sortie (7, 8) à partir de plusieurs batteries d'accumulateurs (1, 2) connectées en série lesdites batteries pouvant être chargées par une tension externe (3) de niveau sensiblement identique à la somme tensions de ensemble des batteries d'accumulateurs connectées en série, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, pour une tension de sortie prédéterminée (7), un convertisseur continu- continu (4) dont, d'une part, la sortie (B, M) est connectée en parallèle un premier bloc de batteries (2) pris dans l'ensemble des batteries, relié à la masse (M) et totalisant une tension sensiblement égale à ladite tension de sortie prédéterminée (7), et d'autre part l'entrée (A, C) est connectée en parallèle du second bloc de batteries restant, ce convertisseur continu-continu étant commandé de façon à obtenir un courant de charge (I,hl, I,h2 ) identique dans toutes les batteries et un courant de décharge identique dans toutes les batteries. 2. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le convertisseur continu-continu est de type push-pull. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le convertisseur continu-continu injecte au point de connexion (A) des deux blocs de batteries un courant (15) dont la valeur absolue est sensiblement identique à celle du courant (16) partant dudit point de connexion vers un connecteur (7) délivrant ladite tension de sortie prédéterminée, et en ce que le courant de sortie du convertisseur continu-continu est injecté dans ledit connecteur délivrant la tension de sortie prédéterminée. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le convertisseur continu- continu comprend un circuit de commande (24) de l'étage push- pull. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la commande de l'étage push-pull s'effectue à partir des mesures du courant (15) injecté dans le point de connexion (A) et du courant (16) partant dudit point de connexion vers le connecteur (7) de la tension prédéterminée. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la commande de l'étage push-pull s'effectue à partir de la mesure d'un courant nul 156) sur une branche commune au courant injecté dans le point de connexion (A) et au courant partant dudit point de connexion vers le connecteur de la tension prédéterminée. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la mesure dudit courant nul (156) s'effectue à l'aide d'une diode schottky.