Brevet FR2879039A1 — publié le 20060609

La présente invention se rapporte à un module de gestion d'un système de stockage d'énergie électrique, en particulier d'un système de stockage comportant des supers condensateurs. Dans les systèmes actuels, l'énergie électrique des engins autonomes est généralement fournie par des alternateurs et des systèmes photovoltaïques. Le surplus est stocké dans des batteries afin de permettre le fonctionnement des appareils consommateurs en absence de source génératrice. De tels systèmes de stockage permettent un stockage relativement lent et des courants moyens pendant des temps chiffrables en heures. Cependant, du fait de leur technologie et notamment de leur résistance interne, ces systèmes de stockage sont limités pour faire face à des transitoires de courant de forte valeur ainsi que pour fonctionner par temps froid. D'autre part, le nombre de cycles charge/décharge est limité (300 à 500 cycles). Pour faire face à des transitoires rapide, on peut utiliser des condensateurs électrochimiques, mais dans ce cas, l'énergie stockée est très limitée en puissance et en temps (autonomie de l'ordre de la dizaine de millisecondes). Une autre solution existe, explorée depuis plusieurs années, il s'agit des supers condensateurs, ou supers capas. Ces composants permettent un stockage rapide d'une grande quantité d'énergie et sa restitution très rapide du fait de leur faible résistance interne. L'ordre de grandeur pour définir l'autonomie disponible est ici de quelques dizaines de secondes. Outre leurs caractéristiques énergétiques, les supers capas permettent également de travailler à très basse température (-40 C) et supportent plus de 100 000 cycles de charge/décharge. Les supers capas constituent donc une excellente solution aux problèmes fréquemment rencontrés sur les réseaux électrique autonomes (véhicules, bateaux, machines spéciales, etc.), et permettent notamment la compensation des chutes de tension lors du démarrage du moteur ou de gros consommateurs électriques, l'alimentation de consommateurs sans utiliser la batterie de démarrage, le lissage des transitoires sur le réseau de bord et la récupération d'énergie pendant les périodes de surproduction. 2879039 2 Ces systèmes présentent cependant certains inconvénients qu'il faut gérer pour pouvoir utiliser cette technologie. En outre, la tension de chaque élément est limitée à 2,5V et il faut équilibrer la tension des éléments montés en série. Le courant de charge, limité par une résistance interne très faible, peut atteindre des valeurs très élevées et doit être limité et il faut isoler les supers capas du reste du réseau de bord lorsque l'on veut sauvegarder un consommateur en particulier. La présente invention a pour but de proposer un module qui évite au moins certains des inconvénients précités. A cet effet, l'invention a pour objet un module de gestion destiné à être relié d'une part à une source d'alimentation et d'autre part à une charge, caractérisé en ce qu'il comporte un premier élément de contrôle disposé entre ladite source d'alimentation et ladite charge, apte à mesurer le courant qui le traverse; un deuxième élément de contrôle, disposé entre d'une part ladite source d'alimentation et ladite charge et d'autre part un système de stockage, et apte à autoriser ou à bloquer la circulation de courant de ladite source d'alimentation vers ledit système de stockage et apte à autoriser ou à bloquer la circulation de courant dudit système de stockage vers ladite charge; et un microcontrôleur apte à commander lesdits premier et deuxième éléments de contrôle. Avantageusement, ledit système de stockage comporte des supers condensateurs. Selon une caractéristique de l'invention, ledit premier élément de contrôle est apte assurer une fonction d'anti-retour, pour empêcher ledit dispositif de stockage de se décharger dans des dispositifs autres que ladite charge. De préférence, le courant de charge dudit système de stockage est asservi par modification du rapport cyclique de temps de conduction dudit deuxième élément de contrôle. Avantageusement, le courant de charge dudit système de stockage est asservi en permanence et en temps réel. Selon une autre caractéristique de l'invention, lorsque ledit module de gestion est à l'arrêt, sa consommation est inférieure à 25 A. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtrons plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de 2879039 3 réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence au dessin annexé dont la figure unique est une vue schématique du module de gestion selon un mode de réalisation de l'invention, montrant le module de gestion, les deux éléments de contrôle, le microcontrôleur et le dispositif de stockage. En se référant au dessin, on voit un module de gestion 1. Le module 1 est placé entre une source d'alimentation (non représentée) et une charge 8 à protéger contre les coupures du courant d'alimentation, par exemple une radio. La source d'alimentation est branchée entre les bornes +Vin et -Vin et la charge 8 est branchée entre les bornes +Vutil et Vutil. Le module 1 comporte un microcontrôleur 2, un élément de contrôle de charge 3, un élément de contrôle de capa 4 et un système de stockage 5 comportant plusieurs supers capas, par exemple six supers capas montées en série. Les supers capas sont par exemple de type D et de capacité 350F. Elles peuvent être soudées sur un circuit imprimé, et sont capables de délivrer jusqu'à 20A pendant 8 secondes. L'élément de contrôle 3 est connecté d'une part à la source d'alimentation et d'autre part à la charge 8. L'élément de contrôle 3 comporte essentiellement un transistor MOS avec sa diode parasite en parallèle, de manière que la source du transistor soit reliée à la source d'alimentation et que le drain du transistor soit relié à la charge 8. La grille du transistor est reliée au microcontrôleur 2, de manière que le microcontrôleur 2 soit apte à contrôler l'élément de contrôle 3, d'une manière qui sera décrite en détail plus loin. L'élément de contrôle 3 est apte à permettre la circulation d'un courant, de la source d'alimentation vers la charge, en fonction des besoins, comme cela sera décrit en détail plus loin. L'élément de contrôle 3 assure également la fonction antiretour, même si le microcontrôleur 2 n'est pas en fonctionnement. Le système d'anti-retour permet en outre d'éviter que les supers capas se déchargent dans le réseau de bord afin de réserver leur énergie pour l'alimentation de la charge 8, comme cela sera décrit en détail plus loin. L'élément de contrôle 3 est apte à mesurer le courant qui le traverse. On notera que le sens du courant va de la source vers le drain. L'élément de contrôle 4 est identique à l'élément de contrôle 3, et est monté de manière que la source du transistor soit reliée au système de 2879039 4 stockage 5 et que le drain du transistor soit relié à la charge 8 et, via l'élément de contrôle 3, à la source d'alimentation. L'élément de contrôle 4 est apte à permettre la circulation de courant de la source d'alimentation vers le système de stockage 5 ainsi que du système de stockage 5 vers la charge 8. Le microcontrôleur 2 reçoit des informations sur les variables du système à l'aide de circuits de mesure connectés sur des entrées du microcontrôleur. Par exemple, le circuit de mesure 7 permet de connaître la valeur de la tension aux bornes de la source d'alimentation et le circuit de mesure 9 permet de connaître la valeur de la tension aux bornes de la charge 8. L'élément de contrôle 3 est apte à mesurer en permanence le courant qui le traverse et à transmettre la valeur de ce courant au microcontrôleur 2. L'élément de contrôle 4 est apte à mesurer en permanence le courant qui le traverse et à transmettre la valeur de ce courant au microcontrôleur 2. Ces données sont connues en temps réel par le microcontrôleur 2. A partir de ces données, le microcontrôleur 2 contrôle les éléments de contrôle 3 et 4 afin de régler le courant entre la source d'alimentation, la charge 8 et le système de stockage 5. Pour cela, le microcontrôleur 2 détermine en permanence le rapport cyclique de temps de conduction des éléments de contrôle 3 et 4. Pour chaque élément de contrôle 3 et 4, le rapport cyclique correspond au temps de conduction de l'élément de contrôle 3 ou 4 sur un cycle dont la durée est déterminée par le microcontrôleur 2. Cela permet par exemple, lorsque l'écart entre les tensions aux bornes du dispositif de stockage 5 et de la source d'alimentation est important, de limiter le courant de charge. Puis, lorsque l'écart entre ces tensions diminue, le courant est moins important et le temps de conduction peut être augmenté. Pour rendre l'élément de contrôle 3 ou 4 conducteur, le microcontrôleur 2 court- circuite sa diode parasite. Le microcontrôleur 2 surveille la température à l'intérieur de son boîtier et diminue le courant de charge en cas de niveau de température trop élevé. En cas de montée en température jusqu'à une valeur préprogrammée, la charge des supers capas est interrompue pour des raisons de sécurité. L'alimentation de l'utilisation peut néanmoins être maintenue de même que la fonction de fourniture d'énergie de secours. On va maintenant décrire le fonctionnement du système selon l'invention. Dans un premier temps, on considère que les supers capas sont déchargées et que la source d'alimentation fonctionne, c'est-à-dire qu'elle fournit un courant, par exemple un courant de 15A. Lorsque l'élément de contrôle 4 est bloqué, le courant qui arrive à la charge 8 est égal au courant qui traverse l'élément de contrôle 3. A ce moment, l'élément de contrôle 3 mesure le courant qui le traverse, ce qui permet de déterminer la consommation de la charge 8, par exemple 5A. Le microcontrôleur 2 en déduit le courant maximum qui peut être utilisé pour recharger les supers capas, c'est-à-dire 10A dans notre exemple, et commande l'élément de contrôle 4 pour que celui-ci se débloque. Le microcontrôleur 2 pilote l'élément de contrôle 4 pour générer un courant de charge égal au courant maximum disponible sur l'alimentation du module (15A dans notre exemple) moins le courant consommé par la charge 8. Le courant peut être asservi en permanence et en temps réel par la modification du rapport cyclique de temps de conduction de l'élément de contrôle 4. Lorsque les supers capas sont chargées, le courant de charge devient nul et l'élément de contrôle 4 est coupé. De même, l'élément de contrôle 4 est coupé si la tension d'alimentation ou d'utilisation (en cas de réinjection) atteint un seuil critique pour les supers capas (plus de 2,5V par élément). Les supers capas étant préalablement chargées, en cas de baisse de la tension d'alimentation, elles vont prendre automatiquement et instantanément le relais de la source d'alimentation, même si le microcontrôleur 2 n'est pas en fonctionnement. Dans ce cas, le système de stockage 5 alimente directement la charge avec l'énergie stockée dans les supers capas via la diode parasite de l'élément de contrôle 4. Simultanément, le microcontrôleur 2 va détecter la chute de la tension d'alimentation et commander l'élément de contrôle 4 pour éviter son échauffement excessif en mettant en parallèle la faible résistance interne de l'élément de contrôle 4 avec la diode parasite. On notera que le module 1 assure son rôle de réserve d'énergie même lorsqu'il est à l'arrêt. Lorsque le module 1 ne détecte plus de consommation sur sa sortie pendant un temps préprogrammé et que la tension d'alimentation atteint un seuil bas préprogrammé, il se met à l'arrêt. Sa consommation est alors 2879039 6 de moins de 25 A. Dès que sa tension d'alimentation dépasse un seuil préprogrammé indiquant que la source d'alimentation fonctionne ou dès qu'il détecte une consommation sur sa sortie utilisation, il s'active. Dans cet état, le module 1 reste en fonctionnement même si la tension d'alimentation redescend ponctuellement sous le seuil de réveil. Une LED reliée au microcontrôleur 2 permet d'indiquer en permanence l'état du module 1 via un dialogue codé sous la forme de trains d'impulsions. L'équilibrage de la tension de charge peut être assuré de manière 10 statique ou dynamique suivant le type de module 1. REVENDICATIONS Module de gestion (1) destiné à être relié d'une part à une source d'alimentation et d'autre part à une charge, caractérisé en ce qu'il comporte un premier élément de contrôle (3) disposé entre ladite source d'alimentation et ladite charge, apte à mesurer le courant qui le traverse; un deuxième élément de contrôle (4), disposé entre d'une part ladite source d'alimentation et ladite charge et d'autre part un système de stockage (5), et apte à autoriser ou à bloquer la circulation de courant de ladite source d'alimentation vers ledit système de stockage (5) et apte à autoriser ou à bloquer la circulation de courant dudit système de stockage (5) vers ladite charge; et un microcontrôleur (2) apte à commander lesdits premier et deuxième éléments de contrôle (3, 4). Module de gestion selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit système de stockage (5) comporte des supers condensateurs. Module de gestion selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier élément de contrôle (3) est apte assurer une fonction d'anti-retour, pour empêcher ledit dispositif de stockage (5) de se décharger dans des dispositifs autres que ladite charge. Module de gestion selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant de charge dudit système de stockage (5) est asservi par modification du rapport cyclique de temps de conduction dudit deuxième élérnent de contrôle (4). Module de gestion selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant de charge dudit système de stockage (5) est asservi en permanence et en temps réel. Module de gestion selon la revendication 1, caractérisé en ce que lorsque ledit module de gestion (1) est à l'arrêt, sa consommation est inférieure à 251_tA. 1. 2. 3. 4. 5. 6.