FR2802723A1

FR2802723A1 - Dispositif d'alimentation electrique a plusieurs niveaux de tension continue de sortie a base de batteries connectees en serie

Info

Publication number: FR2802723A1
Application number: FR9916193A
Authority: FR
Inventors: Alain Vezinet
Original assignee: Systemes Et Conversion Ind D E
Current assignee: Systemes Et Conversion Ind D E
Priority date: 1999-12-21
Filing date: 1999-12-21
Publication date: 2001-06-22

Abstract

L'invention concerne un dispositif d'alimentation électrique comportant plusieurs niveaux de tension continue de sortie (7, 8) à partir de plusieurs batteries d'accumulateurs (1, 2) connectées en série. Lesdites batteries sont chargées par une tension externe de niveau identique à la plus haute tension des batteries ainsi connectées. Ladite tension externe provenant par exemple d'un alternateur (3). On utilise un convertisseur continu-continu (4) de façon à obtenir un courant de charge (Ich1 , Ich2 ) identique dans toutes les batteries et un courant de décharge également identique dans toutes les batteries.

Description

Dispositif d'alimentation électriqueà plusieurs niveaux de tension continue de sortieà base de batteries connectées en série. La présente invention a pour objet un dispositif d'alimentation électrique comportant plusieurs niveaux de tension continue de sortieà partir de plusieurs batteries d'accumulateurs connectées en série, lesdites batteries pouvant être chargées par une tension externe de niveau identiqueà la somme des tensions de l'ensemble des batteries d'accumulateurs connectées en série.

L'invention trouve une application particulièrement interessante dans le domaine de l'automobile, dans le cadre d'alimentationà plusieurs niveaux tels que par exemple 24V/12V à partir de plusieurs batteries de 12V disposées série et connectéesà un alternateur. En effet, dans la perspective de conception de nouveaux équipements automobiles fonctionnant avec du 24V ou36V, il est nécessaire de disposer un système d'alimentationà base de batteries capable de fournir aussi bien du 12V et du 24V, ou du 12V et du36V par exemple.

On connaît des dispositifs antérieurs d'alimentation en tension continueà plusieurs niveaux dans lesquels utilise un régulateur de type Buck-Boost . Un tel régulateur comprend par exemple deux batteries de douze volts chacune disposées en série, une capacité en parallèle série composée desdites deux batteries, un système de commande integrant deux transistors et une inductance, et une batterie de douze volts en parallèle d'une capacité. La fonction Buck permet d'abaisser la tension de vingt quatre volts pour une alimentation en douze volts, et la fonction Boost permet d'augmenter la tension de douze volts pour une alimentation en vingt quatre volts. les dispositifsà base de régulateur de type Buck- Boost nécessitent un système de commande des transistors assez complexe. En outre le courant efficace demandé aussi bien en entrée qu'en sortie de tels dispositifs est suffisamment important pour que les capacités intégrées soient de grande valeur, donc coûteuses. Par ailleurs la dynamique des courants traversant les inductances est telle que l'on utilise des inductances à entrefer, un composant coûteux et lourd.

La présente invention viseà remédier aux inconvénients précités en proposant un dispositif simpleà mettre en ceuvre. Un autre objet de la présente invention est de réaliser un dispositif d'alimentation dans lequel le courant de charge est identique dans toutes les batteries et le courant de décharge est également identique dans toutes les batteries.

L'invention a également pour objet un dispositif d'alimentation peu coûteux et de grande robustesse.

invention propose donc un dispositif d'alimentation électrique comportant plusieurs niveaux de tension continue sortieà partir de plusieurs batteries d'accumulateurs connectées en série, lesdites batteries pouvant être chargées par tension externe de niveau identiqueà la somme tensions de l'ensemble des batteries d'accumulateurs connectées en série. Selon l'invention, ce dispositif d'alimentation électrique comprend en outre, pour une tension de sortie prédéterminée, un convertisseur continu-continu. D'une part, la sortie dudit convertisseur est connectée en parallèled' premier bloc de batteries pris dans l'ensemble des batteries ledit premier bloc étant reliéà la masse et totalisant une tension sensiblement égaleà ladite tension de sortie prédéterminée. D'autre part l'entrée dudit convertisseur est connectée en parallèle du second bloc de batteries restant, ce convertisseur étant commandé de façonà obtenir un courant de charge identique dans toutes les batteries et un courant décharge identique dans toutes les batteries.

En d'autres termes, pour une tension de sortie prédéterminée, on sépare l'ensemble des batteries en deux blocs. Un premier bloc inférieur reliéà la masse et dont tension totale est égaleà la tension prédéterminée. Un second bloc connecté au premier bloc età la tension externe de charge. Puis on branche la sortie et l'entrée du convertisseur continu-continu en parallèle respectivement du premier bloc et du second bloc.

Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le convertisseur continu-continu est de type push-pull. La caracteristique push-pull permet d'améliorer la robustesse du dispositif. Avec un tel convertisseur, l'isolation galvanique est naturellement assurée du fait de la présence inhérente un transformateur au sein d'une structure push-pull.

push-pull est idéalement optimisé par les connexions spécifiques de l'entrée et de la sortie du convertisseur continu-continu, en fait la sortie du convertisseur continu- continu est l'image du second bloc de batterie. Avec un push- pull ainsi optimisé, les capacités utilisées coûtent nettement moins chères que celles utilisées dans un régulateur de type Buck-Boost car elles fournissent entre cinq et dix fois moins courant.

Avantageusement, le convertisseur continu-continu peut injecter au point de connexion des deux blocs de batteries un courant dont la valeur absolue est sensiblement identiqueà celle courant partant dudit point de connexion vers un connecteur délivrant ladite tension de sortie prédéterminée. De préférence, le courant de sortie du convertisseur continu- continu est injecté dans ledit connecteur délivrant la tension de sortie prédéterminée.

Ainsi, une partie de la puissance utile au niveau du connecteur de la tension de sortie prédéterminée provient du convertisseur continu-continu, et l'autre partie provient dudit point de connexion.

Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, le convertisseur continu-continu comprend un circuit de commande de l'étage push-pull. La commande du dispositif d'alimentation se résume pratiquementà la commande un système push-pull, une commande plus simpleà mettre en #uvre que la commande d'un système de type Buck-Boost . Selon l'invention, la commande de l'étage push-pull effectueà partir des mesures du courant' 'ecté dans le point de connexion et du courant partant dudit point de connexion vers le connecteur de la tension prédéterminée.

Dans une variante avantageuse de l'invention, la commande l'étage push-pull peut s'effectuerà partir de la mesure d'un courant nul sur une branche commune au courant injecté dans le point de connexion et au courant partant dudit point de connexion vers le connecteur de la tension prédeterminée.

D'autres avantages et caractéristiques l'invention apparaîtrontà l'examen de la description détaillée d'un mode mise en ceuvre nullement limitatif, et des dessins annexés lesquels: - la figure1 est un schéma synoptique un dispositif, selon l'invention, dont les tensions d'alimentations sont 24V et 12 V; - la figure 2 est un schéma électronique détaillant le convertisseur continu-continu selon l'invention; - la figure3 est un schéma électronique d'un circuit de commande disposé dans le convertisseur continu-continu selon l'invention; - la figure 4a est une variante du dispositif illustré sur la figure1 dans laquelle la mesure de deux courants est réduità la mesure d'un courant nul; - la figure 4b est un schéma électronique un circuit de commande conformémentà la variante illustrée sur la figure 4a; et - la figure5 est un schéma synoptique un dispositif, selon l'invention, dont les tensions d'alimentation sont36V et 12V.

Bien que l'invention n'y soit pas limitée, on va maintenant décrire un dispositif d'alimentation en tension continue de 24V et 12Và partir de deux batteries disposées en série et connectéesà un alternateur d'une automobile.

Une vue d'ensemble du dispositif selon1 invention est représentée sur la figure1. L'ensemble du dispositif est intégré dans une automobile. On distingue deux batteries1 et 2 de douze volts chacune connectées en série au pointA. La plus haute tension disponible au pointC qui est la borne positive de la batterie1 non reliéeà la masse M. Ladite plus haute tension correspond dans ce casà vingt quatre volts, la somme des deux batteries, et elle est disponible par le connecteur8. connecteur7 relié au pointA permet une alimentation en douze volts.

Un convertisseur continu-continu 4 est disposé entre le pointA et le point B situé sur la branche reliant le pointA au connecteur alimentation de douze volts. Une résistance shunt5 est disposée sur la branche reliant le pointA au convertisseur continu-continu. Une seconde résistance shunt6 est disposée entreA et B sur la branche reliant le pointA au connecteur7. deux résistances5 et6 sont de faible valeur, typiquement quelques milli-chms, et serventà mesurer les courants passant dans les branches respectives.

Par ailleurs, les deux batteries1 et 2 sont connectées au pointC à alternateur3 symbolisé par une source de courant. L'alternateur3 permet de charger les deux batteries1 et 2.

Pour une alimentation de vingt quatre volts, on se branche au connecteur8 qui délivre une tension de vingt quatre volts provenant soit directement de l'alternateur3 si ce dernier est actif soit des deux batteries1 et 2 connectées en série si l'alternateur3 n'est pas actif. Pour une alimentation de douze volts, seule la tension d'une batterie est suffisante. on se branche alors au connecteur7 qui est relié au pointA, point milieu deux batteries et correspondantà une tension de douze volts. l'absence du convertisseur continu-continu 4, seule la batterie 2 se déchargerait. Le convertisseur continu-continu 4 va donc intervenir pour qu'un même courant de décharge circule dans les deux batteries1 et 2 afin d'éviter un déséquilibre, c'est-à-dire qu'une batterie s'use plus rapidement que l'autre car trop sollicitée.

Lorsque l'alternateur3 charge les deux batteries1 et 2, le courant traversant la batterie1 du pointC vers le pointA est plus grand que le courant traversant la batterie 2 du point A vers la masse M puisqu'une partie du courant C-A est déviee par branche A-B pour une alimentation de douze volts connecteur7. Le convertisseur continu-continu 4 va donc intervenir ici pour que le courant de charge traversant la batterie1 soit identique au courant de charge traversant batterie 2. En d'autres termes, le convertisseur continu continu intervient pour que le courant de charge I.#1 égale le courant de charge Ich2, et que le courant utile 16 égale le courant injecté I...

rapportà un régulateur de type Buck-Boost , on n'utilise ici que deux batteries au lieu de trois. L'intervention du convertisseur continu-continu 4 dans dispositif selon l'invention va être mieux explicitée en référant plus particulièrementà la figure 2.

La figure 2 illustre plus en détail le convertisseur continu-continu 4. Ledit convertisseur continu-continu comporte principalement3 blocs. Le premier bloc9 est un filtre passe bas permettant d'alimenter les autres blocs du convertisseur continu-continu 4 en un courant continu stable prélevé au pointC. La stabilisation dudit courant continu stable est principalement réalisée par les inductances 27 et et capacités29 et30. Le second bloc10 concerne un étage push pull comportant un transformateur de type push-pull commandéà l'aide de deux transistors de type N-MOS. Lesdits transistors sont pilotés par le troisième bloc composé d' circuit de commande 24.

Une partie du courant délivré par le bloc9 pénètre dans le transformateur de type push-pull par les branches11 et Le transformateur de type push-pull comprend quatre inductances 13, 14 en primaire et17, 18 en secondaire. Suivant l'état des transistors15 et16, le courant passe, soit par l'inductance 13 si le transistor15 est passant et le transistor16 bloqué, soit par l'inductance 14 si le transistor16 est passant et le transistor15 bloqué. De même le courant induit dans le secondaire passe respectivement soit par l'inductance17 et la diode19, soit par l'inductance18 et la diode 20. Dans tous les cas, le courant induit est injecté au point B vers le connecteur7. Le courant passant dans le primaire (inductances 17 et 18) se retrouveà travers une résistance shunt23 qui alimente le bloc9 par la branche31 de façonà être filtre par les inductances 25 et26 et les capacités29 et30. Ensuite ledit courant passant dans le primaire est injecté au pointA à travers la résistance5.

invention est remarquable dans le sens que courant injecté au pointA par le convertisseur continu-continu 4 est identique, en valeur absolue, au courant sortant du pointA et dirigé vers le connecteur7 de douze volts. Ainsi les courants Ichl Ich2 sont identiques.

Le circuit de commande 24 contrôle le transformateur de type push-pull en pilotant les transistors15 et16 fonction de mesures de courant effectuées au niveau des résistances5, 6 et23.

Dans le dispositif illustré sur les figures et 2, le courant entrant dans le convertisseur continu-continu par le pointC et les courants injectés dans les pointsA et B sont identiques. Au niveau du connecteur7 de douze volts, le convertisseur continu-continu délivre sensiblement la moitié de la puissance utile. Si l'on considère que le rendement du convertisseur continu-continu est de95%, on obtient un rendement global du système en utilisation douze volts (abaisseur), c'est-à-dire puissance utile par rapportà la puissance absorbée de 97,5%.

figure3 montre en détail le schéma électronique d'un circuit de commande 24 selon l'invention. Ledit circuit de commande 24 comprend principalement trois amplificateurs opérationnels32, 33 et 34 disposés en comparateur et destinés à la mesure des courantsà l'aide des résistances5 et6. Le circuit de commande comprend également un circuit intégré35 pour traiter les mesures de courant provenant des résistances 5, 6 23 afin de piloter les transistors15 et16. Les amplificateurs32 et33 sont de type LM358. L'amplificateur 34 est du type LM393, et le circuit intégré35 est du type UC3526. Une variante avantageuse du dispositif décrit ci-dessus est illustrée sur la figure 4a. On remarque la disparition des résistances de mesure5 et6. Les branches qui contenaient résistances5 et6 comportent dans la figure 4a une partie commune56. En fait, dans cette variante, au lieu d'effectuer deux mesures de courant I. et 16, on mesure le courant 156 traversant la partie56, et le circuit de commande 24 implémenté de façonà annuler ce courant 156. Ainsi lorsque le dispositif est actif, le courant 1.-6 est nul. La partie56 comprend par exemple un système de mesure tel qu'illustré sur la figure 4a, c'est-à-dire deux diodes schottky D5 etD6 en têtes bêches et en parallèles d'une résistance57. Les diodes schottky permettent d'effectuer la mesure du courant nul 156. Un exemple d'implémentation du circuit de commande est illustré sur la figure 4b dans laquelle on distingue un schéma simplifié par rapportà celui de la figure3. Le circuit de commande 24 comporte un seul amplificateur32 relié au circuit intégré35.

Une variante de la présente invention concerne une alimentation en tension continueà trente six volts et douze volts dont un schéma synoptique est illustré sur la figure on retrouve les mêmes éléments que ceux illustrés sur la figure 1, mais avec deux batteries36 et37 de douze voltsà la place de la précédente batterie1. Les tensions continues de sortie sont trente six volts au connecteur8 et douze volts connecteur7. Au niveau du connecteur7 de douze volts, convertisseur continu-continu délivre, dans ce cas, les deux tiers de la puissance utile.

présente invention propose donc un dispositif d'alimentation en plusieurs tensions continues avec rendement global en abaisseur élevé. En outre le dispositif est peu couteux du fait que l'on utilise un transformateur de type push-pull de puissance en entrée et en sortie de douze volts. Le dispositif selon l'invention permet également une alimentation en douze volts même dans le casoù le convertisseur continu-continu serait hors d'usage.

Bien sûr, la présente invention n'est pas 'Limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. Ainsi on pourra par exemple envisager un circuit de commande différent commandant d'autres types de transistors que transistors N-MOS. Par ailleurs, le nombre de batteries en série n'est pas intrinsèquement limitéà deux ou trois comme dans les exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, mais peut être modulé selon les besoins techniques a satisfaire en matière de translation de niveaux de tension continue. On peut aussi prévoir un dispositif d'alimentation selon l'invention comprenant autant de convertisseurs continu-continu que de niveaux intermédiaires de tension continue proposésà partir d'une tension continue haute.

Claims

REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alimentation électrique comportant plusieurs niveaux de tension continue de sortie(7, 8) à partir de plusieurs batteries d'accumulateurs(1, 2) connectées en série lesdites batteries pouvant être chargées par une tension externe(3) de niveau sensiblement identiqueà la somme tensions de ensemble des batteries d'accumulateurs connectées en série, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, pour une tension de sortie prédéterminée(7), un convertisseur continu- continu (4) dont, d'une part, la sortie (B, M) est connectée en parallèle un premier bloc de batteries (2) pris dans l'ensemble des batteries, reliéà la masse (M) et totalisant une tension sensiblement égaleà ladite tension de sortie prédéterminée(7), et d'autre part l'entrée(A, C) est connectée en parallèle du second bloc de batteries restant, ce convertisseur continu-continu étant commandé de façonà obtenir un courant de charge (I,hl, I,h2 ) identique dans toutes les batteries et un courant de décharge identique dans toutes les batteries. 2. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le convertisseur continu-continu est de type push-pull. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le convertisseur continu-continu injecte au point de connexion(A) des deux blocs de batteries un courant (15) dont la valeur absolue est sensiblement identique à celle du courant (16) partant dudit point de connexion vers un connecteur(7) délivrant ladite tension de sortie prédéterminée, et en ce que le courant de sortie du convertisseur continu-continu est injecté dans ledit connecteur délivrant la tension de sortie prédéterminée. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le convertisseur continu- continu comprend un circuit de commande (24) de l'étage push- pull. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la commande de l'étage push-pull s'effectueà partir des mesures du courant (15) injecté dans le point de connexion(A) et du courant (16) partant dudit point de connexion vers le connecteur(7) de la tension prédéterminée. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la commande de l'étage push-pull s'effectueà partir de la mesure d'un courant nul 156) sur une branche commune au courant injecté dans le point de connexion(A) et au courant partant dudit point de connexion vers le connecteur de la tension prédéterminée. 7. Dispositif selon la revendication6, caractérisé en ce que la mesure dudit courant nul (156) s'effectueà l'aide d'une diode schottky.