Brevet FR2838572A1 — publié le 20031017

"Système de charge d'un dispositif de stockage d'énergie électrique, tel qu'un super-condensateur à partir d'une batterie et notamment d'un véhicule automobile, et procédé d'utilisation de ce système". L'invention concerne un système de charge d'un dispositif de stockage d'énergie électrique, tel qu'un super-condensateur, à partir d'une source d'énergie, telle qu'une batterie, par l'intermédiaire d'un convertisseur de tension continue en tension continue notamment pour un réseau d'alimentation en énergie électrique bitension, pour véhicule automobile. Dans des systèmes de charge de ce type, qui sont connus, le convertisseur intégré dans le réseau bitension comporte des transistors MOSFET et une inductance monté en série dans le circuit de charge. Or, la diode intrinsèque du transistor MOSFET placée entre l'inductance et la borne positive du dispositif de stockage constitue pendant la charge un court-circuit entre la source et le dispositif de stockage. La résistance dans le circuit de charge a pour fonction de limiter le courant de charge. Cependant, la présence de cette résistance est problématique lorsque le convertisseur fonctionne soit en mode abaisseur soit en mode élévateur. Il conviendrait alors de court-circuiter cette impédance. Pour résoudre ce problème, il est connu d'utiliser à la place de cette résistance un transistor MOSFET qui travaille en linéaire lors de la charge du dispositif de stockage et est ensuite saturé lors du fonctionnement classique du convertisseur qui consiste à fournir de l'énergie à la batterie ou l'inverse. La tension du dispositif de stockage peut ainsi être élevé par le convertisseur fonctionnant en convertisseur élévateur. Mais, il s'est avéré que cette solution présente deux problèmes liés qui sont le temps de charge du dispositif de stockage et la puissance dissipée dans le transistor MOSFET fonctionnant lors de la phase de charge en linéaire, en résistance ohmique. En effet, on souhaite charger le dispositif de stockage en un temps le plus court possible. Si le dispositif de stockage est un super-condensateur de l'ordre de 50F, sa charge implique un courant de l'ordre d'une dizaine d'ampères. La puissance que doit alors dissiper le transistor MOSFET est de l'ordre de 70 Watts, ce qui pose des problèmes thermiques. Or, une diminution de cette puissance serait au détriment du temps de charge. La présente invention a pour but de proposer une solution au problème énoncé, occasionné par l'utilisation en régime linéaire du transistor MOSFET dans le circuit de charge du dispositif de stockage. Pour atteindre ce but, le système selon lequel l'invention est caractérisée en ce que l'on prévoit entre la source de tension et le convertisseur DC/DC un dispositif fonctionnant en convertisseur abaisseur dont la tension de sortie est variable jusqu'à la tension de la source. Selon une caractéristique de l'invention, le convertisseur abaisseur comprend une inductance qui est l'inductance du convertisseur DC/DC. Selon une autre caractéristique de l'invention, le convertisseur abaisseur comporte, monté en série avec l'inductance, un interrupteur statique à rapport cyclique variable. Selon une autre caractéristique, l'interrupteur statique est un transistor MOSFET. Selon encore une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le convertisseur abaisseur comporte une diode montée entre le point de connexion de l'inductance et l'interrupteur statique, d'une part, et la borne commune des composants du système, d'autre part. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement dans la description explicative qui va suivre faite en référence à la figure unique schématique annexée donnée uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention. En se reportant à la figure unique, on décrit, à titre d'exemple, l'invention dans une application à un réseau d'alimentation en énergie électrique, bitension, d'un véhicule automobile. Le système comporte une source d'alimentation en énergie électrique, à savoir la batterie BA du véhicule, un dispositif de stockage d'énergie électrique DS destiné à être chargé à partir de la batterie BA ou de l'alternateur ou alternateur démarreur non représenté du véhicule, ainsi qu'un convertisseur de tension continue en tension continue, dit convertisseur DC/DC, désigné par la référence CV, interposé entre le dispositif de stockage DC et la batterie BA. Le dispositif de stockage est avantageusement un super-condensateur. Le convertisseur CV du type DC/DC est avantageusement un convertisseur pouvant fonctionner en convertisseur abaisseur et convertisseur élévateur. Il comprend, de façon connue en soi, un montage de deux interrupteurs statiques commandés, qui sont formés par deux transistors MOSFET TRI, TR2 montés en série entre les bornes du super-condensateur DC. Le convertisseur comporte en outre une inductance IN reliée par une borne au point commun des deux transistors TRI et TR2, l'autre borne étant reliée par l'intermédiaire d'un interrupteur statique commandé, également formé par un transistor MOSFET TR3, à la borne positive de la batterie. On constate qu'un condensateur de stockage CS est monté en parallèle à cette dernière. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, une diode DI est montée entre les bornes réunies Be de l'inductance IN et du transistor MOSFET TR3 et les bornes réunies de l'ensemble des éléments constitutifs du système. Il est à noter que le transistor MOSFET TR3 et la diode DI constitue avec l'inductance IN un convertisseur abaisseur, la diode intrinsèque du transistor MOSFET TR1, représentée schématiquement, étant conductrice, qui permet de générer à partir de la tension de la batterie BA à la borne Be à l'entrée du convertisseur CV, une tension qui peut varier entre la valeur 0 et la valeur de la tension de la batterie. Grâce au système qui vient d'être décrit, pour charger le super-condensateur DC constituant le dispositif de stockage, à partir de la batterie BA, on commande le rapport cyclique du transistor MOSFET TR3 de façon à ce que la tension Be à l'entrée du convertisseur CV augmente à l'allure souhaitée jusqu'à la tension de la batterie BA. Ainsi, grâce au découpage la puissance dissipée dans le transistor TR3 et fortement diminuée. Les MOSFET TR1 et TR2 sont non conducteur pendant cette phase. Si l'on souhaite charger le super-condensateur DC à une tension supérieure à la tension de la batterie BA, on amène le transistor MOSFET TR3 à fonctionner en mode de saturation et le convertisseur CV à fonctionner en mode de convertisseur élévateur, de façon classique. Bien entendu, des multiples modifications peuvent être apportées à l'invention, telle que représentée sur la figure unique. Ainsi, on pourrait utiliser à la place du condensateur MOSFET TR3 tout autre interrupteur statique commandé, par exemple un transistor bipolaire. La diode DI pourrait être remplacée par un interrupteur statique commandé tel qu'un transistor MOSFET Le convertisseur CV pourrait être constitué de plusieurs cellules entrelacées, et son interrupteur TR2 pourrait tout aussi bien être une diode. Une autre alternative au montage représenté à titre d'exemple, pourrait être réalisé en supprimant la diode DI. Au repos, l'interrupteur TR3 est ouvert. Dès que l'on désire charger le super-condensateur DC, l'interrupteur TR2 et ensuite l'interrupteur TR3 seront fermés, l'interrupteur TR2 étant alors alternativement fermé et ouvert à une fréquence de découpage. On notera que TR2 est fermé avant la fermeture de TR3. ,On pourrait aussi envisager de faire fonctionner alternativement les transistors MOSFET TR1 et TR2. Concernant le super-condensateur utilisé avantageusement dans le cadre de l'invention, il s'agit d'un dispositif connu sous la dénomination de condensateur double couche qui est constitué par une pluralité de cellules capacitives montées en série. Ce dispositif de stockage d'énergie ne présente qu'une résistance interne très faible et ne s'échauffe donc que faiblement. REVENDICATIONS 1. Système de charge d'un dispositif de stockage d'énergie électrique tel qu'un super-condensateur, à partir d'une source d'énergie électrique telle qu'une batterie, par l'intermédiaire d'un convertisseur de tension continue en tension continue, notamment pour un réseau d'alimentation en énergie électrique, bitension, pour véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend, entre cette source (BA) et le convertisseur de tension continue en tension continue (CV), un dispositif fonctionnant en convertisseur abaisseur (CA) produisant une tension variable jusqu'à la tension de la source d'énergie électrique (BA) à l'entrée (Be) du convertisseur (CV). 2. Système selon la revendication 1, dont le convertisseur de tension continue en tension continue comporte une inductance, caractérisé en ce que le convertisseur abaisseur (CA) comprend une inductance (IN) qui est l'inductance du convertisseur de tension continue en tension continue (CV) . 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le convertisseur abaisseur (CA) comporte une diode (DI) montée entre la borne d'entrée (Be) du convertisseur (CV) et la borne commune des composants du système. 4. Système selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le convertisseur abaisseur (CA) comporte, monté en série avec l'inductance, un interrupteur statique commandé à rapport cyclique variable (TR3 ) . 5. Système selon l'une des revendications 4, caractérisé en ce que l'interrupteur statique (TR3) est un transistor MOSFET. 6. Système selon l'une des revendications 4, caractérisé en ce que l'interrupteur statique (TR3) est un transistor bipolaire. 7. Système selon l'une des revendications 1, 2,4 à 6 caractérisé en ce que le convertisseur abaisseur (CA) comprend, entre la borne d'entrée (Be) du convertisseur de courant continu en courant continu (CV) et le point commun des composants du système, un interrupteur statique commandé, tel qu'un transistor MOSFET. 8. Procédé d'utilisation du système selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, pour charger le dispositif de stockage (DS) à partir de la batterie (BA), on commande le rapport cyclique de l'interrupteur statique (TR3) de façon que la tension à l'entrée (Be) du convertisseur de courant continu en courant continu (CV) augmente à une allure déterminée par ce rapport cyclique jusqu'à la valeur de la tension de la batterie (BA) en faisant fonctionner l'interrupteur statique en mode linéaire comme élément résistif. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que, pour charger le dispositif de stockage (DS) à partir de la batterie (BA) à une tension supérieure à la tension de cette batterie, on fait fonctionner le convertisseur de courant continu en courant continu (CV) en convertisseur élévateur et l'interrupteur statique à rapport cyclique variable (TR3) en mode de saturation, après avoir chargé le dispositif de stockage (DS) à la tension de la batterie (BA) en faisant fonctionner l'interrupteur statique en mode linéaire avec variation du rapport cyclique.