Brevet FR3034916A1 — publié le 20161014

DISPOSITIF D'ALIMENTATION ELECTRIQUE ET BATIMENT ASSOCIE DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne le domaine des alimentations électriques destinées à alimenter des appareils électriques intégrés dans un bâtiment ou dans une agglomération. Ce type d'appareil électrique peut être une caméra, un routeur, un dispositif de contrôle d'accès d'une porte, un système d'alarme, une climatisation... L'invention concerne également un bâtiment comprenant un tel dispositif d'alimentation électrique. ART ANTERIEUR Il existe des adaptateurs secteur permettant d'alimenter un appareil électrique d'un bâtiment avec une tension continue par adaptation d'une tension alternative du secteur. Ces adaptateurs comportent une entrée de tension alternative connectée à un convertisseur de tension apte à convertir cette tension alternative en une tension continue connectée à une sortie de tension continue. La sortie de tension continue peut ainsi alimenter un appareil électrique d'un bâtiment avec une tension continue prédéterminée, par exemple 12V ou 24V. Pour des besoins de domotique, certains de ces adaptateurs sont commandés à l'aide d'un système de commande apte à interrompre ou établir le fonctionnement du convertisseur de tension. Le système de commande peut être actionné par un bouton poussoir positionné sur le dispositif d'alimentation électrique ou par un système radio. Cependant, le convertisseur de tension est dimensionné de telle sorte à couvrir les besoins maximaux en énergie de l'appareil électrique. Lorsque l'appareil électrique consomme une faible quantité de courant, le convertisseur de tension fournit une faible énergie comparativement aux besoins maximaux en énergie qu'il est capable de fournir. Le rendement entre l'énergie produite par le convertisseur de tension et l'énergie consommée pour faire fonctionner le convertisseur de tension est proche de 100% lorsque le convertisseur répond aux besoins maximaux de l'appareil électrique. Lorsque 3034916 2 le convertisseur fournit une faible énergie, le rendement chute de manière exponentielle. Par exemple, pour fournir 20% des besoins maximaux en énergie de l'appareil électrique, le rendement du convertisseur est de 80% alors que pour fournir 10% des besoins maximaux en énergie de l'appareil électrique, le rendement du convertisseur est 5 de 50%. Les appareils électriques d'un bâtiment fonctionnent la plupart du temps avec une faible quantité d'énergie comparée aux besoins maximaux en énergie. Par exemple, un dispositif de contrôle d'accès d'une porte par un badge sans contact demeure dans un 10 état de veille en attendant la détection d'un badge. Dans cet état de veille, le dispositif de contrôle d'accès consomme peu d'énergie, proche de 10% des besoins maximaux en énergie du dispositif Le rendement du convertisseur de tension est alors proche de 50%. Lorsqu'un badge est détecté, le dispositif de contrôle d'accès « se réveille » pour vérifier que le badge est autorisé et pour, le cas échéant, ouvrir la porte. Dans cet état 15 d'éveil, le dispositif de contrôle d'accès consomme une énergie proche des besoins maximaux en énergie. Cet état d'éveil ne dure que quelques secondes avant que le dispositif ne retourne en état de veille. Le dispositif de contrôle d'accès impose donc au convertisseur de tension de fonctionner la plupart du temps avec un faible rendement, proche de 50%. 20 En outre, le développement des bâtiments et des agglomérations à économie d'énergie est en plein essor. Ces bâtiments ou ces agglomérations à économie d'énergie comportent au moins un dispositif de production d'énergie qui produit de l'énergie électrique à partir d'une énergie renouvelable. Ce dispositif de production d'énergie 25 peut être constitué de panneaux solaires, d'éoliennes ou tout autre dispositif de production d'énergie renouvelable. Lorsque le dispositif de production d'énergie est en fonctionnement, au moins une partie de la consommation du bâtiment ou de l'agglomération est prélevée à partir de 30 l'énergie générée par le dispositif de production d'énergie. Lorsque le dispositif de production d'énergie ne fonctionne plus, l'énergie du bâtiment ou de l'agglomération est prélevée sur le secteur. Cela peut se produire la nuit et par temps nuageux pour les panneaux solaires, ou lorsque la force du vent est insuffisante pour les éoliennes. 3034916 3 Certaines normes imposent une limite de consommation des bâtiments, par exemple 50W/m2. Ainsi, les instants pour lesquels le dispositif de production d'énergie ne fonctionne plus peuvent disqualifier ces bâtiments. 5 Le problème technique consiste donc à limiter, au cours du temps, les besoins en énergie d'un bâtiment ou d'une agglomération. EXPOSE DE L'INVENTION 10 La présente invention vise à résoudre ce problème en utilisant un dispositif d'alimentation électrique d'un appareil électrique comportant une source de stockage d'énergie et un système de gestion apte à interrompre ou induire le fonctionnement d'un convertisseur de tension. 15 A cet effet, selon un premier aspect, l'invention concerne un dispositif d'alimentation électrique destiné à alimenter un appareil électrique intégré dans un bâtiment ou dans un réseau d'une agglomération, le dispositif comportant : une entrée de tension alternative, une sortie de tension continue, 20 un convertisseur de tension apte à transformer la tension alternative de l'entrée en une tension continue, un système de commande apte à interrompre le fonctionnement du convertisseur de tension, un élément de stockage d'énergie, et 25 un réseau interne de tension continue connecté à l'élément de stockage d'énergie, à la sortie et à la tension continue du convertisseur de tension. Selon l'invention, le système de commande est apte : à détecter un état de charge de l'élément de stockage d'énergie, 30 à mesurer un courant délivré par la sortie de tension continue, - à interrompre le fonctionnement du convertisseur de tension lorsqu'il détecte que le courant délivré par la sortie de tension continue est inférieur à une première valeur seuil, 3034916 4 - à induire le fonctionnement du convertisseur de tension lorsqu'il détecte que la charge de l'élément de stockage d'énergie est inférieure à une deuxième valeur seuil, et - à interrompre le fonctionnement du convertisseur de tension lorsqu'il détecte 5 que la charge de l'élément de stockage d'énergie est supérieur à une troisième valeur seuil. L'invention permet ainsi de réduire la consommation en énergie de l'appareil électrique alimenté par le dispositif d'alimentation électrique en limitant les périodes 10 durant lesquelles le convertisseur de tension fonctionne avec un faible rendement. L'énergie consommée par l'appareil électrique est délivrée soit par le convertisseur de tension, soit par la source de stockage d'énergie. Lorsque le fonctionnement du convertisseur de tension est interrompu, il ne consomme plus d'énergie et l'appareil électrique est alimenté uniquement par la source de stockage d'énergie. Lorsque le 15 fonctionnement du convertisseur de tension est induit, le convertisseur de tension alimente l'appareil électrique et recharge la source de stockage d'énergie. Durant cette phase, le convertisseur de tension fonctionne avec un rendement plus important car il doit délivrer une plus grande quantité d'énergie. 20 Dans l'exemple précédemment cité pour un appareil électrique correspondant à un dispositif de contrôle d'accès d'une porte par un badge sans contact, le convertisseur de tension d'un dispositif d'alimentation électrique de l'état de la technique fonctionne la plupart du temps avec une faible puissance de sortie ( inférieure à 10% de sa puissance nominale) correspondant à un rendement compris entre 60 et 70%. Si la source de 25 stockage d'énergie permet d'alimenter l'appareil électrique la moitié du temps, le convertisseur de tension ne sera utilisé que l'autre moitié du temps d'alimentation de l'appareil électrique. Au cours de cette période, la quantité d'énergie à produire sera de l'ordre de 20% de la puissance nominale du convertisseur. Le rendement du convertisseur de tension sera alors proche de 80%. Sur la durée totale d'alimentation de 30 l'appareil électrique, les besoins en alimentation électriques seront ainsi diminués de 15 à 20%. 3034916 5 L'invention permet également de garantir une capacité minimum de charge dans l'élément de stockage car ce dernier est rechargé par le fonctionnement du convertisseur de tension lorsque la charge de l'élément de stockage est inférieure à une deuxième valeur seuil. Cette capacité minimum permet d'alimenter la charge en cas de coupure de 5 courant au niveau de l'entrée de tension alternative. En outre, lorsque le dispositif de production d'énergie d'un bâtiment fonctionne, une énergie renouvelable est stockée dans la source de stockage d'énergie du dispositif d'alimentation électrique. Lorsque ce dispositif de production d'énergie ne fonctionne 10 pas, la source de stockage d'énergie peut alimenter l'appareil électrique connecté sur le dispositif d'alimentation électrique sans utiliser une énergie du secteur. L'invention permet ainsi de diminuer la puissance installée nécessaire en effaçant les pointes de consommation d'un bâtiment ou d'une agglomération. 15 Selon un mode de réalisation, le réseau interne de tension continue est connecté à la sortie de tension continue par l'intermédiaire d'un second convertisseur de tension. Ce mode de réalisation permet d'utiliser un élément de stockage d'énergie dont la capacité est particulièrement adaptée aux besoins de stockage d'énergie, et dont la tension de charge et de décharge peut être différente de la tension continue de l'appareil 20 électrique. Selon un mode de réalisation, l'élément de stockage d'énergie est une batterie au lithium. Les dispositifs de stockage des bâtiments, du type onduleur, comportent classiquement des batteries au plomb. Ces batteries présentent une durée de vie de 2 à 3 25 ans nécessitant un grand nombre de remplacement au cours de la vie d'un appareil électrique associé. En outre, ces batteries au plomb sont lourdes et encombrantes. Ce mode de réalisation permet d'utiliser des batteries au lithium dont le poids et l'encombrement sont réduits par rapport aux batteries au plomb. En outre, la durée de 30 vie d'une batterie au lithium est de l'ordre de 10 ans ce qui correspond sensiblement à la durée de vie des appareils électriques connectés sur le dispositif d'alimentation. Pour finir, la batterie au lithium présente également l'avantage de résister d'avantage aux 3034916 6 microcycles de charge et de décharge, c'est-à-dire aux cycles de charge et de décharge incomplets par rapport à la charge et la décharge totale de la batterie. Préférentiellement, l'élément de stockage d'énergie présente une capacité 5 comprise entre 5 Wh et 5 KWh. Selon un mode de réalisation, le dispositif comporte une entrée de commande du système de commande, le système de commande étant apte à interrompre ou induire le fonctionnement du convertisseur de tension en fonction d'un signal de l'entrée de 10 commande. Ce mode de réalisation permet d'utiliser une commande extérieure pour gérer le fonctionnement du dispositif d'alimentation. Selon un mode de réalisation, le signal comporte une plage horaire dans laquelle le système de commande interrompt le convertisseur de tension. Dans certaines plages 15 horaires, par exemple la nuit, un dispositif de contrôle d'accès d'une porte et une climatisation sont peu utilisés. Les dispositifs d'alimentation électrique associés à ce type d'appareil électrique peuvent donc être alimentés exclusivement par l'élément de stockage d'énergie au cours de cette période. 20 Selon un mode de réalisation, le signal comporte une information météorologique destinée à prévoir les transitions météorologique du bâtiment ou de l'agglomération. Ce mode de réalisation permet d'anticiper la production d'énergie du dispositif de production d'énergie et de recharger les éléments de stockage des dispositifs d'alimentation avant que le vent ne manque de puissance ou que des nuages soient 25 présents sur le bâtiment ou l'agglomération. Selon un mode de réalisation, le dispositif comporte une sortie d'information du système de commande. Ce mode de réalisation permet de superviser le comportement du dispositif d'alimentation électrique et de contrôler de manière centralisée les cycles 30 de charge et de décharge de l'élément de stockage d'énergie. 3034916 7 Selon un mode de réalisation, la sortie d'information comporte une information de géolocalisation du dispositif d'alimentation électrique, destinée à géolocaliser le dispositif dans le bâtiment ou dans l'agglomération. Ce mode de réalisation permet d'améliorer la maintenance du dispositif d'alimentation électrique. Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un bâtiment comportant au moins un dispositif d'alimentation électrique selon le premier aspect de l'invention, configure de sorte à maintenir une consommation du bâtiment inférieure à une valeur donnée, par exemple 50 W/m2. DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES La manière de réaliser l'invention ainsi que les avantages qui en découlent, ressortiront bien du mode de réalisation qui suit, donné à titre indicatif mais non 15 limitatif, à l'appui des figures annexées dans lesquelles les Figures 1 et 2 représentent : - Figure 1 : une représentation schématique du circuit électrique du dispositif d'alimentation électrique selon un mode de réalisation de l'invention ; et - Figure 2 : une représentation temporelle de l'évolution de l'état de charge de l'élément de stockage d'énergie du dispositif d'alimentation électrique de la 20 Figure 1. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La Figure 1 illustre un dispositif d'alimentation électrique 10 connecté à un 25 appareil électrique 12, afin de répondre aux besoins électriques de l'appareil électrique 12. Le dispositif 10 comporte une entrée 15 de tension alternative, connectée à un réseau électrique d'un bâtiment ou d'une agglomération, et une sortie 16 de tension continue connectée à l'appareil électrique 12. 30 Un premier convertisseur de tension 18 est connecté à l'entrée 15, de sorte à transformer la tension alternative de l'entrée 15 en une tension continue 20. La tension continue 20 est connectée sur un réseau interne 25 de tension continue. Le réseau interne 25 de tension continue est connecté à un deuxième convertisseur de tension 19 5 10 3034916 8 qui transforme la tension continue du réseau interne 25 en une tension continue adaptée à l'appareil électrique 12. La sortie 16 de tension continue est connectée à une sortie du deuxième convertisseur de tension 19. 5 Le dispositif d'alimentation électrique 10 comporte également un élément de stockage d'énergie 23 connecté au réseau interne 25. De préférence, l'élément de stockage d'énergie 23 est une batterie au lithium, dont la capacité est comprise entre 5 Wh et 5 KWh. 10 Le dispositif d'alimentation électrique 10 est commandé par un système de commande 21. Le système de commande 21 détecte un état de la charge Ec de l'élément de stockage d'énergie 23 et mesure un courant Is délivré par la sortie 16 au cours du temps. En fonction de cet état de la charge Ec et du courant Is, le système de commande 21 commande le fonctionnement ou l'arrêt du premier convertisseur de tension 18. A 15 cet effet, le signal m/a permet d'interrompre ou de mettre en marche le premier convertisseur de tension 18. Le système de commande 21 est également relié à une entrée de commande externe 28 et à une sortie d'information 29. Cette entrée de commande externe 28 et 20 cette sortie d'information 29 sont réalisées par une liaison série, un câble internet, une liaison sans fil ou tout autre moyen connu. L'entrée de commande 28 transmet un signal Sc au système de commande 21 afin de commander la mise en marche ou l'interruption du premier convertisseur de tension 25 18 depuis un dispositif externe. La sortie d'information 29 permet de transmettre un signal Sr afin de rendre compte de l'état du premier convertisseur de tension 18 et/ou de l'élément de stockage 23 à ce dispositif externe. En variante, le signal Sr permet également de transmettre une 30 information de géolocalisation du dispositif d'alimentation 10. 3034916 9 La figure 2 illustre un exemple de variations de la charge Ec de l'élément de stockage 23 en fonction d'un temps effectif d'utilisation du dispositif d'alimentation 10. Dans une première phase Pcl, l'élément de stockage 23 est complètement 5 déchargé et le système de commande 21 impose la mise en fonctionnement m/a du premier convertisseur de tension 18. L'élément de stockage 23 est ainsi chargé par l'énergie alternative provenant de l'entrée 15 et convertie par le premier convertisseur 18. Lors de cette phase de charge Pcl, l'état de charge Ec de l'élément de stockage 23 croit de manière logarithmique en direction d'un état de charge maximum Cmax. Cette 10 phase de charge Pc1 est stoppée lorsque le système de commande 21 détecte que la charge Ec de l'élément de stockage 23 est supérieure à une valeur seuil C3. Commence alors une première phase de décharge Pdl, au cours de laquelle le système de commande 21 interrompt m/a le fonctionnement du premier convertisseur 15 de tension 18. L'élément de stockage 23 se décharge alors pour combler les besoins en énergie de l'appareil électrique 12. Lors de cette phase de décharge Pdl, l'état de charge Ec de l'élément de stockage 23 décroit de manière logarithmique en direction d'un état de charge Ec nul. Cette phase de décharge Pdl est stoppée lorsque le système de commande 21 détecte que la charge Ec de l'élément de stockage 23 est inférieure à 20 une valeur seuil C2. Les phases de charge Pcl-Pc5 et de décharge Pdl-Pd4 s'alternent ainsi pendant toute la durée de vie du dispositif d'alimentation 10. Certains évènements externes peuvent modifier cette alternance de phases de charge Pcl-Pc5 et de décharge Pdl-Pd4. Par exemple, le signal Sc externe peut 25 indiquer une plage horaire au cours de laquelle l'appareil électrique 12 est particulièrement peu sollicité, l'élément de stockage 23 sera donc préférentiellement chargé avant d'entrer dans cette plage horaire. Pour un exemple illustré sur la figure 2, au cours des phases de charge Pc2 et Pc3, 30 le système de commande 21 détecte que le courant Is est inférieur à une valeur seuil Il, le rendement du convertisseur de tension 18 est donc particulièrement faible. Suite à cette information, les phases de charge Pc2 et Pc3 sont stoppées pour entamer une 3034916 10 phase de décharge Pd2, Pd3 au cours desquelles l'élément de stockage d'énergie 23 alimente l'appareil électrique 12. Pour un autre exemple illustré sur la figure 2, au cours de la phase de décharge 5 Pd3, le signal Sc informe que la météo va bientôt changer et que le dispositif de production d'énergie renouvelable du bâtiment va devenir inopérant. Suite à cette information, la phase de décharge Pd3 est stoppée pour entamer une phase de charge Pc4, alors que le dispositif de production d'énergie renouvelable du bâtiment est toujours opérationnel. Lorsque les conditions climatiques sont telles que le dispositif de 10 production d'énergie renouvelable du bâtiment est inopérant, la phase de charge Pc4 est stoppée pour privilégier la consommation de l'élément de stockage 23 au cours d'une phase de décharge Pd4. En pratique, dans la phase de décharge Pdl-Pd4 de l'élément de stockage 23, 15 l'appareil électrique 12 ne sollicite pas constamment un besoin en alimentation électrique et la phase de décharge Pdl-Pd4 de l'élément de stockage 23 peut durer plusieurs jours. De même, dans la phase de charge Pcl-Pc5 de l'élément de stockage 23, si la charge est préférentiellement effectuée par un dispositif de production d'énergie renouvelable, cette phase de charge Pcl-Pc5 peut être entrecoupée de phase 20 durant lesquelles le dispositif de production d'énergie est inopérant. L'invention permet ainsi de réduire la consommation énergétique d'un appareil électrique 12 intégré dans un bâtiment ou dans une agglomération. L'invention permet de paramétrer un grand nombre de scénarios afin de réduire la consommation 25 énergétique d'un bâtiment ou d'une agglomération. En outre, l'invention permet la mise en oeuvre d'un bâtiment particulièrement performant dont la consommation est contrôlée pour ne pas dépasser une consommation donnée, par exemple 50 W/m2. REVENDICATIONS1. Dispositif d'alimentation électrique (10) destiné à alimenter un appareil électrique (12) intégré dans un bâtiment ou dans une agglomération, le dispositif (10) comportant : - une entrée (15) de tension alternative, - une sortie (16) de tension continue, - un convertisseur de tension (18) apte à transformer la tension alternative de l'entrée (15) en une tension continue (20), et - un système de commande (21) apte à interrompre le fonctionnement du convertisseur de tension (18), caractérisé : - en ce que le dispositif (10) comporte en outre : - un élément de stockage d'énergie (23), et - un réseau interne (25) de tension continue connecté à l'élément de stockage d'énergie (23), à la sortie (16) et à la tension continue (20) du convertisseur de tension (18), - et en ce que le système de commande (21) est apte : - à détecter un état de charge (Ec) de l'élément de stockage d'énergie (23), - à mesurer un courant (Is) délivré par la sortie (16) de tension continue, - à interrompre le fonctionnement du convertisseur de tension (18) lorsqu'il détecte que le courant (Is) délivré par la sortie (16) de tension continue est inférieur à une première valeur seuil (I1), - à induire le fonctionnement du convertisseur de tension (18) lorsqu'il détecte que la charge (Ec) de l'élément de stockage d'énergie (23) est inférieure à une deuxième valeur seuil (C2), et - à interrompre le fonctionnement du convertisseur de tension (18) lorsqu'il détecte que la charge (Ec) de l'élément de stockage d'énergie (23) est supérieure à une troisième valeur seuil (C3). 2. Dispositif d'alimentation électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réseau interne (25) de tension continue est connecté à la sortie (16) de tension continue par l'intermédiaire d'un second convertisseur de tension (19). 3034916 123. 4. 5 5. 10 6. 15 7. 20 8. 25 9. 30 10. Dispositif d'alimentation électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément de stockage d'énergie (23) est une batterie au lithium. Dispositif d'alimentation électrique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément de stockage d'énergie (23) présente une capacité comprise entre 5 Wh et 5 KWh. Dispositif d'alimentation électrique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif (10) comporte une entrée de commande (28) du système de commande (21), le système de commande (21) étant apte à interrompre ou à induire le fonctionnement du convertisseur de tension (18) en fonction d'un signal (Sc) de l'entrée de commande (28). Dispositif d'alimentation électrique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le signal (Sc) comporte une plage horaire dans laquelle le système de commande (21) interrompt le convertisseur de tension (18). Dispositif d'alimentation électrique selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le signal (Sc) comporte une information météorologique destinée à prévoir les transitions météorologique du bâtiment ou de l'agglomération. Dispositif d'alimentation électrique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le dispositif (10) comporte une sortie d'information (29) du système de commande (21). Dispositif d'alimentation électrique selon la revendication 8, caractérisé en ce que la sortie d'information (29) comporte une information de géolocalisation du dispositif d'alimentation électrique (10) destinée à géolocaliser le dispositif (10) dans le bâtiment ou dans l'agglomération. Bâtiment comportant un dispositif d'alimentation électrique (10) selon l'une des revendications 1 à 9 configure de sorte à maintenir une consommation du bâtiment inférieure à une valeur donnée, par exemple 50 W/m2.