Brevet FR2915640A1 — publié le 20081031

L'invention concerne un convertisseur d'énergie pour alimenter une charge électrique à partir d'une source d'énergie dont la puissance disponible est susceptible de fluctuations importantes, lentes ou rapides. L'invention concerne également un procédé de commande d'un tel convertisseur d'énergie. L'invention peut être utilisée avec tout type de sources d'énergie non stabilisées, comme par exemple une source composée de cellules photovoltaïques. Le convertisseur d'énergie selon l'invention peut être utilisé dans un chargeur d'accumulateur (communément appelé chargeur de batterie), dont la charge électrique est un accumulateur rechargeable, associé ou non à un consommateur électrique final susceptible de consommer l'énergie fournie par la source d'énergie et / ou l'accumulateur. Du document FR 2 868 218 notamment, est connue une technique de transfert d'énergie entre une source non stabilisée et une charge électrique par des impulsions de courant à partir d'un condensateur commuté. Cette technique met en jeu de forts courants, qui doivent être tolérés par la charge électrique et qui sont susceptibles d'entraîner des perturbations électromagnétiques. Sont également connus des convertisseurs DC/DC susceptibles de convertir l'énergie d'une source de courant en une énergie à tension constante égale à une valeur prédéfinie. Mais ces convertisseurs ne sont en général pas adaptés à des fluctuations très importantes de l'énergie fournie par la source de courant. L'invention propose un convertisseur d'énergie, et un procédé de commande associé, ne présentant pas les inconvénients des techniques antérieures. Ainsi, l'invention propose un convertisseur d'énergie pour alimenter une charge électrique à partir d'une source d'énergie susceptible de fluctuations importantes, ledit convertisseur d'énergie comprenant : - un circuit de hachage comprenant une borne d'entrée susceptible d'être reliée à la source d'énergie, - un circuit de stockage d'énergie connecté entre une borne de sortie du circuit de hachage et une masse, - un adaptateur de tension connecté entre la borne de sortie du. circuit de hachage et une borne de sortie du convertisseur d'énergie susceptible d'être connectée à la charge électrique, ledit adaptateur de tension fournissant une tension d'alimentation à la charge électrique, et - un circuit de commande adapté pour relier ou non l'entrée du circuit de hachage à la sortie du circuit de hachage selon un rapport cyclique fonction des variations d'un paramètre image représentatif d'une énergie stockée dans le circuit de stockage, lesdites variations étant représentatives de l'énergie disponible dans la source et de sa courbe de charge courant/tension instantanée. Selon une particularité, le circuit de commande est également adapté pour réguler la consommation énergétique de la charge électrique en fonction du paramètre image, notamment pour réguler la tension d'alimentation, et éventuellement la stopper, et /ou pour réguler une impédance de la charge électrique. Selon une autre particularité, le paramètre image est une tension présente aux bornes du circuit de stockage, ou la tension présente aux bornes du circuit de stockage élevée au carré. La présente invention a également pour objet un procédé de commande du circuit de hachage d'un convertisseur tel que défini précédemment comprenant une étape consistant à faire varier le rapport cyclique de la commande de hachage pour réguler la variation du paramètre image de manière à optimiser l'acquisition de l'énergie fournie par la source non stabilisée. Selon une particularité, le rapport cyclique est varié tant que le paramètre image est supérieur à une première valeur, et le procédé comprend également une étape consistant - à diminuer la tension d'alimentation, lorsque le paramètre image est inférieur à la première valeur, et/ou - à diminuer l'impédance de la charge finale, lorsque le paramètre image est inférieur à une deuxième valeur inférieure à la première valeur, et/ou à arrêter l'adaptateur de tension, lorsque le paramètre image est inférieur à une troisième valeur inférieure à la première valeur, de préférence inférieure ou égale à la deuxième valeur précitée, mieux encore inférieure à ladite deuxième valeur, et ainsi, dans le cas d'une charge électrique comprenant un accumulateur rechargeable et un consommateur électrique, laisser l'accumulateur alimenter le consommateur électrique. La présente invention également pour objet un chargeur d'accumulateur comprenant un convertisseur d'alimentation tel que défini précédemment, dont la sortie est susceptible d'être connectée à une charge électrique comprenant un accumulateur rechargeable, et éventuellement un consommateur électrique dont une impédance est susceptible d'être régulée par le circuit de commande. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, d'un exemple de mise en oeuvre d'un convertisseur d'énergie selon l'invention et d'un procédé de commande associé. La description est à lire en relation au dessin annexé dans lequel la figure unique est un schéma fonctionnel d'un convertisseur d'énergie selon l'invention. Le convertisseur d'énergie CE selon l'invention va être décrit ci-dessous dans le cadre particulier où il est utilisé dans un chargeur solaire d'accumulateur, adapté pour alimenter une charge électrique comprenant un accumulateur B connecté en parallèle avec un consommateur électrique CH final d'impédance variable, à partir d'une source d'énergie S tel qu'un ensemble de cellules photovoltaïques, dont la tension, le courant et la puissance suivent les variations de l'énergie lumineuse ambiante, fortement variable dans le temps. D'un point de vue électrique, l'entrée du convertisseur d'énergie CE est connectée à la source d'énergie S variable. L'accumulateur B et le consommateur électrique CH sont connectés en parallèle entre la sortie 02 du convertisseur d'énergie CE et la masse et forment ensemble la charge électrique du convertisseur d'énergie CE. Le consommateur électrique CH est par exemple un système de détection de présence, un système d'éclairage, un système de téléphonie, ou même plusieurs systèmes ayant éventuellement des fonctionnalités différentes et connectés en parallèle. Dans l'exemple représenté, on suppose que l'impédance du consommateur électrique peut être variée en connectant ou déconnectant un ou plusieurs des systèmes qui le constituent. Comme dit précédemment, un convertisseur d'énergie 10 CE selon l'invention comprend : • un circuit de hachage CC comprenant une borne d'entrée Il susceptible d'être reliée à la source d'énergie S, • un circuit de stockage d'énergie C connecté 15 entre une borne de sortie 01 du circuit de hachage CC et une masse, • un adaptateur de tension CT, appelé également convertisseur de tension, connecté entre la borne de sortie 01 du circuit de hachage CC et une borne de 20 sortie 02 du convertisseur d'énergie susceptible d'être connectée à la charge électrique, le dit convertisseur de tension CT fournissant une tension d'alimentation VA à la charge électrique, et • un circuit de commande CTL adapté pour relier ou 25 non l'entrée Il du circuit de hachage CC à la sortie 01 du circuit de hachage CC selon un rapport cyclique a fonction d'un paramètre image représentatif d'une énergie stockée dans le condensateur C. Dans un exemple, le circuit de hachage CC peut 30 comprendre simplement un interrupteur comprenant : • une entrée connectée à l'entrée Il du circuit de hachage, une première sortie connectée à la sortie 01 du circuit de hachage et une deuxième sortie connectée à la masse, • une entrée de commande, connectée au circuit de commande pour recevoir un signal de commande CTLK. Lorsque le signal CTLK est actif, le commutateur relie son entrée à sa deuxième sortie, et lorsque le signal CTLK est inactif, le commutateur relie son entrée 10 à sa première sortie. Dans l'exemple représenté sur le dessin, le circuit de hachage CC comprend : • une bobine d'inductance L dont une première borne est connectée à l'entrée Il du circuit de hachage 15 CC, • une diode D dont une première borne est connectée à une deuxième borne de la bobine L et dont une deuxième borne est connectée à la sortie 01 du circuit de hachage CC, 20 • un interrupteur K commandé, comprenant une entrée connectée au point commun de la bobine L et de la diode D, une sortie connectée à la masse et une entrée de commande sur laquelle est appliqué un signal de commande CTLK produit par le circuit de commande 25 CTL. La diode est dite de roue-libre, c'est par exemple une diode Schottky avec un seuil de tension directe très bas et un temps de commutation très court, ce qui permet d'avoir un bon rendement global du convertisseur. Lorsque le signal CTLK est actif, l'interrupteur K est fermé, de sorte que le point commun de la bobine et de la diode est relié à la masse : l'énergie ES fournie par la source d'énergie S s'accumule dans la bobine L. Inversement, lorsque le signal CTLK est inactif, l'interrupteur K est ouvert, de sorte que le point commun de la bobine L et de la diode D est flottant : l'énergie fournie par la source d'énergie S et l'énergie accumulée dans la bobine sont transférées vers la sortie 01 du circuit de hachage. Le signal CTLK est périodique. La période du signal CTLK (= temps entre deux ouvertures ou deux fermeture de l'interrupteur K) est de l'ordre de 0.02 à 0.04 millisecondes, soit une fréquence de hachage de 25 à 50 KHz. Dans l'exemple décrit, le rapport cyclique a du signal CTLK est, au cours d'une période du signal CTLK, le temps TF pendant lequel l'interrupteur est fermé (ce qui correspond dans l'exemple à un signal CTLK actif) divisé par la période T du signal CTLK. La période T est égale à TF + T0, TO étant le temps pendant lequel l'interrupteur K est ouvert (ce qui correspond dans l'exemple à un signal CTLK inactif). a varie ainsi entre 0 (si le circuit de hachage est maintenu ouvert) et 1 (si le circuit de hachage est maintenu fermé). Le convertisseur de tension CT est réalisé selon un schéma connu, par exemple un montage abaisseur / élévateur de tension. A partir de la tension VC appliquée sur son entrée, susceptible de fluctuations, il produit une tension régulée VA sur sa sortie 02. Le circuit de stockage d'énergie est dans l'exemple représenté un condensateur C, par exemple un condensateur de type électrochimique, ayant une capacité de l'ordre de 1000 à 4700 microFarads. Le bilan énergétique du convertisseur d'énergie selon l'invention est le suivant : a.ES = EC + EO, avec • a le rapport cyclique du signal CTLK de commande du circuit de hachage, • ES, l'énergie fournie par la source S, • EC, l'énergie accumulée dans le condensateur C, soit EC = C.VC.VC/2, VC étant la tension aux bornes du condensateur. • EO, l'énergie consommée par la charge en aval du convertisseur d'énergie, dans l'exemple représenté, l'accumulateur B et la charge finale CH. Le circuit de stockage d'énergie a un effet tampon entre la source de courant S et la charge électrique en aval du convertisseur d'énergie. Lorsque l'énergie fournie par la source de courant S est supérieure à l'énergie EO consommée par la charge, le circuit de stockage permet d'emmagasiner l'énergie de la source de courant non consommée par la charge et, lorsque l'énergie fournie par la source de courant S n'est pas suffisante pour fournir l'énergie demandée par la charge électrique, le circuit de stockage fournit de l'énergie à la charge en complément de l'énergie fournie par la source S. L'énergie accumulée dans le circuit de stockage est égale à EC = C.VC.VC/2. La tension VC aux bornes du circuit de stockage ou le produit VC.VC sont donc des paramètres représentatifs de l'énergie EC disponible dans le circuit de stockage. Si le rapport cyclique a est constant, une variation de l'énergie EC (et donc de VC ou de VC.VC) est représentative soit d'une variation de l'énergie ES fournie par la source (ex : variation de la puissance lumineuse si la source est de type photovoltaïque) soit d'une variation de l'énergie EO consommée par la charge électrique en aval du convertisseur d'énergie. Selon l'invention, le circuit de commande CTL est adapté pour relier ou non l'entrée Il du circuit de hachage CC à la sortie 01 du circuit de hachage CC selon un rapport cyclique fonction d'un paramètre image représentatif d'une énergie stockée dans le circuit de stockage C. En d'autres termes, le circuit de commande, via le signal de commande CTLK, commande l'ouverture et la fermeture du circuit de hachage et varie le rapport cyclique a du signal CTLK en fonction des variations du paramètre image, VC ou VC.VC, représentatif des variations de l'énergie stockée dans le circuit de stockage d'énergie C. La tension VC aux bornes du circuit C est mesurée périodiquement par exemple par un voltmètre numérique et sa valeur est fournie au circuit de commande CTL comme paramètre d'entrée. Le produit VC.VC est par exemple calculé circuit produit rapport d'un moyen d.e calcul dans le circuit de commande et de la précision souhaitée pour la commande du rapport cyclique. A la mise sous tension du convertisseur d'énergie, le circuit d:e commande CTL produit le signal CTLK avec un rapport cyclique a = 0, 5. Le rapport cyclique a est alors réglé pour obtenir les variations positives entre deux par un moyen de calcul (non représenté) du de commande. Le choix de la variable VC ou du VC.VC comme paramètre image pour commander le cyclique dépend notamment de la présence ou non 10 mesures périodiques du paramètre image les plus importantes. En parallèle, toute l'énergie ES disponible dans la source de courant S est transmise à la charge et au circuit de stockage C. Lorsque ES est supérieure à E0, la tension VC augmente au fur et à mesure que le circuit de stockage emmagasine de l'énergie jusqu'à une valeur d'équilibre correspondent à un régime permanent où ES = E0. Si ES est supérieure à E0, une valeur maximale VCMAX sert de butée pour la valeur d'équilibre du paramètre image. Lorsque l'énergie stockée dans le circuit C atteint la capacité limite de stockage du circuit C, la tension VC est à une valeur VCMAX de régime permanent et le circuit CTL ajuste la valeur du rapport cyclique a de sorte à maintenir VC à VCMAX. A charge constante et énergie fournie par la source constante, si a diminue, VC diminue et inversement. Un équilibre est ainsi établi, entre l'énergie fournie par la source S et l'énergie consommée, tout en maintenant le circuit de stockage à sa charge maximale. Dans une variante, le circuit de commande est également adapté pour réguler, en plus du rapport cyclique a, la consommation énergétique de la charge en fonction du paramètre image, dans l'exemple VC ou VC.VC. Si la charge augmente fortement sa consommation énergétique, ou si l'énergie fournie par la source diminue fortement, alors la tension VC chute et le circuit de commande CTL règle la valeur de a pour obtenir les variations négatives du paramètre image les plus faibles possible entre deux mesures périodiques et ce jusqu'à une nouvelle valeur d'équilibre. Si, malgré une valeur de a optimale (qui correspond à une utilisation de toute l'énergie ES disponible à l'instant considéré dans la source S), la tension VC continue de chuter, cela signifie que l'énergie consommée par la charge électrique est supérieure à l'énergie fournie par la source S et que le circuit de stockage se vide pour fournir à la charge une énergie complémentaire. Lorsque VC passe en dessous une première valeur minimale VCMIN1, inférieur à VCMAX, on considère qu'il est nécessaire de délester le convertisseur d'énergie, en diminuant la consommation énergétique EO de la charge électrique. Selon la charge électrique, et le mode de réalisation du circuit de commande, le circuit de commande peut, pour varier la consommation énergétique de la charge électrique en fonction de la valeur du paramètre image . • réguler la tension d'alimentation VA appliquée à la charge électrique, et /ou • réguler une impédance de la charge électrique, 20 et/ou • stopper la tension d'alimentation VA appliquée à la charge électrique, en arrêtant l'adaptateur de tension CT. Pour réguler la tension d'alimentation VA, le 25 circuit de commande peut par exemple produire un signal de commande CTLVA qui est appliqué sur une entrée de commande de l'adaptateur de tension CT. L'adaptateur de tension produit alors, à partir de l'énergie qu'il reçoit du circuit de hachage, une tension d'alimentation VA 30 proportionnelle au niveau du signal CTLVA. 12 Pour réguler l'impédance de la charge électrique, le circuit de commande peut par exemple produire un signal de commande CTLL qui est appliqué sur une entrée de commande de la charge électrique. La forme et la ou les valeurs du signal CTLL sont choisies en fonction de la charge électrique et de la manière dont son impédance peut être variée. Dans un exemple, la charge électrique comprend un consommateur électrique dont l'impédance peut être variée continument, par exemple une lampe dont le niveau d'éclairage est continument ajustable. Dans ce cas, le signal CTLL aura de préférence un niveau continument variable et l'impédance du consommateur électrique sera ajustée en fonction du niveau du signal CTLL (potentiomètre). Dans un autre exemple, la charge électrique comprend un consommateur électrique dont l'impédance peut être variée par palier, par exemple plusieurs dispositifs électriques (dispositifs de régulation, lampes, etc.) connectés en parallèle et qu'il est possible de connecter ou déconnecter un à un. Dans ce cas, le signal CTLL pourra par exemple prendre plusieurs niveaux, chaque niveau indiquant le nombre de dispositifs devant être connectés ou déconnectés. L'invention concerne également un procédé de commande d'un convertisseur d'énergie tel que décrit ci- dessus. Naturellement, le procédé doit être adapté à la réalisation choisie du convertisseur d'énergie. En pratique, le procédé est mis en oeuvre par le circuit de commande CTL. Le procédé selon l'invention comprend une étape consistant à : • varier le rapport cyclique a pour réguler le paramètre image autour d'une valeur de régime permanent (VCMAX) synonyme de la meilleure adaptation en terme d'impédance du convertisseur à la courbe de charge 5 courant / tension de la source S. En d'autres termes, le rapport cyclique est ajusté pour que, en régime permanent, la charge électrique reçoive l'énergie EO dont elle a besoin et le circuit de stockage reste chargé. 10 Le rapport cyclique est varié tant que le paramètre image est supérieur à une première valeur VCMIN. Dans une variante, le procédé peut également comprendre une étape consistant à : • lorsque le paramètre image VC est inférieur à la 15 première valeur VCMIN1, diminuer la tension d'alimentation VA fournie à la charge. Si le paramètre image descend en dessous de la première valeur VCMIN1, cela signifie que l'énergie EO consommée par la charge est supérieure à l'énergie ES 20 fournie par la source. Diminuer la tension d'alimentation permet alors de diminuer l'énergie consommée par la charge. Cette variante est par exemple intéressante si la charge comprend un accumulateur rechargeable : lors de la charge de l'accumulateur, le courant consommé par 25 l'accumulateur est fonction de la tension qui l'alimente. Dans une autre variante, lorsqu'il est utilisé pour un convertisseur alimentant une charge électrique comprenant un consommateur électrique d'impédance variable, le procédé peut comprendre en complément une 30 étape consistant à : • lorsque le paramètre image est inférieur à une deuxième valeur inférieure VCMIN2 à la première valeur VCMIN1, diminuer l'impédance du consommateur énergétique. Si le paramètre image VC descend en dessous de la deuxième valeur VCMIN2, cela signifie que, malgré la baisse de la tension d'alimentation, l'énergie consommée par la charge reste supérieure à l'énergie fournie par la source. Dans ce cas, diminuer l'impédance du consommateur électrique permet de diminuer l'énergie qu'il consomme. Si cela ne suffit pas parce que l'énergie ES fournie par la source est trop faible, et en particulier si le paramètre image VC descend en dessous d'une troisième valeur VCMIN3 inférieure à la deuxième valeur VCMIN2, le circuit de commande CTL décide d'arrêter l'adaptateur de tension CT à l'aide du signal CTLVA pour laisser le circuit de hachage CC recharger le condensateur C suivant un rapport cyclique a assurant les variations positives du paramètre image les plus importantes entre deux mesures périodiques. Une fois que ce paramètre image a atteint sa valeur maximale, l'adaptateur CT est remis en fonctionnement. Durant ce mode, c'est l'accumulateur qui alimente la charge. REVENDICATIONS 1. Convertisseur d'énergie pour alimenter une charge électrique (B, CH) à partir d'une source d'énergie (S) susceptible de fluctuations importantes, le dit convertisseur d'énergie comprenant : • un circuit de hachage (CC) comprenant une borne d'entrée (Il) susceptible d'être reliée à la source d'énergie (S), • un circuit de stockage d'énergie (C) connecté entre une borne de sortie (01) du circuit de hachage 10 (CC) et une masse, • un adaptateur de tension (CT) connecté entre la borne de sortie (01) du circuit de hachage (CC) et une borne de sortie (02) du convertisseur d'énergie susceptible d'être connectée à la charge électrique, le 15 dit adaptateur de tension (CT) fournissant une tension d'alimentation (VS) à la charge électrique, et • un circuit de commande (CTL) adapté pour relier ou non l'entrée (Il) du circuit de hachage (CC) à la sortie (01) du circuit de hachage (CC) selon un rapport 20 cyclique fonction des variations d'un paramètre image (VC, VC.VC) représentatif d'une énergie stockée dans le circuit de stockage (C), lesdites variations étant représentatives de l'énergie disponible dans la source (S) et de sa courbe de charge courant/tension 25 instantanée). 2. Convertisseur selon la revendication 1, dans lequel le circuit de commande est également adapté pour réguler la consommation énergétique de la charge électrique en fonction du paramètre image. 3. Convertisseur selon la revendication 2, dans lequel le circuit de commande est adapté pour réguler : • la tension d'alimentation, et /ou • une impédance de la charge électrique. 4. Convertisseur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le paramètre image est : • une tension (VC) présente aux bornes du circuit de stockage (C), • la tension présente aux bornes du circuit de 10 stockage (C) élevée au carré. 5. Procédé de commande de circuit de hachage d'un convertisseur selon l'une des revendications précédentes, comprenant une étape consistant à : • varier le rapport cyclique (a) pour réguler la 15 variation du paramètre image, de manière à optimiser l'acquisition de l'énergie fournie par la source non stabilisée. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le rapport cyclique est varié tant que le paramètre image 20 est supérieur à une première valeur (VCMIN), et comprenant également une étape consistant à : • lorsque le paramètre image (VC) est inférieur à la première valeur (VCMIN1), diminuer la tension d'alimentation (VA). 25 7. Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6 prises en combinaison avec la revendication 3 ou la revendication 4, comprenant également une étape consistant à . • lorsque le paramètre image (VC) est inférieur à 30 une deuxième valeur (VCMIN2) inférieure à la premièrevaleur (VCMIN1), diminuer l'impédance de la charge finale. 8. Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, prises en combinaison avec la revendication 3 ou la revendication 4, comprenant également une étape consistant à : • lorsque le paramètre image (VC) est inférieur à une troisième valeur (VCMIN3) inférieure à la première valeur (VCMIN1), arrêter l'adaptateur de tension (CT). 9. Chargeur d'accumulateur comprenant un convertisseur d'alimentation selon l'une des revendications 1 à 4, dont la sortie est susceptible d'être connectée à une charge électrique comprenant un accumulateur rechargeable. 10. Chargeur selon la revendication 9 prise en combinaison avec l'une des revendications 3 à 4, dont la sortie est susceptible d'être connectée à une charge électrique comprenant un accumulateur rechargeable et un consommateur électrique dont une impédance est susceptible d'être régulée par le circuit de commande.