Brevet FR3068533A1 — publié le 20190104

La présente invention est relative aux systèmes et procédés de gestion de la batterie de secours d'un dispositif d'appel d'urgence. En pratique, pour assurer un appel d'urgence en cas de situation exceptionnelle, notamment dans la circulation automobile, on prévoit un système d'alimentation électrique de secours destiné à être installé dans un véhicule, le système comprenant une batterie de secours, un circuit élévateur de tension, et au moins un appareil utilisateur fournissant un service d'appel de secours, alimenté en temps normal par la batterie principale du véhicule, et exceptionnellement par la batterie de secours au travers du circuit élévateur de tension, en cas d'accident et d'absence d'alimentation via la batterie principale du véhicule par exemple. On note que la batterie de secours présente une tension nominale plus faible que la batterie principale du véhicule. Plus précisément, la tension nominale de la batterie principale du véhicule est généralement d'au moins 12 volts. La tension nominale de la batterie de secours peut être typiquement de 3 V, et plus généralement comprise entre 1,5 V et 9 V. Ainsi il sera nécessaire de faire appel à un circuit élévateur de tension tel que déjà mentionné. Cette batterie de secours est de préférence du type rechargeable. L'état de charge et l'état de santé de cette batterie de secours doit être régulièrement surveillé pour garantir que le jour où il est nécessaire d'avoir recours à cette batterie de secours, cette dernière puisse fournir assez d'énergie pour garantir la possibilité d'effectuer un (ou plusieurs) appel (s) d'urgence, même plusieurs années après la mise en service du véhicule. On trouve un exemple d'une telle batterie de secours et de son utilisation dans le document US 8 812 061. L'état de santé de la batterie de secours est usuellement surveillé au moyen d'un test de décharge, réalisé de manière périodique. La fréquence du test de décharge peut être par exemple d'une fois par mois. Si le test de décharge montre que la batterie de secours a perdu trop de capacité, un message de maintenance requise est affiché ou transmis à destination du conducteur (ou du propriétaire) du véhicule, ceci afin de procéder au remplacement de la batterie de secours par une neuve. Dans les configurations connues, on utilise un circuit de test de décharge spécifique, basé par exemple sur un transistor MOSFET de type P et un circuit de type « source de courant ». Les inventeurs ont toutefois identifié un besoin d'améliorer les configurations 2 connues pour optimiser le coût de la solution. À cet effet, il est proposé ici un système d'alimentation de secours destiné à être installé dans un véhicule, le système comprenant : - une batterie de secours, 5 - un circuit élévateur de tension du type synchrone, - au moins un appareil utilisateur fournissant un service de secours, alimenté en temps normal par la batterie principale du véhicule, et exceptionnellement par la batterie de secours au travers du circuit élévateur de tension. Le circuit élévateur de tension comprend en outre : 10 - une bobine, - un premier transistor, dit de pied, - un deuxième transistor, dit de sortie. Le système d'alimentation est remarquable en ce que le système comprend un circuit de test de décharge de la batterie de secours, dans lequel le premier transistor 15 est utilisé pour tirer du courant depuis la batterie de secours selon un gabarit prédéfini, qui permet, grâce à une mesure simultanée de la tension de la batterie de secours, de déterminer un indice d'état de santé de la batterie de secours. Grâce à un tel système, on utilise le premier transistor à la fois pour la fonction élévation de tension, avec un pilotage alterné des premier et deuxième transistors et pour 20 la fonction du test de décharge, avec un pilotage du premier transistor et avec le deuxième transistor qui reste à l'état bloqué pendant le test de décharge. Les fonctions élévation de tension et test de décharge sont rendues exclusives, ce qui ne pose pas de problème en soi compte tenu du contexte d'utilisation, et le premier transistor est utilisé en commun par les deux fonctions, ce qui permet 25 d'abaisser le coût de revient du système. Dans divers modes de réalisation du système selon l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes. Selon un aspect, le système peut comprendre des moyens de mesure du courant passant dans la bobine et dans le premier transistor, pour l'application du gabarit 30 de courant prédéfini pendant le test de décharge. La mesure de courant permet le suivi et le pilotage du courant selon le gabarit de courant prédéfini, pour un pilotage du premier transistor soit en mode « ON/OFF », soit en mode linéaire. Selon un aspect, le système peut comprendre un circuit coulomb-mètre, pour mesurer la décharge effective pendant le test de décharge, le circuit coulomb-mètre étant 35 agencé aux bornes d'une résistance placée en série avec la bobine. D'où une bonne précision de mesure pour établir l'indice d'état de santé de la batterie de secours. Selon un aspect, le système peut comprendre un troisième moyen de 3 commutation permettant de relier sélectivement le circuit élévateur de tension avec l'appareil utilisateur, notamment en cas de perte de l'alimentation par la batterie principale du véhicule. Le troisième transistor permet d'isoler le sous-système batterie de secours. Le troisième transistor permet aussi de garder sous tension les systèmes utilisateurs et 5 notamment ses mémoires, ce qui est très utile dans les modes d'utilisation dits « mode transport » et « station parking long ». Selon un aspect, pendant le test de décharge, le deuxième transistor et/ou le troisième transistor restent à l'état bloqué. Ainsi, il n'y a pas d'influence externe pendant le test de décharge. 10 Selon un aspect, le premier transistor est un MOSFET canal N. Un MOSFET canal N est une solution plus robuste que le type canal P. Selon un aspect, le premier transistor est piloté en mode linéaire. Ceci forme une source de courant comme dans la méthode « DCR » classique, « DCR » étant l'abréviation anglaise de « Direct Current Rating ». 15 Selon un aspect, le premier transistor est piloté en mode « ON/OFF ». Ceci donne un schéma simple de commande de grille du MOSFET en question. L'invention vise aussi un procédé de test de l'état de santé d'une batterie de secours dans un système d'alimentation de secours destiné à être installé dans un véhicule, le système comprenant : une batterie de secours, un circuit élévateur de tension 20 du type synchrone, au moins un appareil utilisateur fournissant un service de secours, alimenté en temps normal par la batterie principale du véhicule et exceptionnellement par la batterie de secours au travers du circuit élévateur de tension, le circuit élévateur de tension comprenant une bobine, un premier transistor, dit de pied, un deuxième transistor, dit de sortie, le procédé comprenant : 25 - pour la fonction élévation de tension, un pilotage alterné des premier et deuxième transistors, - pour la fonction du test de décharge, un pilotage cyclique du premier transistor ou un pilotage en mode linéaire du premier transistor, avec le deuxième transistor qui reste à l'état bloqué pendant le test de décharge. 30 Selon un aspect, le procédé peut être tel que les premier et deuxième transistors sont utilisés en outre pour la fonction de recharge de la batterie de secours. D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un de ses modes de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. L'invention sera également mieux comprise en regard des dessins joints sur lesquels : - la figure 1 représente un schéma général d'un système d'alimentation de secours destiné à être installé dans un véhicule, pour supporter notamment 4 la fonction appel d'urgence, - la figure 2 montre un diagramme temporel illustrant le basculement vers l'alimentation de secours, avec le processus d'élévation de tension synchrone, 5 - la figure 3 montre un diagramme temporel illustrant le gabarit de courant et la tension pendant le test de décharge, - la figure 4 montre un diagramme temporel illustrant deux exemples de pilotage du premier transistor pendant le test de décharge, - la figure 5 montre une variante du système d'alimentation de secours 10 analogue à celui de la figure 1, - la figure 6 montre une autre variante du système d'alimentation de secours analogue à celui de la figure 1, - la figure 7 montre un diagramme temporel illustrant une variante de réalisation avec un exemple de pilotage du premier transistor pendant la 15 recharge de la batterie de secours. Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. La figure 1 représente schématiquement un système d'alimentation électrique de secours destiné à être installé dans un véhicule automobile, en complément d'une 20 ligne d'alimentation électrique conventionnelle issue de la batterie principale 14 du véhicule. Ce système d'alimentation avec redondance supporte notamment la fonction appel d'urgence, notamment mais non exclusivement, dans le contexte d'un accident de la circulation automobile. 25 Plus précisément, on prévoit en aval de l'alimentation de secours un appareil utilisateur 3 fournissant un service d'appel de secours, alimenté en temps normal par la batterie principale 14 du véhicule, et exceptionnellement par la batterie de secours 1 au travers d'un circuit élévateur de tension 2 qui va être détaillé ci-après. L'appareil utilisateur 3 comprend notamment une interface GSM (ou 30 équivalent) avec carte SIM pour établir une communication vocale et/ou de données avec un serveur d'assistance distant. La batterie de secours 1 est typiquement une batterie Lithium de tension nominale 3 volts. De préférence, il s'agit d'une batterie rechargeable, qui peut recevoir un complément de charge périodiquement de façon transparente s'agissant de la 35 maintenance du véhicule. En particulier on peut choisir une batterie de type Lithium Ferro Phosphate qui présente une autodécharge très faible. 5 La capacité de cette batterie peut être choisie entre 1000 mAh et 2000 mAh. Ce type de batterie de secours 1 est par conséquent petite et légère (si on la compare à une batterie de secours 12V), ce qui est avantageux dans le contexte automobile. 5 Le système élévateur de tension 2 susmentionné comprend une bobine Li, une résistance Ri, un premier transistor Ml, dit de pied, et un deuxième transistor M2, dit de sortie, commandés par une unité de commande 60. On verra que ces éléments sont utilisés pour 2 fonctions Fi, F2 et même une troisième fonction F3 optionnelle. 10 - Fi: fonction élévation de tension. - F2 : fonction test de décharge (test « SOH » pour « State Of Health » en langue anglaise). - F3 : fonction recharge de la batterie de secours. On prévoit un commutateur M3 agencé en aval du circuit élévateur de 15 tension 2. Plus précisément, ce commutateur M3 que l'on peut aussi appeler « switch » ou « moyen de commutation », se présente sous la forme d'un relais ou d'un transistor à effet de champ, ce commutateur M3 étant interposé entre le circuit élévateur de tension 2 et le ou les appareils utilisateurs 3. Le commutateur noté M3 peut être un relais, comme représenté à la figure 1, 20 ou un transistor à effet de champ (« FET » en anglais pour « Field Effect Transistor ») comme représenté aux figures 5 et 6. Le premier transistor M1 est de type canal N. Le deuxième transistor M2 peut être de type canal P ou de type canal N. Pour la fonction élévation de tension Fi, l'unité de commande 60 pilote les 25 premier et deuxième transistors Mi, M2 en alternance comme ceci est illustré à la figure 2, respectivement via les lignes de commande 61, 62 après la perte de l'alimentation F via la batterie principale 14. Pendant le fonctionnement de l'élévateur de tension, que l'on appelle aussi dans le langage technique courant « booster », le commutateur M3 est fermé (c'est-à-dire 30 passant). Quand le premier transistor M1 est passant, un courant est appelé dans la bobine Li ; puis on bloque le premier transistor M1 et on ouvre le deuxième transistor M2 ce qui provoque une sortie de courant vers le condensateur Cl qui sert de réservoir et fournit un effet filtrant. 35 Chaque transition entre le premier transistor M1 et le deuxième transistor M2 permet d'augmenter la charge du condensateur Ci. Le mécanisme de l'élévateur de tension est connu dans l'art et n'est donc pas détaillé plus avant ici. 6 Une ligne de relecture 66 permet le pilotage de la fréquence et du rapport cyclique respectif entre le premier transistor M1 et le deuxième transistor M2. La tension de sortie de l'élévateur, notée VS, doit être comprise entre 6 V et 14V, plus préférentiellement entre 7V et 12 V. 5 Le filtre 13 sur la ligne d'alimentation « normale » comprend une diode qui évite une fuite de la tension de sortie VS vers le réseau général Vbatt. On note que la résistance R1 peut être considérée comme optionnelle au sens de la présente invention. Le ou les appareils utilisateurs, référencés génériquement par le repère 3, 10 peuvent typiquement comprendre des convertisseurs de tension 4 V et 5 V, notés 30, dont les lignes de sortie alimentent différents équipements de communication 36 dont en particulier une liaison hertzienne vocale et/ou de données qui supportent l'appel d'urgence (« E-call »). Par ailleurs, on utilise la tension de sortie 4 V comme source d'alimentation du 15 circuit de recharge de la batterie de secours 1 via un régulateur de charge repéré 8. En effet, en raison de l'autodécharge naturelle et de l'énergie consommée pendant les tests de décharge, il est nécessaire de prévoir une recharge périodique de la batterie de secours 1. Le test de décharge, dans sa version dite « DCR », est illustré en figure 3 : 20 pendant une première phase, on tire un premier niveau de courant ID1 pendant une durée TD1, puis un deuxième niveau de courant 1D2 pendant une durée TD2 - TD1. On pose : AV = V1 - V2, et Al =1D2 - ID1. 25 AV/AI est caractéristique de l'état de santé de la batterie de secours 1. Plus ce ratio est faible, plus la batterie est en bonne santé. Selon un choix parmi d'autres : ID1 = 0,5 A, et 1D2= 1,5 A. 30 Selon un autre ? choix parmi d'autres : TD1 = 3 minutes, et TD2 - TD1 = 4 secondes. Ces données constituent un gabarit de décharge prédéterminé GO; bien entendu, d'autres données peuvent être choisies notamment en fonction du type de 35 batterie de secours. Selon ce type de gabarit, la première phase (de 0 à T1) est une phase de préparation et la deuxième phase (de T1 à 12) est une phase de sollicitation soutenue. 7 La fonction test de décharge F2 permet de déterminer un indice d'état de santé (SOH) de la batterie de secours 1 selon le critère 3.V/3.1 susmentionné. Pour la fonction test de décharge F2, l'unité de commande 60 pilote le premier transistor M1, soit par intermittence (c'est-à-dire en mode « ON/OFF ») comme illustré à 5 la référence 9D en figure 4, soit en mode continu ou linéaire comme illustré à la référence 9A en figure 4. Dans le cas comme illustré par le gabarit réel obtenu, on essaie de se rapprocher au maximum du gabarit de courant théorique. Pendant le test de décharge F2, on note que le deuxième transistor M2 ou le 10 commutateur M3 est bloqué, ou les deux sont bloqués. Selon des variantes représentées aux figures 5 et 6, le système comprend un circuit coulomb-mètre 7. Le circuit coulomb-mètre 7 permet de mesurer la décharge effective pendant le test de décharge. Ceci permet de mesurer plus précisément le cumul de courant qui passe dans la résistance R1 afin de coller au plus près au gabarit du 15 courant théorique. En pratique, le circuit coulomb-mètre est agencé aux bornes de la résistance R1 placée en série avec la bobine L1. Sur la figure 6, est illustrée une variante concernant le procédé de recharge de la batterie de secours 1 ; selon cette configuration, on évite d'utiliser un régulateur 20 spécifique 8 comme précédemment, mais à la place on utilise les premier et deuxième transistors M1, M2, commandés cycliquement alors que le commutateur M3 est passant. Ceci est illustré à la figure 7 ; la fonction recharge de la batterie de secours, notée F3, repose sur l'utilisation des premier et deuxième transistors M1, M2, avec un courant moyen qui circule dans la bobine L1 et la résistance R1 dans le sens opposé au cas de 25 figure de l'élévateur de tension F1. Une commande en boucle fermée via le circuit de relecture 65 permet de recharger la batterie de secours 1 dans un intervalle de tension très étroit, sans risquer d'endommager la batterie de secours 1. Bien entendu, il faut admettre que cette fonction F3 recharge de la batterie de 30 secours est exclusive avec les fonctions élévation de tension F1 et la fonction test de décharge F2. Toutefois, on note aussi que la durée de la phase de recharge S est relativement courte, de l'ordre de quelques minutes, et en pratique la priorité est donnée à la fonction alimentation de secours par l'élévation de tension F1 en cas de besoin (perte de l'alimentation principale et fermeture du commutateur M3). 35 Selon une variante de réalisation, une ligne de relecture 67, agencée en aval de la bobine L1 (cf figure 6), permet d'avoir une image du courant qui passe dans le premier transistor M1 ce qui permet d'affiner le pilotage du test de décharge F2. 8 La tension minimale VSmin est recherchée pour la tension de sortie VS de l'élévateur de tension. On note VSmin = 6,8 V en typique, 6 V en pire cas. Le test de décharge F2 peut être réalisé soit selon la méthode « DCR » (« Direct Current 5 Rating » en langue anglaise), soit selon la méthode « ACR » (« Alternating Current Rating » en langue anglaise), soit selon une méthode par pulses, REVENDICATIONS1. Système d'alimentation de secours destiné à être installé dans un véhicule, le système comprenant : - une batterie de secours (1), - un circuit élévateur de tension (2) du type synchrone, - au moins un appareil utilisateur (3) fournissant un service de secours, alimenté en temps normal par la batterie principale (14) du véhicule, et exceptionnellement par la batterie de secours (1) au travers du circuit élévateur de tension (2), le circuit élévateur de tension (2) comprenant : - une bobine (L1), - un premier transistor (M1), dit de pied, - un deuxième transistor (M2), dit de sortie, caractérisé en ce que le système comprend un circuit de test de décharge de la batterie de secours (1), dans lequel le premier transistor (M1) est utilisé pour tirer du courant depuis la batterie de secours (1) selon un gabarit prédéfini (ID1, ID2), qui permet, grâce à une mesure simultanée de la tension de la batterie de secours (1), de déterminer un indice d'état de santé (SOH) de la batterie de secours (1). 2. Système selon la revendication 1, dans lequel le système comprend des moyens de mesure du courant passant dans la bobine (L1) et le premier transistor (M1), pour l'application du gabarit de courant prédéfini pendant le test de décharge. 3. Système selon la revendication 1, dans lequel le système comprend un circuit coulomb-mètre (7), pour mesurer la décharge effective pendant le test de décharge, le circuit coulomb-mètre (7) étant agencé aux bornes d'une résistance (R-1) placée en série avec la bobine (L1). 4. Système selon la revendication 1, dans lequel le système comprend un troisième moyen de commutation (M3), permettant de relier sélectivement le circuit élévateur de tension (2) avec l'appareil utilisateur (3) notamment en cas de perte de l'alimentation par la batterie principale (14) du véhicule. 5. Système selon la revendication 4, dans lequel pendant le test de décharge, le deuxième transistor (M2) et/ou le troisième moyen de commutation (M3) restent à l'état 30 bloqué. 6. Système selon la revendication 1, dans lequel le premier transistor (M1) est 10 un MOSFET canal N. 7. Système selon la revendication 1, dans lequel le premier transistor (M1) est piloté en mode linéaire. 8. Système selon la revendication 1, dans lequel le premier transistor (M1) est 5 piloté en mode « ON/OFF ». 9. Procédé de test de l'état de santé (SOH) d'une batterie de secours dans un système d'alimentation de secours destiné à être installé dans un véhicule, le système comprenant : une batterie de secours (1), un circuit élévateur de tension (2) du type synchrone, au moins un appareil utilisateur (3) fournissant un service de secours, 10 alimenté en temps normal par la batterie principale (14) du véhicule, et exceptionnellement par la batterie de secours (1) au travers du circuit élévateur de tension (2), - le circuit élévateur de tension (2) comprenant une bobine (L1), un premier transistor (M1), dit de pied, un deuxième transistor (M2), dit de sortie, 15 - le procédé comprenant : - pour la fonction élévation de tension, un pilotage alterné des premier et deuxième transistors (M1, M2) - pour la fonction du test de décharge, un pilotage cyclique du premier transistor (M1) ou un pilotage en mode linéaire du premier 20 transistor (M1), avec le deuxième transistor (M2) qui reste à l'état bloqué pendant le test de décharge. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel les premier et deuxième transistors (M1, M2) sont utilisés en outre pour la fonction de recharge de la batterie de secours (1).