Brevet FR2961323A1 — publié le 20111216

DISPOSITIF ET PROCEDE D'ALIMENTATION POUR SYSTEME DE COMMUNICATION SANS FIL ET ENSEMBLE CAPTEUR COMPORTANT UN TEL DISPOSITIF DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un dispositif d'alimentation pour système de communication sans fil 10 comportant une entrée pour être connectée à un générateur d'énergie électrique, - des moyens de stockage d'énergie électrique pour stocker l'énergie électrique reçue, et - des moyens de gestion de l'énergie électrique. 15 L'invention concerne aussi un ensemble capteur comportant : - un capteur d'une grandeur physique à mesurer, un circuit de traitement connecté audit capteur pour traiter des données de mesure de la grandeur physique à mesurer, un émetteur radio fréquence pour la communication sans fil, et 20 - un dispositif d'alimentation pour système de communication sans fil. L'invention concerne aussi un procédé d'alimentation pour système de communication sans fil. 25 ETAT DE LA TECHNIQUE Les dispositifs d'alimentation pour système de communication sans fils connus comportent généralement des moyens de stockage d'énergie électrique. De manière connue, les moyens de stockage d'énergie électrique sont des piles électriques, des batteries rechargeables ou 30 des condensateurs de très forte capacité. Dans les dispositifs autonomes, l'énergie électrique est souvent fournie par des cellules ou de petits panneaux photovoltaïques.5 La figure 1 montre un schéma bloc d'un tel dispositif 1. Dans ce dispositif d'alimentation 1, un générateur 2 d'alimentation électrique alimente des moyens de stockage 3 à travers un régulateur 4 de tension et/ou de courant. L'énergie électrique stockée est alors fournie a un module capteur 5 pour faire fonctionner un circuit de traitement 6, un capteur de grandeur physique 7, et un émetteur radio fréquence 8. Le générateur d'énergie électrique est constitué de préférence par des cellules photovoltaïques. La demande de brevet W02009021828 décrit un dispositif d'alimentation autonome de ce type. La demande de brevet EP 1742373 divulgue aussi dispositif de ce type mais à double 10 élément de stockage pour disposer rapidement d'une énergie accumulée. Dans les dispositifs d'alimentation connus, les moyens de stockages sont généralement des condensateurs de fortes valeurs par exemple électrochimiques ou du type super-condensateurs. Dans d'autres dispositifs, des batteries rechargeables de grande capacité ou 15 sont aussi utilisées. Ces composants condensateurs de fortes valeurs ou des batteries rechargeables ont des caractéristiques de charges et de décharge en courant et en tension qui permettent un bon fonctionnement des circuits électroniques du circuit de communication et du capteur 20 associé. Cependant, ces composants ont un défaut majeur qui est d'avoir un courant de fuite élevé et par conséquent un temps de décharge relativement court. Notamment, lorsque le générateur d'énergie électrique est un générateur photovoltaïque, il est indispensable de recharger tout les jours les moyens de stockage. Ainsi, de tels composants n'autorisent pas une disponibilité immédiate du capteur après une longue absence sans éclairage, par 25 exemple de quelques semaines. EXPOSE DE. L'INVENTION L'invention a pour but un dispositif et un procédé d'alimentation pour système de 30 communication sans fil permettant une disponibilité du fonctionnement même après une longue période d'absence d'alimentation électrique, ainsi qu'un ensemble capteur comportant un tel dispositif d'alimentation. Un dispositif d'alimentation pour système de communication sans fil selon l'invention comportant - une entrée pour être connectée à un générateur d'énergie électrique, - des moyens de stockage d'énergie électrique pour stocker l'énergie électrique reçue, et - des moyens de gestion de l'énergie électrique, comporte - des premiers moyens de stockage constitués par une batterie rechargeable à faible courant de fuite, et - des moyens de gestion et de contrôle de la charge des premiers moyens de stockage pour limiter une profondeur de décharge de ladite batterie. De préférence, ladite profondeur de décharge est contrôlée pour être limitée à moins de 5%. Dans un mode de réalisation préférentiel, ladite batterie rechargeable à faible courant de fuite est du type bouton au lithium. Avantageusement, le dispositif comporte des seconds moyens de stockage à faible courant de fuite et à fort courant de décharge. De préférence, Lesdits seconds moyens de stockage à faible courant de fuite et à fort courant de décharge comporte au moins un condensateur de type céramique. De préférence, le dispositif comporte un premier limiteur de courant connecté entre ladite entrée et lesdits premiers moyens de stockage pour limiter ou interrompre la circulation 25 d'un courant de charge dans lesdits premiers moyens de stockage. Dans un mode de réalisation particulier, le dispositif comporte un second limiteur de courant connecté entre lesdits premiers moyens de stockage et lesdits seconds moyens de stockage pour limiter la circulation d'un courant de décharge desdits premiers moyens de 30 stockage. Avantageusement, le dispositif comporte des moyens d'interruption de la fourniture d'énergie électrique sur une sortie lorsqu'une tension électrique sur les moyens de stockage devient inférieure à une tension prédéterminée. Avantageusement, le dispositif comporte un générateur électrique de type photovoltaïque connecté à des entrées. Un ensemble capteur selon l'invention comportant : - un capteur d'une grandeur physique à mesurer, 10 - un circuit de traitement connecté audit capteur pour traiter des données de mesure de la grandeur physique à mesurer, et - un émetteur radio fréquence pour la communication sans fil, comporte un dispositif d'alimentation tel que décrit ci-dessus pour alimenter ledit capteur, ledit circuit de traitement et/ou ledit émetteur radio fréquence, le fonctionnement dudit 15 capteur, d'un traitement des données de mesure et/ou d'une émission radio fréquence étant déclenchée par intermittence tant qu'une tension électrique sur lesdits premiers ou seconds moyens de stockage est supérieure à une valeur prédéterminée. 20 Un procédé d'alimentation pour système de communication sans fil selon l'invention comporte : la limitation d'un courant de charge dans des premiers moyens de stockage, - la limitation d'un courant de décharge dans des premiers moyens de stockage, - le contrôle de la profondeur de décharge dans des premiers moyens de stockage, et 25 - le blocage de la fourniture d'énergie électrique lorsque la charge des moyens de stockage est inférieure à une valeur prédéterminée. Avantageusement, ladite profondeur de décharge est contrôlée pour être limitée à moins de 5%. De préférence, le procédé comporte la charge de seconds moyens de stockage par un courant de décharge limité desdits premiers moyens de stockage. 30 Dans un mode de réalisation particulier, le procédé comporte un traitement cyclique de circuits à alimenter comportant l'activation d'au moins un capteur de mesure, - le traitement de données fournies par ledit au moins un capteur, - l'émission de messages radio fréquence, et - la mise en veille profonde dudit au moins un capteur, dudit au moins émetteur et dudit traitement de données pendant une durée prédéterminée. 10 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre, de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et représentés aux dessins annexés sur lesquels 15 - la figure 1 représente un schéma block d'un dispositif de l'art antérieur ; - la figure 2 représente un schéma block d'un dispositif d'alimentation selon un mode de réalisation de l'invention - la figure 3 représente une courbe de durée de vie en fonction de la profondeur de décharge 20 d'une batterie de stockage utilisée dans un dispositif selon un second mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 représente une courbe de contrôle de charge et de décharge d'une batterie de stockage utilisée dans un dispositif selon un second mode de réalisation de l'invention - la figure 5 représente un schéma détaillé d'un dispositif d'alimentation et d'un ensemble 25 capteur selon un mode de réalisation de l'invention ; - les figures 6A à 6D illustrent un chronogramme de fonctionnement d'un dispositif d'alimentation et d'un ensemble capteur selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 7 représente un organigramme d'un premier procédé selon un mode de réalisation de l'invention ; et 30 - la figure 8 représente un organigramme d'un second procédé selon un mode de réalisation de l'invention pour un ensemble capteur. DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION PREFERES Dans un dispositif selon l'invention il est prévu d'utiliser des batteries rechargeables à faible courant de fuite. Ces batteries sont notamment de type bouton au lithium mais de technologies très différentes des batteries au lithium-ion utilisées dans des alimentations électriques de forte puissance. Les batteries rechargeables de type bouton au lithium sont généralement utilisées pour de très faibles courants destinés à la sauvegarde de mémoires ou pour l'alimentation d'horloges d'ordinateurs en période hors service. Ces batteries ont un très faible courant de fuite mais à cause de leur résistance interne très élevée elles ne sont pas prévues pour accepter un fort courant de charge ou de décharge. Typiquement les courants circulants dans ces batteries doivent être inférieurs à 1 mA. Avantageusement, dans un dispositif selon l'invention la batterie rechargeable à faible courant de fuite sera limitée en profondeur de décharge pour assurer une très longue longévité de fonctionnement, par exemple de plusieurs années. Le très faible courant de fuite de ce type de batterie est de l'ordre de 3% par an. Il est dons considérablement plus bas que celui des autres éléments de stockage d'énergie électrique de type batterie ou super-condensateur. Ainsi un dispositif d'alimentation 10 pour système de communication sans fil comporte une entrée 11 pour être connectée à un générateur 12 d'énergie électrique, des moyens de stockage d'énergie électrique pour stocker l'énergie électrique reçue, et des moyens de régulation de l'énergie électrique. La figure 2 représente un schéma block d'un dispositif d'alimentation selon un mode de réalisation de l'invention. Dans ce dispositif, des premiers moyens de stockage 13 sont constitués par une batterie 13A rechargeable ayant un faible courant de fuite. Pour limiter la charge de la batterie, un premier limiteur 14 est connecté entre la l'entrée 11 et la batterie. Le premier limiteur 14 limite le courant ou interrompt la circulation d'un courant de charge desdits premiers moyens de stockage. Il permet aussi de limiter la tension de charge de la batterie lorsque sa valeur atteint un seuil haut prédéterminé. Le dispositif de la figure 2 comporte aussi des seconds moyens 15 de stockage à faible courant de fuite et à fort courant de décharge. De préférence, lesdits seconds moyens de stockage à faible courant de fuite et à fort courant de décharge sont constitués par au moins un condensateur de type céramique 15A. Pour limiter la décharge de la batterie 13A, un second limiteur 16 est connecté entre la batterie et les seconds moyens 15 de stockage à faible courant de fuite. Le second limiteur 16 limite la circulation d'un courant de décharge desdits premiers moyens de stockage. Selon un mode réalisation de l'invention, le dispositif comporte un circuit 17 de traitement 5 pour la gestion et de contrôle de la charge des premiers moyens 13 de stockage pour limiter une profondeur de décharge de la ladite batterie à faible courant de fuite. Par exemple, ladite profondeur de décharge est contrôlée pour être limitée à 5%. La dite profondeur de décharge peut aussi être contrôlée par des moyens d'interruption 18 de la fourniture d'énergie électrique sur une sortie 19 lorsqu'une tension électrique sur les moyens de 10 stockage 13 et/ou 15 devient inférieure à une tension prédéterminée. Lesdits moyens d'interruption 18 sont connectés entre les moyens de stockage 15 et la sortie 19 d'alimentation d'un capteur 5. Dans un dispositif selon le schéma de la figure 2, le générateur photovoltaïque 12 connecté 15 aux entrées 11 alimente la batterie à faible courant de fuite du type bouton au lithium 13A à travers le premier limiteur 14. Ladite batterie 13A fournie le l'énergie électrique au condensateur 15A à travers le second limiteur 16 limitant le courant de décharge. Le condensateur 15A peut alors fournir une alimentation au circuit du capteur 5 avec un courant élevé pour permettre le fonctionnement pendant une durée prédéterminée du 20 capteur 7, d'un circuit de traitement 6 et de l'émetteur 8 radio fréquence. Si la tension n'est plus suffisante sur la batterie un interrupteur 18 permet d'arrêter l'alimentation des circuits du capteur pour préserver la longévité de ladite batterie. La profondeur de décharge de la batterie 13A durant une période de non-fonctionnement 25 du générateur 12 est limitée par ultra-faible consommation moyenne de l'ensemble capteur. En cas d'un générateur photovoltaïque 12 une nuit correspond à une période élémentaire de décharge. Ainsi, pendant une nuit la profondeur de décharge de la batterie 13A est limitée au maximum à quelques pourcents de sa capacité nominale, typiquement de l'ordre de 0.1 à 5 %. La figure 3 représente une courbe 20 de durée de vie en fonction de la profondeur de décharge d'une batterie de stockage utilisée dans un dispositif selon un second mode de 30 réalisation de l'invention. Cette courbe 20 montre le nombre de cycles de charge-décharge du type bouton au lithium en fonction de la profondeur de décharge de ladite batterie. Le choix de limiter la profondeur de décharge de la batterie 13A à quelques pourcents permet d'atteindre un nombre cycles de charge-décharge très élevé de l'ordre 8000. Ce choix est repéré par une zone 21 sur la courbe 20. La figure 4 représente une courbe 23 de charge et de décharge d'une batterie de stockage utilisée dans un dispositif selon un second mode de réalisation de l'invention. Par exemple, entre un instant tl et un instant t2, la batterie est chargée par le générateur photovoltaïque 10 12. Cette charge se produit pendant la journée ou lorsque le générateur photovoltaïque et éclairé. Pendant cette charge le courant est limité dans la batterie. Puis à l'instant t2 la tension sur la batterie atteint une valeur haute Vl prédéterminée. Le premier limiteur limite alors la tension sur la batterie. A l'instant t3, le générateur ne fournit plus d'énergie et la batterie se décharge à cause de l'obscurité et par le fonctionnement du capteur avec des 15 mesures et des émissions de messages radio fréquence. Ces périodes sont déclenchées à des instants t4, t5, t8 par exemple. A ces instants la tension 70 sur le condensateur 15A chute temporairement en raison de la consommation du module de capteur 5 pendant des mesures et la transmission radio. Puis, 20 la tension sur condensateur est lentement rechargée à partir de la batterie 13A via le second limiteur de courant 16 pendant que le module capteur 5 est en sommeil. Si la tension 70 sur condensateur 15A atteint une valeur basse V2, le moniteur de tension 17 ouvre l'interrupteur 18 pour éviter un fonctionnement non-optimal du module capteur 5 sous-alimenté en tension et en même temps pour éviter un endommagement de la batterie 13A 25 par une décharge complète. Le moniteur de tension 17 maintient l'interrupteur 18 ouvert jusqu'à que la tension sur le condensateur 15A remonte à une valeur prédéfinie V3, suffisante pour un fonctionnement correct du module capteur 5. Dans l'exemple donné la tension V3 est atteinte à l'instant t8 puisque le générateur photovoltaïque 12 et de nouveau éclairé et recommence à produire l'énergie à l'instant t7. 30 Si la tension atteint une valeur basse V2, la décharge de la batterie est bloquée. L'écart entre V1 et V2 est contrôlé pour avoir une profondeur de décharge limitée. Avantageusement, cette profondeur de décharge est de l'ordre de 2 à 5 %. La figure 5 représente un schéma détaillé d'un dispositif d'alimentation et d'un ensemble capteur selon un mode de réalisation de l'invention. Le générateur photovoltaïque est connecté sur les entrées 11. Une diode 30 connectée entre une première entrée 30 et le premier régulateur 14 est en série avec le générateur pour empêcher toute décharge de courant vers le générateur. Le premier régulateur 14 de courant et de tension comporte un transistor à effet de champ 31 en série avec une résistance 32 connectée à sa source. La grille de commande du transistor est connectée à une autre borne de la résistance 32 avec une résistance 33 pour assurer la limitation de courant par le transistor. Le transistor est aussi connecté au circuit de traitement 7 pour assurer la limitation ou la régulation en tension, la limitation en courant étant assurée de manière autonome par le transistor 32. La batterie 13A est connectée en aval du premier régulateur 14 et à une ligne de référence 34. Le circuit de traitement 17 reçoit un signal de tension de la batterie 13A pour effectuer notamment la régulation en tension. Le second régulateur 16 est connecté à la batterie 13A. Il comporte un transistor à effet de champ 35 en série avec une résistance 36 connectés à sa source. La grille de commande du transistor est connectée à une autre borne de la résistance 32 pour assurer de manière autonome la limitation de courant par le transistor. Le condensateur 15A est connecté en aval du second régulateur 16 et à la ligne de référence 34. Les transistors à effet de champ 31 et 35 sont de préférence des transistors à déplétion permettant une polarisation autonome en montage limiteur de courant. Les moyens d'interruption 18 de la fourniture d'énergie électrique sur une sortie 19 sont connectés en aval du condensateur 15. Ils comprennent un interrupteur statique tel qu'un transistor à effet de champ 37 de type MOSFET connecté en série sur la ligne de référence 34. Cet interrupteur statique est commandé par un comparateur de tension 38 intégré à hystérésis. Ce comparateur comprend une référence de tension interne pour comparer une portion de tension d'un pont diviseur résistif 39 à ladite référence. Une résistance 40 entre la sortie et l'entrée du comparateur détermine l'amplitude de l'hystérésis. L'ensemble capteur de la figure 5 comporte aussi un capteur 7A d'une grandeur physique à mesurer, un circuit de traitement 6A connecté audit capteur pour traiter des données de mesure de la grandeur physique à mesurer, et un émetteur 8A radio fréquence pour la communication sans fil. Ces éléments sont alimentés par le dispositif d'alimentation décrit ci-dessus. Le fonctionnement dudit capteur, d'un traitement des données de mesure et/ou d'une émission radio fréquence est déclenché par intermittence tant que la tension électrique sur la batterie 13A ou sur le condensateur 15A est supérieure à une valeur prédéterminée. Sur la figure 5, l'intermittence est contrôlée par le circuit de traitement 6A qui déclenche l'alimentation du capteur 7A et de l'émetteur 8A. Les figures 6A à 6D illustrent un chronogramme de fonctionnement d'un dispositif d'alimentation et d'un ensemble capteur selon un mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 6A, une courbe 41 montre l'activité d'un capteur de gaz carbonique CO2. Cette activité commence à l'instant t10 et est déclenchée par une activité d'un processeur du circuit de traitement 6A représentée sur la figure 6D par une courbe 44. A un instant tl 1, l'activité du capteur de gaz carbonique s'arrête, les données sont transférées au circuit de traitement 6A et une activité d'un capteur par exemple de température représentée par une courbe 42 est déclenchée par le processeur. A un instant t12, le processeur peut changer le mode de fonctionnement du capteur. A un instant t14, les capteurs ont terminé leur fonction et le circuit de traitement traite les données à transmettre. Puis, a un instant t14, le circuit de traitement déclenche la transmission des données. A la fin de la transmission, à un instant t15, le circuit de traitement commande la mise en veille ou en sommeil profond des circuits associés. Par exemple, il commande la déconnexion de l'alimentation des capteurs et de l'émetteur ou leur mise en sommeil profond. La figure 7 représente un organigramme d'un premier procédé selon un mode de réalisation de l'invention. Une étape 50 effectue la limitation d'un courant de charge dans des premiers moyens de stockage tels que la batterie 13A. Ensuite à une étape 51, le courant de charge dans la batterie est interrompu lorsque la tension atteint une valeur haute V1 prédéterminée. Une étape 52 effectue la limitation d'un courant de décharge dans des premiers moyens de stockage tels que la batterie 13A. Une étape 53 effectue le contrôle de la profondeur de décharge dans la batterie pour garantir un nombre de cycle de charge-décharge très élevé. Avantageusement, la profondeur de décharge est contrôlée pour être limitée à 5%. La faible consommation moyenne du capteur par un fonctionnement intermittent et le faible courant de fuite de la batterie permet aussi de limitée naturellement la profondeur de charge sans blocage en fonctionnement normal journalier. Une étape 54 effectue la charge de seconds moyens de stockage tel qu'un condensateur 10 tampon 15A par un courant de décharge limité de la batterie 13A. A une étape 55, l'alimentation d'un circuit d'un capteur avec l'énergie électrique chargée dans le condensateur tampon 15A est effectuée. Une étape 56 active le blocage de la fourniture de d'énergie électrique lorsque la charge des moyens de stockage est inférieure à une valeur prédéterminée. Il y a alors interruption de l'alimentation du circuit lorsque la charge de la 15 batterie 13A ou du condensateur 15A a atteint un seuil bas V2 prédéterminé. La figure 8 représente un organigramme d'un second procédé selon un mode de réalisation de l'invention pour un ensemble capteur. Ce procédé comporte une étape 60 de début d'alimentation du dispositif et une étape 61 d'initialisation. Ensuite, un traitement cyclique 20 ou périodique des circuits à alimenter comporte des étapes suivantes. Une étape 62 d'activation d'au moins un capteur de mesure effectue notamment la mesure de gaz carbonique ou de température. Une étape 63 de traitement de données fournies par ledit au moins un capteur traite et met en forme les données de mesure. Une étape 64 effectue l'émission de messages radio fréquence. Puis, une étape 65 commande la mise en veille ou 25 en sommeil profonds du ou des capteurs, de l'émetteur et du circuit de traitement de données pendant une durée prédéterminée. Les schémas décrits ci-dessus sont donnés à titre d'exemples pour donner le mode de réalisation préféré. Cependant, d'autres schémas sont possibles. Par exemple les circuits de 30 traitements 17, 6A et/ou 7A peuvent être regroupés dans un même circuit. Le générateur d'énergie décrit ci-dessus est une cellule photovoltaïque mais d'autres générateurs sont possibles. Par exemple, des générateurs à effet thermoélectrique, inductif, mécanique ou éolien: Parmi les batteries utilisées dans des dispositifs selon des modes de réalisation de l'invention il y a au moins la référence ML 1220 des sociétés SANYO ou VARTA.