Brevet FR2867319A1 — publié le 20050909

DISPOSITIF DE DECHARGE DE BATTERIE PAR COMMANDE CONTINUE DE TRANSISTORS MOS DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTERIEUR L'invention concerne un dispositif de décharge de batterie. Dans le domaine de l'automobile, par exemple, le dispositif selon l'invention permet de placer une batterie à courant continu dans un état de charge souhaitée plus communément appelé SOC (l'acronyme SOC provient de l'expression en langue anglaise State Of Charge ). La procédure de mise à SOC d'une batterie passe par la décharge de celleci à courant continu et sous une tension continue. Le courant de décharge Inom est régulé pour être égal, par exemple à la quantité Cnom/20, où Cnom est la capacité nominale de la batterie. La décharge est effectuée pendant une durée déterminée At, le couple (Inom, At) fixant le SOC de la batterie à partir d'un état initial de charge donné. Différents dispositifs mettant en uvre la décharge de batterie sont actuellement connus. Le brevet chinois CN 13399859 ( Automatic load change-over regulating method for battery discharge machine ) divulgue une décharge de batterie dans des résistances à coefficient de température positif (plus communément appelées résistances CTP) et dans un réseau de fils chauds. Pour obtenir un courant constant en valeur moyenne, le dispositif de décharge utilise une modulation à largeur d'impulsion (plus communément appelée modulation PWM). Le dispositif présente plusieurs inconvénients. En effet, aucun dispositif de dissipation thermique n'est spécifié pour refroidir les résistances CTP et, par ailleurs, la modulation PWM peut induire un certain nombre de problèmes sur certains types de batteries. La demande de brevet EP 1145404 ( Method of, and circuit for, controlling the discharge of battery ) divulgue un système d'optimisation de l'énergie délivrée par une batterie. L'application est celle des téléphones mobiles, pour laquelle la gestion des consommations est primordiale pour augmenter l'autonomie des systèmes. Un processeur gère dans le temps les différents charges mises en fonctionnement, et plus particulièrement les seuils de coupure pour une batterie vieillissante. Ce dispositif ne s'applique donc pas à une régulation de courant pour une décharge à courant fixe. Par ailleurs, il ne gère pas les problèmes thermiques liés à la dissipation de l'énergie. Le brevet chinois CN 1327288 ( Charge/Discharge type power supply ) divulgue un dispositif de contrôle d'un réseau de batteries et de charges reliées entre elles par des transistors MOS fonctionnant en interrupteurs (mode bloqué/saturé). Ce dispositif ne régule pas le courant, mais le filtre à dérivation du réseau (filtre by-pass). Le brevet US 6380715 ( Electric power system ) divulgue un système de régulation de la charge électrique appliquée à une source à l'aide d'une batterie tampon et d'une charge résistive, dont la connexion est gérée en fonction de l'état de charge de la batterie. Le système ne divulgue pas de moyens de régulation du courant. Aucune contrainte thermique n'est mentionnée. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un dispositif de décharge de batterie munie de deux bornes. Le dispositif comprend: au moins un module monté entre les deux bornes de la batterie, le module comprenant un réservoir contenant un liquide non conducteur dans lequel est placé un boîtier contenant au moins un transistor MOS dont les bornes de drain et de source sont électriquement reliées, respectivement, à une première borne de la batterie et à une deuxième borne de la batterie, des moyens de commande pour placer le transistor MOS contenu dans le boîtier dans une zone de caractéristique du transistor dite zone de résistance variable et pour asservir le courant qui parcourt le transistor MOS à une valeur telle qu'un échange thermique en régime de convection naturelle avec changement de phase s'établisse dans une zone d'ébullition nucléée entre le boîtier et le liquide non conducteur. Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, le dispositif comprend un circuit de commande de temps de décharge. Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, le circuit de commande de temps de décharge comprend des moyens de sécurité pour éviter une destruction de la batterie. Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, les moyens de commande comprennent un correcteur intégral commandé par une information relative au courant qui parcourt le transistor MOS. Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, le liquide non conducteur est de l'eau déminéralisée. Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, le récipient est un cylindre de diamètre sensiblement égal à 10cm et contenant sensiblement 1 litre d'eau déminéralisée, une hauteur d'air sensiblement égale à 3cm étant prévue en surface de l'eau pour permettre à de la vapeur d'eau de se condenser dans le récipient. Le dispositif de décharge de batterie est avantageusement extensible à volonté en multipliant la mise en parallèle des modules aux bornes de la batterie. Un autre avantage de l'invention réside en ce qu'aucune source d'énergie autre que la batterie n'est utilisée. Il est alors possible de décharger la batterie en tout lieu, même là où aucune source d'énergie n'est disponible. Par ailleurs, le coût du dispositif de décharge de batterie selon l'invention est avantageusement très faible, du fait du faible coût des composants (transistors MOS et électronique de commande) qui le constituent. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES La figure 1 représente un schéma de principe de dispositif de décharge de batterie selon l'invention. La figure 2 représente un dispositif de décharge de batterie selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention. La figure 3 représente une courbe de variation du coefficient d'échange calorifique de l'eau en fonction de l'élévation de température et, plus particulièrement, une zone de la courbe de variation utilisée selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DU MODE DE REALISATION PREFERENTIEL DE L'INVENTION La figure 1 représente un schéma de principe de dispositif de décharge de batterie selon l'invention. Le dispositif comprend un ensemble de n réservoirs Ri (i=1, 2, ..., n) montés en parallèle entre les deux bornes d'une batterie 1, un ensemble de n circuits de commande de courant Ki (i=1, 2, ..., n) et un circuit de commande de temps de décharge Td. Chaque réservoir Ri contient un boîtier Bi immergé dans un liquide non conducteur Li. Le boîtier Bi comprend un transistor Ti de type MOS (MOS pour Metal Oxide Semi-conductor ). Les circuits de commande Ki permettent d'alimenter à courant constant les différents transistors Ti. Le circuit de commande Td règle la durée de décharge de la batterie. Le liquide non conducteur Li permet de refroidir le transistor Ti. Selon l'invention, le liquide Li est non conducteur et doit le rester lors de la décharge. Selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention, le liquide non conducteur est de l'eau déminéralisée. Pour que le liquide reste non conducteur, il ne faut pas générer de particules. Cela justifie la mise en boîtier des transistors (montage "Full Pack"). Il est alors également nécessaire de protéger du contact avec le liquide non conducteur les fils de connexion métalliques des transistors par tout moyen connu. Les récipients Ri sont également en matériaux non conducteurs, par exemple en matière plastique. Le volume et la forme des récipients sont déterminés en fonction du flux thermique moyen à évacuer. A titre d'exemple non limitatif, dans le cas d'une décharge constituée de deux transistors MOS (n=2) dissipant sensiblement 60W, un récipient Ri peut être un cylindre de 10cm de diamètre contenant sensiblement 1 litre d'eau déminéralisée et dans lequel il est prévu une hauteur d'environ 3 cm d'air en surface de l'eau pour permettre que de la vapeur puisse se condenser. Selon l'invention, un échange thermique en régime de convection naturelle avec changement de phase s'établit entre le transistor MOS Ti en boîtier et le liquide Li. Le système de décharge de batterie est avantageusement autonome en énergie, puisque aucune autre source d'énergie, autre que la batterie elle- même, n'est nécessaire. Par ailleurs, le système de décharge de batterie est avantageusement extensible à volonté puisqu'il est facilement possible d'ajuster le nombre n de récipients montés en parallèle. Une particularité des transistors MOS est d'avoir une caractéristique de transfert ayant une partie linéaire étendue. La commande des transistors MOS dans cette partie linéaire étendue s'apparente alors à une résistance commandée. D'un composant à l'autre, il peut apparaître une dispersion relativement importante de ces parties linéaires. La mise en parallèle de transistors MOS s'avère alors délicate. Il est alors nécessaire d'asservir de façon autonome chacune des branches montées en parallèle de la batterie. La figure 2 représente un exemple de dispositif de décharge de batterie selon l'invention qui assure cet asservissement. Selon l'exemple de la figure 2, le dispositif comprend quatre récipients R1, R2, R3, R4 comprenant, chacun, un transistor Ti (i=1, 2, 3, 4). Le circuit de commande du transistor Ti est ici un correcteur intégral KIi (i=1, 2, 3, 4) commandé par une information de courant Ii provenant du transistor Ti. La constante de temps du correcteur intégral KIi peut être, par exemple, de l'ordre de la seconde. La figure 3 représente une courbe de variation du coefficient h d'échange calorifique de l'eau en fonction de l'élévation de température 00 et, en particulier, la zone de variation du coefficient h plus particulièrement concernée par l'invention. Le coefficient h d'échange calorifique de l'eau est exprimé en W par m x C et l'élévation de température 00 en C. Cette courbe est issue des travaux de A. Nukiyama sur les échanges de chaleur par convection 5 avec changement de phase. Elle montre une variati on importante du coefficient h. La courbe du coefficient h se divise en quatre zones. - une zone A-B de convection naturelle; une zone B-C-D d'ébullition nucléée; - une zone D-E d'ébullition instable; - une zone E-F-G de vaporisation pelliculaire. Selon l'invention, le courant qui parcourt les transistors MOS est réglé de façon à placer le liquide non conducteur Li qui emplit les réservoirs Ri dans la zone d'ébullition nucléée B-C-D et, préférentiellement, dans la partie basse de la zone d'ébullition nucléée B-C qui est hachurée sur la figure 3. Il est alors possible de bénéficier de la chaleur latente de l'eau et, en conséquence, d'extraire le flux thermique à dissiper par le transistor en s'affranchissant du problème classique de capacité thermique du radiateur. En outre, le fait de travailler dans la partie basse de la courbe assure avantageusement une stabilité thermique qui permet d'éviter tout emballement thermique et, partant, le claquage du composant. REVENDICATIONS 1. Dispositif de décharge de batterie (1) munie de deux bornes, caractérisé en ce qu'il 5 comprend: au moins un module monté entre les deux bornes de la batterie (1), le module comprenant un réservoir (Ri) contenant un liquide non conducteur (Li) dans lequel est placé un boîtier (Bi) contenant au moins un transistor MOS (Ti) dont les bornes de drain et de source sont électriquement reliées, respectivement, à une première borne de la batterie (1) et à une deuxième borne de la batterie, et des moyens de commande (Ki, KIi) pour placer le transistor MOS contenu dans le boîtier (Bi) dans une zone de caractéristique du transistor dite zone de résistance variable et pour asservir le courant qui parcourt le transistor MOS à une valeur telle qu'un échange thermique en régime de convection naturelle avec changement de phase s'établisse dans une zone d'ébullition nucléée entre le boîtier (Bi) et le liquide non conducteur (Li). 2. Dispositif selon la revendication 1, 25 caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de commande de temps de décharge (Td). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit de commande de temps de décharge (Td) comprend des moyens de sécurité pour éviter une destruction de la batterie. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de commande (Ki, KIi) comprennent un correcteur intégral (KIi) commandé par une information (Ii) relative au courant qui parcourt le transistor MOS. 5. Dispositif de décharge de batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liquide non conducteur (Li) est de l'eau déminéralisée. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le récipient (Ri) est un cylindre de diamètre sensiblement égal à 10cm et contenant sensiblement 1 litre d'eau déminéralisée, une hauteur d'air sensiblement égale à 3cm étant prévue en surface de l'eau pour permettre à de la vapeur d'eau de se condenser dans le récipient.