Brevet FR2914123A1 — publié le 20080926

CHARGEUR RAPIDE UNIVERSEL POUR TOUT ELEMENT ELECTROLYTIQUE, PILES ALCALINES ET ACCUMULATEURS RECHARGEABLES DESCRIPTION L'invention objet de la présente demande de brevet consiste en un chargeur rapide permettant de recharger partiellement des piles alcalines ainsi que des accumulateurs rechargeables du type nickel-cadmium (NiCd) ou nickel-métal-hydride (NiMH). Le brevet FR2789818 des demandeurs décrit un chargeur rapide destiné à recharger des accumulateurs électrostatiques ou rechargeables, pouvant également recharger partiellement des piles alcalines, comportant un auto-oscillateur et un comparateur permettant de mettre fin à la recharge quand la tension maximum est atteinte. Ce dispositif comporte de nombreux avantages par rapport aux chargeurs existants, notamment concernant la flexibilité d'emploi pour recharger un nombre variable de piles. Cependant, considérant comme avantages décisifs la possibilité de recharger indistinctement tout type de pile ou d'accumulateur rechargeable, en nombre variable tout en détectant automatiquement le type de pile et en supervisant en même temps les divers paramètres comme la tension aux bornes des piles et le courant de recharge au cours du temps de manière à optimiser la sécurité de fonctionnement, le but de la présente demande de brevet d'invention est de proposer un chargeur réunissant ces avantages simultanément. La solution permettant d'atteindre ce but est constituée des caractéristiques de la revendication indépendante et détaillée dans les deux variantes d'exécution décrites ci- 25 dessous. D'autres variantes utilisant fondamentalement les mêmes caractéristiques mais comportant quelques modifications mineures peuvent aisément être déduites de la présente demande par 1' homme de métier, sans remettre en question 1' esprit de la présente invention. 30 Pour situer cette invention dans son contexte, il convient de rappeler ici, comme expliqué dans le brevet FR2789818, que de nombreux essais expérimentaux ont montré de manière surprenante que des piles alcalines réputées non rechargeables, peuvent être rechargées partiellement pour autant que deux conditions essentielles soient observées : 35 La recharge doit se faire en régime pulsé, c'est-à-dire que le courant de recharge parcourant les piles doit être constitué d'impulsions séparées par des intervalles à courant nul, selon un rapport cyclique optimisé par voie expérimentale. Cette forme de l'onde de courant semble favoriser la régénération des espèces chimiques indispensables au fonctionnement de la pile lors de son utilisation en régime de décharge, et présente 40 également l'avantage de causer un échauffement de la pile bien plus faible que celui que l'on peut observer lors de tentatives de recharge en courant continu dont les inconvénients, notamment risque d'écoulement ou même d'éclatement, sont connus. Il est impératif de définir un critère fiable pour mettre fin à la charge, évitant ainsi une surcharge qui peut présenter les risques cités ci-dessus, d'écoulement et même 45 d'éclatement dans les cas extrêmes. Ce critère peut être surveiller la tension aux bornes des piles et mettre fin à la recharge en annulant le courant dès que la tension a atteint une valeur maximum préajustée ou stopper la recharge en se basant sur la durée totale de circulation du courant de recharge, ou encore, ce critère peut être obtenu par la combinaison des deux méthodes précédentes, tension et durée, au moyen d'un système 50 logique intelligent. L'avantage essentiel du chargeur selon l'invention est de pouvoir recharger des piles alcalines ordinaires. Il existe dans le commerce des chargeurs de piles alcalines spéciales dites RAM (Rechargeable Alcaline Manganese), piles dont la structure étanche et le 55 choix des constituants permet d'assurer une recharge sans risques. Toutefois, le coût de ces piles constitue un inconvénient non négligeable. L'invention sera maintenant décrite en détail en faisant appel aux figures qui illustrent le texte. A noter que dans le texte descriptif ci-dessous, le terme "pile" est employé à titre 60 d'exemple; dans les revendications, le terme générique "élément" est employé pour couvrir aussi bien les piles que les accumulateurs rechargeables. La fig. 1 représente le schéma d'une première version préférentielle du chargeur selon la présente invention. La fig. 2 représente le schéma d'une deuxième version du chargeur selon la présente invention, version conservant l'auto-oscillateur décrit dans le brevet FR2789818. La première version comporte un connecteur JC1 permettant d'alimenter le chargeur au 70 moyen d'un module d'alimentation externe, cette disposition présentant l'avantage d'alléger le chargeur. Cependant, il est tout à fait loisible d'intégrer le module d'alimentation dans le chargeur, la fiche de connexion au secteur pouvant également être intégrée sur une paroi du boîtier du chargeur. La tension nominale de sortie du module d'alimentation est avantageusement de 14 volts pour permettre la recharge de piles de 9V, 75 mais peut bien entendu être adaptée à d'autres valeurs de tension nominale de piles et d'associations respectives. Une diode Dl permet d'éviter tout risque éventuel d'inversion de polarité par l'emploi accidentel d'un module d'alimentation non conforme. Il est aussi loisible d'alimenter le chargeur à partir d'une batterie de véhicule, par exemple. 80 Un régulateur de tension U1 abaisse la tension à la valeur de tension d'alimentation requise par le microprocesseur U2. Celui-ci gère l'ensemble des fonctions de détection du nombre et du type de piles insérées dans le chargeur, de commande du transistor Q2 responsable de la forme d'onde du courant de recharge, de commande des fonctions de protection, et de supervision de la tension aux bornes des piles et de la durée 4 65 85 d'application du courant de recharge, déterminant ainsi la fin de la recharge. Un transistor de blocage connecté en série avec le transistor de commutation, permet de protéger le circuit en arrêtant le courant de charge lors d'un fonctionnement anormal du circuit. Une inductance L1 de faible valeur, de l'ordre du microhenry, a pour fonction, en 90 combinaison avec le condensateur CF1, d'atténuer l'émission de perturbations électromagnétiques ; elle n'a pas pour fonction de lisser le courant de recharge. Les groupes de diodes D-1 et D-2, de 6 diodes en série chacun, permettent d'assurer la continuité du circuit, constituant un chemin alternatif, lorsque toutes les piles de 1,5 V (4 piles au maximum dans le cas de la fig. 1) ne sont pas installées, ce qui permet de 95 recharger si on le désire, deux piles seulement, par exemple pl et p2, ou bien p3 et p4, sans nécessité d'aucun commutateur ni d'intervention manuelle. Le circuit pouvant recevoir et recharger automatiquement un nombre variable d'éléments permet d'établir une connexion série des éléments, en associant deux ou plusieurs groupes d'éléments en connexion série, chaque groupe étant lui-même constitué de deux 100 ou plusieurs éléments en connexion série, et caractérisé en outre en ce que des réseaux de diodes silicium connectées en série, en particulier six diodes par groupe de deux éléments, sont connectés en parallèle sur chaque groupe. Le circuit est en outre prévu pour pouvoir recharger une pile P5 de 9 V, au lieu de piles de 1,5 V ; dans ce cas, la pile de 9 V occupe partiellement la place des piles de 1,5 V, ce qui 105 assure l'exclusion désirée, n'envisageant pas de recharger ces deux types de piles simultanément. Des diodes anti-retour D17 et D22 évitent toute interaction entre chaque type de pile installée et les composants situés dans d'autres parties du circuit, évitant aussi la décharge d'une pile de 9 V laissée dans le chargeur alors que le module d'alimentation secteur aurait été débranché. Un micro-fusible F1, de préférence du type 110 dit réutilisable, protège le circuit contre une inversion de polarité de la pile de 9 V par installation erronée (inversion impossible pour les piles de 1,5 V de par leur forme), et protège également le circuit contre l'emploi d'un module d'alimentation de tension excessive. Ces mesures de protection sont requises par les normes de sécurité en vigueur pour l'homologation d'appareils électriques. 115 Le circuit comporte un circuit en dérivation sur l'ensemble des éléments connectés en série, ce circuit permettant de recharger une batterie constituée par l'intégration de plusieurs éléments en série, en particulier une pile de 9 V. Un transistor Q4 est placé en série avec l'ensemble des groupes d'éléments connectés en série, ce transistor permet d'ajuster le courant dans ces éléments ou de mettre hors circuit 120 les diodes en parallèle avec ces groupes lorsque ceux-ci ne sont pas installés, alors que la batterie est installée dans le circuit en dérivation, de manière à optimiser le courant de recharge dans chaque branche active du circuit. Le transistor Q4 reste à l'état bloqué lorsqu'une pile de 9 V est installée, permettant ainsi d'éliminer l'influence des groupes de diodes D-1 et D-2; Q4 est conducteur lorsque l'on 125 désire recharger des piles de 1,5 V. Cette commutation de Q4, assurée automatiquement par le microprocesseur lors de sa routine de détection du type de piles installées, permet d'obtenir un courant optimum dans chaque cas. Des diviseurs de tension pourvus de filtres dv1 et dv2, ainsi qu'un filtre f.3 conditionnent de manière appropriée les tensions respectives mesurées aux bornes des piles pour rendre 130 ces tensions compatibles avec les entrées du microprocesseur. Le transistor Q1 assure une fonction de protection supplémentaire en interrompant le courant lors d'un défaut du circuit, en adéquation avec les normes européennes concernant les circuits électroniques. Le microprocesseur balaye en permanence les trois emplacements prévus pour installer des piles à recharger, et détecte lequel d'entre eux comporte effectivement des piles. 135 Lorsque des piles (2 ou 4 piles) de 1,5 V sont détectées, la charge débute pour une durée de 3 heures, et la tension aux bornes des piles est mesurée en permanence. Si la tension dépasse 1,55 V fois le nombre de piles, le microprocesseur considère que les piles sont alcalines, et stoppera la charge soit lorsque la tension n'augmente plus sur un intervalle de 10 minutes (insister en continuant la recharge dans ce cas présenterait le risque 140 mentionné d'échauffement, d'écoulement ou d'explosion), soit lorsque la durée de 3 heures est atteinte. Si la tension ne dépasse pas 1,55 V fois le nombre de piles en 3 heures de temps, le microprocesseur considère que les piles sont en fait des accumulateurs rechargeables du type Nickel-Cadmium (NiCad) ou Nickel-Metal-hydride (NiMH), et stoppera la charge 145 soit lors de la détection d'une diminution de la tension (caractéristique d'un accumulateur chargé), soit lorsqu'une durée totale de 12 heures sera atteinte. Dans le cas de piles de 9 V, il n'est pas aisé de discriminer s'il s'agit de piles ou d'accumulateurs rechargeables, ces derniers existant en 6 ou 7 cellules de 1,2 V connectées en série. Cependant, comme les accumulateurs ont en général une capacité de 150 l'ordre de 200 mAh et se rechargent convenablement en 1h 30 min avec le circuit de l'invention, et comme les piles alcalines de 9 V se rechargent aussi sur cette durée, l'on peut adopter comme critère pour stopper la charge, soit la stabilisation de la tension sur un intervalle de 10 min, soit la durée de la recharge de 1 h 30 min effectivement accomplie. Il est à noter que les paramètres adoptés pour le circuit constituent des valeurs 155 de compromis permettant de recharger aussi bien des piles de format AA ou AAA (le chargeur étant préparé mécaniquement pour recevoir les 2 formats), et qu'en outre les critères adoptés pour stopper la charge se sont montrés satisfaisants et sûrs pour toutes les marques de piles testées. 160 La deuxième version, illustrée par la fig. 2, ne diffère que par la présence de l'oscillateur autonome ou astable réalisé à l'aide du transistor Tl, de l'autotransformateur L1, du condensateur C2, de la résistance R5 et de la diode de libération, cet auto-oscillateur venant substituer le transistor Q2 du schéma préférentiel de la première version. Dans cette deuxième version, l'auto-oscillateur présente une gamme de valeurs admissibles 165 relativement réduite pour le rapport cyclique, ce qui exige une tension d'alimentation plus élevée que celle de la première version, typiquement 24 V. Le fonctionnement détaillé de l'auto-oscillateur a été décrit dans le brevet FR2789818. REVENDICATIONS 1. Chargeur rapide universel pour recharger aussi bien des éléments électrolytiques primaires que secondaires, particulièrement des piles alcalines réputées non rechargeables, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit pouvant recevoir et recharger automatiquement un nombre variable d'éléments sans commutation manuelle, comportant en outre un transistor de commutation permettant de hacher le courant de recharge de manière à lui conférer un caractère pulsé, comportant en outre un microprocesseur ayant pour fonction la détection automatique du nombre d'éléments à recharger ainsi que leur nature, la supervision de la recharge au moyen d'une routine permettant de mesurer continuellement la tension aux bornes des éléments, ainsi que le temps écoulé depuis le début de la recharge, le microprocesseur ayant en outre pour fonction de prendre la décision de stopper la recharge lorsqu'un critère de la routine de supervision est vérifié. 170 2. Chargeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit pouvant recevoir et recharger automatiquement un nombre variable d'éléments permet d'établir une connexion série des éléments, en associant deux ou plusieurs groupes d'éléments en connexion série, chaque groupe étant lui-même constitué de deux ou plusieurs 175 éléments en connexion série, et caractérisé en outre en ce que des réseaux de diodes silicium connectées en série, en particulier six diodes par groupe de deux éléments, sont connectés en parallèle sur chaque groupe. 9 3. Chargeur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le transistor de commutation est commandé par le microprocesseur. 180 4. Chargeur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le transistor de commutation est commandé de manière indépendante par un circuit constituant un oscillateur autonome ou astable incluant ledit transistor, et caractérisé en outre par le fait que l'oscillateur modifie automatiquement son rapport cyclique en fonction de la tension 185 aux bornes des éléments électrolytiques à recharger, de manière à maintenir le courant de charge approximativement constant. 5. Chargeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le critère de la routine de supervision utilisé pour stopper la recharge est basé sur l'observation de la 190 variation de tension aux bornes des éléments sur un intervalle de temps déterminé. 6. Chargeur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le critère de la routine de supervision utilisé pour stopper la recharge est basé sur la durée totale de circulation du courant de recharge. 7. Chargeur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le critère de la routine de supervision utilisé pour stopper la recharge est basé sur une combinaison logique des critères des revendications 5 et 6. 195 8. Chargeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte 200 un transistor de blocage connecté en série avec le transistor de commutation, ce transistor de blocage permettant de protéger le circuit en arrêtant le courant de charge lors d'un fonctionnement anormal du circuit. 9. Chargeur selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte un 205 circuit en dérivation sur l'ensemble des éléments connectés en série, circuit permettant de recharger une batterie constituée par l'intégration de plusieurs éléments en série, en particulier une pile de 9 volts de tension nominale, et caractérisé en outre par le fait qu'un transistor est placé en série avec l'ensemble des groupes d'éléments connectés en série, ce transistor permettant d'ajuster le courant dans ces éléments ou de mettre hors circuit les 210 diodes en parallèle avec ces groupes lorsque ceux-ci ne sont pas installés, alors que la batterie est installée dans le circuit en dérivation, de manière à optimiser le courant de recharge dans chaque branche active du circuit. 10. Procédé de mise en oeuvre d'un chargeur universel pour recharger des éléments 215 électrolytiques primaires et secondaires selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par l'emploi d'une routine programmée et mémorisée dans le microprocesseur, comportant les étapes suivantes :220 - Le microprocesseur balaye en permanence les trois emplacements prévus pour installer des cellules à recharger, et détecte lequel d'entre eux comporte effectivement des cellules installées ; -Lorsque des piles, en particulier 1 ou 2 groupes de 2 piles de 1,5 V sont détectées, la charge débute pour une durée de 3 heures, et la tension aux bornes des piles est 225 mesurée en permanence ; si la tension dépasse 1,55 V fois le nombre de piles, le microprocesseur considère que les piles sont alcalines, et stoppera la charge soit lorsque la tension n'augmente plus sur un intervalle de 10 minutes, soit lorsque la durée de 3 heures est atteinte ; - Si la tension ne dépasse pas 1,55 V fois le nombre de piles en 3 heures de temps, le 230 microprocesseur considère que les cellules sont en fait des accumulateurs rechargeables du type NiCad ou NiMH, et stoppera la charge soit lors de la détection d'une diminution de la tension, fait caractéristique d'un accumulateur chargé, soit lorsqu'une durée totale de 12 heures sera atteinte ; - Dans le cas de batterie de 9 V, considérant qu'il n'est pas aisé de discriminer s'il 235 s'agit de piles ou d'accumulateurs rechargeables, ces derniers existant en 6 ou 7 éléments de 1,2 V connectés en série, le mode opératoire consiste à appliquer le courant de charge et à adopter comme critère pour stopper la recharge, le phénomène apparaissant en premier lieu parmi les deux suivants, soit la stabilisation de la tension sur un intervalle de 10 min, soit la durée de la recharge de 1 h 30 min effectivement 240 accomplie, cette durée ayant été déterminée expérimentalement comme suffisante aussi bien pour une pile que pour un accumulateur rechargeable de 9 V.