Brevet FR3006512A1 — publié le 20141205

B12614 - 13-GR1C0-0048 1 CIRCUIT DE GESTION D'ÉNERGIE D'UN CAPTEUR AUTONOME Domaine La présente demande concerne, de façon générale, les circuits électroniques et, plus particulièrement, la gestion d'énergie dans des dispositifs de faible puissance devant 5 fonctionner en autonomie. Exposé de l'art antérieur Les systèmes de gestion d'énergie visent à optimiser le rendement énergétique d'un dispositif. Lorsque le dispositif comporte une batterie et est également associé à un système de 10 production locale d'énergie (par exemple de type panneaux photovoltaïques), ce système de production d'énergie est utilisé pour recharger la batterie qui elle-même alimente le dispositif. Résumé Un objet d'un mode de réalisation est de proposer un 15 circuit de gestion d'énergie qui pallie tout ou partie des inconvénients des circuits usuels. Un autre objet d'un mode de réalisation est de proposer un circuit particulièrement adapté à un dispositif autonome de faible puissance. 20 Un autre objet d'un mode de réalisation est de proposer un circuit particulièrement adapté à être alimenté à l'aide de panneaux photovoltaïques. B12614 - 13-GR1C0-0048 2 Un autre objet d'un mode de réalisation est de proposer un circuit permettant d'alimenter directement une charge tout en rechargeant/déchargeant une batterie. Pour atteindre tout ou partie de ces objets ainsi que 5 d'autres, on prévoit un circuit de gestion d'énergie comportant, entre une première borne destinée à être connectée à une source de production d'énergie électrique et une deuxième borne destinée à être connectée à une charge à alimenter, un régulateur linéaire et un circuit apte à activer le régulateur 10 linéaire quand l'énergie fournie par ladite source est supérieure à un premier seuil. Selon un mode de réalisation, le circuit comporte en outre une troisième borne destinée à être connectée à une batterie rechargeable. 15 Selon un mode de réalisation, le circuit comporte : un premier mode de fonctionnement dans lequel le régulateur est déconnecté, la charge étant alimenté exclusivement par la batterie ; un deuxième mode de fonctionnement dans lequel le 20 régulateur est dans un état passant, sans régulation, le potentiel de la deuxième borne étant fixé par la batterie ; et un troisième mode dans lequel le régulateur régule et fixe le potentiel de la deuxième borne, la charge étant alimentée par la source de production d'énergie électrique. 25 Selon un mode de réalisation, la batterie est rechargée dans le troisième mode de fonctionnement. Selon un mode de réalisation, le circuit comporte un élément de détection du niveau de tension reçue sur la première borne. 30 Selon un mode de réalisation, le circuit comporte un détecteur du niveau de charge de la batterie. Selon un mode de réalisation, on prévoit un dispositif autonome comportant : une source de production d'énergie ; 35 une batterie rechargeable ; et B12614 - 13-GR1C0-0048 3 un circuit de gestion d'énergie conforme à l'une quelconque des revendications précédentes. Selon un mode de réalisation, la source de production d'énergie est un panneau photovoltaïque. Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une représentation très schématique d'un système de capteurs autonomes du type auquel s'applique à titre d'exemple les modes de réalisation qui vont être décrits ; la figure 2 représente, sous forme de blocs, un exemple de dispositif autonome associé à une batterie et à un 15 panneau photovoltaïque ; la figure 3 représente, de façon très schématique et fonctionnelle, un mode de réalisation d'un circuit de gestion d'énergie ; les figures aA, 3B et 3C représentent différentes 20 configurations du circuit de la figure 3 ; et la figure 4 est un schéma plus détaillé du circuit de la figure 3. Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes 25 références aux différentes figures. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation qui vont être décrits ont été détaillés. En particulier, la nature du circuit alimenté par le circuit de gestion d'énergie n'a pas été représentée et ne sera pas détaillée, les modes de 30 réalisation décrits étant compatibles avec les charges constituant généralement les dispositifs autonomes en énergie. De plus, la constitution des dispositifs de production d'énergie, en particulier de type panneaux photovoltaïques, n'a pas non plus été détaillée, les modes de réalisation décrits B12614 - 13-GR1C0-0048 4 étant là encore compatibles avec les dispositifs de production d'énergie usuels. La figure 1 est une représentation très schématique d'un exemple de réseau de capteurs autonomes en énergie du type 5 auquel s'appliquent à titre d'exemple les modes de réalisation qui vont être décrits. Un tel réseau comporte de multiples capteurs 12 de nature identique ou différente, qui sont susceptibles de communiquer entre eux et/ou avec des serveurs 14 (en pratique 10 des outils informatiques de type ordinateur). Les capteurs 12 sont dits autonomes en énergie en ce sens qu'ils ne requièrent pas d'intervention pour changer des batteries d'alimentation, et qu'ils ne nécessitent pas de connexion au réseau de distribution électrique. En pratique, de tels capteurs autonomes sont équipés 15 d'une ou plusieurs batteries rechargeables, susceptibles d'être rechargées par une source d'énergie locale de type panneau photovoltaïque, dispositif éolien, etc. On a fait référence ci-dessus à des capteurs autonomes mais la présente description s'applique plus généralement à tout 20 dispositif électronique de faible puissance (de quelques microwatts à quelques milliwatts). La figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif autonome 12 (par exemple un des capteurs de la figure 1). Le dispositif 12 inclut des circuits de mesure et/ou de 25 traitement, de communication, etc. qui constituent la charge 22 (LOAD) qui a besoin d'être alimentée pour fonctionner. Les circuits 22 sont susceptibles d'être alimentés soit à partir d'une batterie rechargeable 24 (BAT), soit à partir, dans cet exemple, d'un ou plusieurs panneaux 30 photovoltaïques 26 (PV). La batterie et les panneaux photovoltaïques fournissent l'énergie à un circuit de gestion d'énergie 3 (PMC - Power Management Circuit) dont le rôle est d'organiser la fourniture d'énergie à la charge 22 et le rechargement de la batterie 24 au moyen des panneaux 35 photovoltaïques 26. Le circuit 3 a également pour rôle de B12614 - 13-GR1C0-0048 réguler la tension à destination de la charge 22 dont les circuits ne supportent généralement pas les variations de tension des sources d'alimentation. Dans la plupart des cas, lorsqu'un système de 5 production d'énergie de type panneau photovoltaïque est utilisé pour alimenter un circuit basse puissance, ce panneau sert à recharger la batterie qui elle-même alimente le système. Dans d'autres cas où une batterie non rechargeable est prévue, celle-ci sert d'alimentation de secours et la majeure partie de 10 l'énergie est fournie par le système de production locale. Il serait souhaitable d'améliorer la gestion d'énergie de tels circuits alimentés localement afin de réduire leur consommation et de permettre un fonctionnement dans la plupart des situations. 15 Ainsi, on prévoit un circuit de gestion d'énergie 3 qui permet d'utiliser, pour alimenter la charge 22, soit le dispositif de production d'énergie 26, soit la batterie 24, soit les deux, tout en permettant de recharger la batterie à l'aide du dispositif 26, le tout en consommant peu d'énergie, et sans 20 nécessiter de conversion d'énergie. On aurait pu penser associer, à chaque élément 24, 26, un régulateur de tension dont les sorties seraient ensuite exploitées par un mécanisme de commutation et de sélection vers la charge. Toutefois, cela conduirait à un circuit particu- 25 lièrement complexe et gourmand en énergie. Ainsi, les différentes solutions qui pourraient le cas échéant être envisageables dans des applications forte puissance (de type ordinateur portable par exemple) ne sont pas adaptées aux applications visées par la présente description. 30 La figure 3 représente, de façon schématique, un mode de réalisation d'un circuit 3 de gestion d'énergie. Comme illustré en relation avec la figure 2, le circuit 3 est connecté à un panneau ou un ensemble de cellules photovoltaïques 26, à une batterie rechargeable 24 et à la charge à alimenter 22. B12614 - 13-GR1C0-0048 6 La représentation de la figure 3 est fonctionnelle pour décrire le fonctionnement du système. Des modes de réalisation seront illustrés en relation avec les figures 4 et 5. Le circuit 3 est basé sur l'utilisation d'un régulateur 4 à faible chute de tension série (LDO - Low Drop Out). Une borne d'entrée 42 du régulateur 4 est (fonctionnellement) connectée, par l'intermédiaire d'un interrupteur K1, à une borne 32 d'entrée du circuit 3 destinée à recevoir la tension fournie par le panneau photovoltaïque 26. En pratique, la borne 32 reçoit le potentiel positif fourni par le panneau. Des liaisons de masse équipent bien entendu le circuit 3 mais elles n'ont pas été représentées. Une borne de sortie 44 du régulateur 4 est reliée, par l'intermédiaire d'un interrupteur K2, à une borne 34 de sortie du circuit 3 destinée à être connectée à la charge 22. Là encore, la borne 44 concerne la borne de fourniture d'un potentiel positif et la charge 22 est par ailleurs connectée à la masse M. Une borne 36 du circuit 3, destinée à être connectée à l'électrode positive de la batterie 24 est reliée, par l'intermédiaire d'un commutateur K3, à la borne 44, l'autre électrode de la batterie étant reliée à la masse. En pratique, un élément 31 de limitation du courant dans la branche de l'interrupteur K3 est inséré, par exemple, entre l'interrupteur K3 et la borne 36. Le régulateur 4 peut être court-circuité (déconnecté) au moyen d'un interrupteur K4 reliant ses bornes d'entrée 42 et de sortie 44. Par ailleurs, un interrupteur K5 relie directement la borne 44 à la borne 36 et court-circuite donc la branche constituée de l'interrupteur K3 et de l'élément 31. Les interrupteurs K1 et K4 sont commandés, de façon inverse l'un par rapport à l'autre, par un détecteur 33 (DET) de l'énergie fournie par le panneau 26. Dans l'exemple de la figure 3, le détecteur 33 analyse le potentiel présent sur la borne 32 pour déterminer si le panneau fournit de l'énergie ou non. B12614 - 13-GR1C0-0048 7 L'interrupteur K2 est commandé en fonction du niveau de charge dans la batterie. Les interrupteurs K3 et K5 sont commandés en fonction du niveau d'éclairement (de fourniture d'énergie par le panneau 26), de façon inverse l'un par rapport à l'autre. L'interrupteur K5 est par ailleurs également commandé en fonction de la valeur du potentiel présent sur la borne 34. Les inventeurs prévoient de tirer profit d'une particularité des panneaux photovoltaïques qui est que la tension qu'ils fournissent est fixée par la charge à laquelle ils sont connectés, la quantité d'énergie convertie se traduisant par plus ou moins de courant fourni. Le circuit 3 est prévu pour trois modes de fonctionnement qui se traduisent par trois configurations des commutateurs K1 à K5. Les figures aA, 3B et 3C illustrent les trois modes de fonctionnement du circuit 3. La figure aA illustre un mode de fonctionnement dans lequel aucune énergie, ou une énergie inférieure à un premier seuil, n'est fournie par le panneau photovoltaïque 26. Typiquement, il s'agit du fonctionnement de nuit. Dans une telle configuration, les commutateurs K1 et K4 sont ouverts de sorte que le panneau photovoltaïque 26 est déconnecté de l'aval du système. Le commutateur K3 est également ouvert dans la mesure où la batterie ne peut pas être chargée. Le commutateur K5 est quant à lui fermé pour permettre une alimentation de la charge par la batterie, selon l'état du commutateur K2. Le commutateur K2 est, comme cela sera illustré en relation avec la figure 4, fermé si le niveau d'énergie dans la batterie 24 est suffisant pour alimenter la charge et est ouvert si ce niveau est inférieur à un seuil. Tous les blocs électroniques du circuit sont désactivés hormis le comparateur du niveau de tension batterie pour commander l'interrupteur K2 et alimenter, si possible, la charge 22. La figure 3B illustre un mode de fonctionnement, dit à 35 faible production d'énergie par le panneau 26, ce qui correspond B12614 - 13-GR1C0-0048 8 par exemple à un faible éclairement. Dans ce cas, les commutateurs K1 et K4 sont fermés de sorte que le panneau photovoltaïque 26 alimente directement le système sans passer par le régulateur de tension. Ce cas correspond à une situation dans laquelle le niveau d'énergie fourni est inférieur à la valeur maximale du courant de charge de la batterie. L'interrupteur K3 est donc ouvert. L'interrupteur K5 est quant à lui fermé ce qui permet de fixer la tension du panneau photovoltaïque 26 à la tension aux bornes de la batterie 24 et protège ainsi la charge 22. Comme précédemment, l'interrupteur K2 est ouvert ou fermé selon le niveau de charge de la batterie. S'il est ouvert, le panneau photovoltaïque recharge directement la batterie via l'interrupteur K5. Si le courant fourni par le panneau 26 est inférieur au courant demandé par la charge 22, la batterie fournit le reste via l'interrupteur K5. Si le courant fourni par le panneau est supérieur à la demande de la charge, le reste sert à recharger la batterie via l'interrupteur K5, sauf si la batterie est déjà pleinement chargée auquel cas le régulateur est actif pour protéger la charge 22 et limiter la tension de la batterie. La figure 3C illustre un autre mode de fonctionnement, dit plein éclairement, dans lequel l'énergie fournie par le panneau photovoltaïque 26 devient suffisante pour une limite de charge de la batterie. Le régulateur 4 doit ici être utilisé pour limiter la tension à la fois au niveau de la charge 22 et au niveau de la batterie afin de ne pas excéder sa tension maximale de charge. Par conséquent, l'interrupteur K4 est ouvert, l'interrupteur K1 étant fermé. Côté batterie, l'interrupteur K5 est ouvert et l'interrupteur K3 est fermé. Dans une telle configuration, le panneau photovoltaïque 26 à la fois recharge la batterie et alimente la charge 22 (l'interrupteur K2 étant fermé). Si la charge 22 demande un courant supérieur à ce que fournit le panneau 26, l'interrupteur K5 se ferme rapidement pour que la batterie fournisse l'énergie supplémentaire. B12614 - 13-GR1C0-0048 9 Un rôle de l'interrupteur K2 est de protéger la batterie afin d'éviter que celle-ci ne se décharge en dessous de son seuil critique. Toute batterie a en effet un seuil en dessous duquel elle ne doit pas être déchargée faute de quoi elle risque d'être endommagée irrémédiablement. On peut considérer que l'interrupteur K2 constitue un passage en mode sécurité lorsque celui-ci est ouvert. Quand la charge de la batterie redevient suffisante, l'interrupteur K2 est refermé. Un rôle du détecteur 33 est de retarder l'activation du régulateur linéaire 4 jusqu'à un seuil de tension considéré comme suffisant. On optimise ainsi la gestion d'énergie en évitant la chute de tension à travers le régulateur et les pertes engendrées dans celui-ci lorsque l'énergie fournie par le panneau photovoltaïque est minimale. La figure 4 représente un schéma plus détaillé d'un mode de réalisation d'un circuit 3. Le régulateur 4 (LDO) symbolisé en figure 4 est un régulateur linéaire susceptible d'avoir trois modes de fonctionnement : un mode déconnecté dans lequel il ne consomme pas d'énergie, un mode de type suiveur dans lequel il est fonctionnellement court-circuité (situation de la figure 3B), c'est-à-dire qu'il introduit une chute de tension minimale, et un mode de régulation (situation de la figure 3C) dans lequel il régule la tension qui lui est fournie en entrée. La mesure de la production d'énergie (indirectement de l'intensité lumineuse) est, dans l'exemple de la figure 4, réalisée à partir d'un comparateur 33 (COMP) dont l'entrée est connectée à la borne 32 et dont la sortie est connectée à une borne 46 d'entrée du régulateur 4. Le comparateur 33 définit un premier seuil TH1 comme on le verra par la suite. L'élément limiteur de courant 31 et l'interrupteur K3 sont, par exemple, constitués d'une source de courant commandable notée 31' susceptible d'être activée par un signal HI fourni par le régulateur 4, sur une borne 48. Le signal HI est à l'état actif (deuxième seuil) lorsqu'on détecte un courant suffisant dans le B12614 - 13-GR1C0-0048 10 régulateur. L'interrupteur K5 est également commandé à partir du signal HI pour être fermé quand la source de courant 31' est désactivée. Le niveau de charge de la batterie est mesuré à l'aide d'un comparateur 50 (COMP) dont une première entrée est connectée à la borne 36 et dont une deuxième entrée est connectée à la masse, la sortie du comparateur 50 permettant d'activer ou de désactiver l'interrupteur K2. Un avantage des modes de réalisation qui ont été décrits est que la consommation énergétique au niveau du système de gestion d'énergie est minimale. En particulier, le fait de court-circuiter le régulateur réduit considérablement la consommation dans des applications de faible puissance. Un autre avantage est que le circuit de gestion d'énergie est autonome, en ce sens qu'il ne nécessite pas de signaux de commande provenant soit de la charge soit du panneau photovoltaïque. Il se contente de mesurer les niveaux de tension côté photovoltaïque et côté batterie par rapport à des seuils. Un autre avantage est que la structure du régulateur 20 est particulièrement simple. Un autre avantage est que le circuit de gestion d'énergie permet d'alimenter directement la charge et de recharger la batterie par le panneau photovoltaïque sans nécessiter de conversion d'énergie, les tensions concernées 25 étant identiques ou du même ordre de grandeur. Divers modes de réalisation ont été décrits. Divers variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation décrits est à la portée de l'homme de métier à partir des 30 indications fonctionnelles données ci-dessus et en utilisant des composants en eux-mêmes usuels. REVENDICATIONS1. Circuit (3) de gestion d'énergie comportant, entre une première borne (32) destinée à être connecté à une source de production d'énergie électrique (26) et une deuxième borne (34) destinée à être connectée à une charge (22) à alimenter, un régulateur linéaire (4) et un circuit apte à activer le régulateur linéaire quand l'énergie fournie par ladite source est supérieure à un premier seuil (TH1). 2. Circuit selon la revendication 1, comportant en outre une troisième borne (36) destinée à être connectée à une 10 batterie (24) rechargeable. 3. Circuit selon la revendication 1 ou 2, comportant : un premier mode de fonctionnement dans lequel le régulateur (4) est déconnecté, la charge (22) étant alimenté exclusivement par la batterie (24) ; 15 un deuxième mode de fonctionnement dans lequel le régulateur (4) est dans un état passant, sans régulation, le potentiel de la deuxième borne (34) étant fixé par la batterie ; et un troisième mode dans lequel le régulateur (4) régule 20 et fixe le potentiel de la deuxième borne (34), la charge étant alimentée par la source de production d'énergie électrique (26). 4. Circuit selon la revendication 3, dans lequel la batterie (24) est rechargée dans le troisième mode de fonctionnement. 25 5. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comportant un élément (33) de détection du niveau de tension reçue sur la première borne (32). 6. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comportant un détecteur (50) du niveau de charge de la 30 batterie (24). 7. Dispositif autonome comportant : une source de production d'énergie (26) ; une batterie rechargeable (24) ; etB12614 - 13-GR1C0-0048 12 un circuit de gestion d'énergie conforme à l'une quelconque des revendications précédentes. 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel la source de production d'énergie est un panneau photovoltaïque (26).