FR2785736A1 - Battery circuit for telephone systems, has controlled switch circuit to provide continuously variable output voltage from battery pack - Google Patents
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Abstract
Description
BATTERIE SYNTHETISEE
La présente invention concerne une batterie synthétisée, destinée à délivrer entre deux bornes de sortie une tension continue variable.SYNTHETIZED BATTERY
The present invention relates to a synthesized battery, intended to deliver between two output terminals a variable DC voltage.
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des téléphones publics, et, plus généralement, à tous les équipements portables utilisant des packs de batteries NiCd ou d'hydrures métalliques de nickel, ainsi que les équipements de faible puissance alimentés par le secteur et possédant une batterie de secours. The invention finds a particularly advantageous application in the field of public telephones, and, more generally, to all portable equipment using NiCd battery packs or nickel metal hydrides, as well as low power equipment powered by the sector. and having a backup battery.
Actuellement, les appareils de téléphonie publique nécessitent, suivant le modèle et les gabarits de boucles de courant spécifiés dans chaque pays, l'utilisation de packs de batteries NiCd dont le nombre d'éléments est variable et peut aller de 4 à 10. Le coût de ces packs intervient de façon significative dans le prix du produit, alors que la réserve d'énergie disponible, liée à la taille minimum de l'élément constitutif de base, est souvent surdimensionnée pour l'utilisation qui en est faite, notamment pour les tensions élevées. Currently, public telephones require, depending on the model and the size of the current loops specified in each country, the use of NiCd battery packs, the number of cells of which is variable and can range from 4 to 10. The cost of these packs plays a significant role in the price of the product, while the available energy reserve, linked to the minimum size of the basic constituent element, is often oversized for the use made of it, in particular for high voltages.
Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer une batterie synthétisée, destinée à délivrer entre deux bornes de sortie une tension continue variable, qui permettrait de réduire le nombre d'éléments des packs de batterie tout en permettant de couvrir la totalité des cas avec un système de batterie universelle. Also, the technical problem to be solved by the object of the present invention is to provide a synthesized battery, intended to deliver between two output terminals a variable DC voltage, which would reduce the number of elements of the battery packs while allowing to cover all the cases with a universal battery system.
La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ladite batterie synthétisée est constituée par un dipôle réversible en charge/décharge comprenant, disposées en parallèle sur lesdites bornes de sortie, une batterie et une inductance de stockage dont une borne est reliée au ple positif de la batterie, une autre borne de ladite inductance de stockage étant reliée, d'une part, à une première borne de sortie par un premier interrupteur, et, d'autre part, au ple négatif de la batterie et à une deuxième borne de sortie par un deuxième interrupteur, lesdits interrupteurs étant commandés de manière complémentaire à une fréquence et un rapport cyclique donné. The solution to the technical problem posed consists, according to the present invention, in that said synthesized battery is constituted by a reversible charge / discharge dipole comprising, arranged in parallel on said output terminals, a battery and a storage reactor including a terminal is connected to the positive pole of the battery, another terminal of said storage reactor being connected, on the one hand, to a first output terminal by a first switch, and, on the other hand, to the negative pole of the battery and to a second output terminal by a second switch, said switches being controlled in a complementary manner at a given frequency and a given duty cycle.
Ainsi, comme on le verra en détail plus loin, la batterie synthétisée conforme à l'invention permet, à partir d'un nombre réduit d'éléments de batterie de tension totale Vbatt, de réaliser un dipôle équivalent à une batterie de tension kVbattt (k > = 1) et dont la tension est ajustable linéairement et programmable. La batterie synthétisée ainsi obtenue se comporte électriquement comme une batterie réelle, permettant la charge et la décharge sous la tension kVbatt, le coefficient k étant fonction dudit rapport cyclique. Thus, as will be seen in detail below, the synthesized battery according to the invention makes it possible, from a reduced number of battery cells of total voltage Vbatt, to produce a dipole equivalent to a battery of voltage kVbattt ( k> = 1) and whose voltage is linearly adjustable and programmable. The synthesized battery thus obtained behaves electrically like a real battery, allowing charging and discharging under the voltage kVbatt, the coefficient k being a function of said duty cycle.
La batterie synthétisée, objet de l'invention, présente un certain nombre d'avantages :
-il est possible, malgré la réduction du nombre d'éléments de batterie, d'obtenir des tensions élevées ;
-la tension obtenue n'est plus égale à un multiple de la tension d'un élément constitutif de base d'un pack de batterie, mais varie continument ;
-la tension de la batterie synthétisée peut tre ajustée en dynamique de manière à atteindre à tout moment le maximum de puissance disponible délivrée par le système fournisseur d'énergie. La quantité d'énergie stockable n'est plus fixée exclusivement par le courant fourni par la source d'énergie, mais au produit du courant disponible par la tension de charge programmée ;
-par un asservissement simple de la commande, la tension obtenue peut tre rendue indépendante de la variation de tension liée au niveau de charge des éléments (usuellement de 8 à 15 %). Elle peut ainsi tre parfaitement réglée et se comporter comme un régulateur shunt. Le rendement d'un système électronique utilisant traditionnellement une batterie-tampon et une régulation-série peut tre notoirement amélioré par l'utilisation d'une batterie synthétisée conforme à l'invention
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut tre réalisée.The synthesized battery, object of the invention, has a certain number of advantages:
it is possible, despite the reduction in the number of battery cells, to obtain high voltages;
-the voltage obtained is no longer equal to a multiple of the voltage of a basic component of a battery pack, but varies continuously;
the voltage of the synthesized battery can be dynamically adjusted so as to reach the maximum available power delivered by the energy supply system at any time. The quantity of storable energy is no longer fixed exclusively by the current supplied by the energy source, but to the product of the current available by the programmed charge voltage;
by a simple control of the control, the voltage obtained can be made independent of the voltage variation linked to the charge level of the elements (usually from 8 to 15%). It can thus be perfectly adjusted and behave like a shunt regulator. The efficiency of an electronic system traditionally using a buffer battery and a series regulation can be markedly improved by the use of a synthesized battery in accordance with the invention
The description which follows with reference to the appended drawings, given by way of nonlimiting examples, will make it clear what the invention consists of and how it can be implemented.
La figure 1 est un schéma de principe d'une batterie synthétisée, selon l'invention. Figure 1 is a block diagram of a synthesized battery according to the invention.
La figure 2 est un schéma d'un mode de réalisation de la batterie synthétisée de la figure 1. FIG. 2 is a diagram of an embodiment of the synthesized battery of FIG. 1.
La figure 3 est un chronogramme montrant le signal de commande, la tension au point commun des interrupteurs, la tension de la batterie et la tension de sortie de la batterie synthétisée de la figure 2. FIG. 3 is a timing diagram showing the control signal, the voltage at the common point of the switches, the battery voltage and the output voltage of the synthesized battery of FIG. 2.
Le schéma de principe de la figure 1 représente une batterie synthétisée, destinée à délivrer entre deux bornes 1,2 de sortie une tension Vout continue variable. Cette batterie synthétisée comprend une batterie réelle B, formée de 1 à n éléments, en série avec une inductance L de stockage, l'ensemble de la batterie B et de l'inductance
L étant disposé en parallèle sur lesdites bornes 1,2 de sortie. Une borne 3 de l'inductance L de stockage est reliée au ple positif de la batterie B, tandis qu'une autre borne 4 de l'inductance L est reliée, d'une part, à une première borne 1 de sortie par un premier interrupteur S 1, et, d'autre part, au ple négatif de la batterie B et à une deuxième borne 2 de sortie par un deuxième interrupteur S2. Les deux interrupteurs S1,
S2 sont pilotés par les commandes C 1, C2 respectivement, de manière à assurer un découpage complémentaire à une fréquence donnée f, 48 kHz par exemple.The block diagram of FIG. 1 represents a synthesized battery, intended to deliver between two output terminals 1,2 a variable continuous voltage Vout. This synthesized battery comprises a real battery B, formed from 1 to n elements, in series with a storage inductor L, all of the battery B and the inductor
L being arranged in parallel on said output terminals 1,2. A terminal 3 of the storage inductor L is connected to the positive pole of the battery B, while another terminal 4 of the inductor L is connected, on the one hand, to a first output terminal 1 by a first switch S 1, and, on the other hand, to the negative ple of battery B and to a second output terminal 2 by a second switch S2. The two switches S1,
S2 are controlled by the commands C 1, C2 respectively, so as to provide a complementary chopping at a given frequency f, 48 kHz for example.
Le système de batterie synthétisée illustre à la figure 1 permet en fait d'obtenir un dipôle entièrement réversible qui peut tre à la fois élévateur ou abaisseur de tension en fonction du sens du courant circulant dans la batterie réelle B, la borne 2 de sortie, étant toujours à un potentiel au moins égal à Vbatt. La tension continue Vout de sortie entre les bornes 1 et 2 de sortie de la batterie synthétisée est exclusivement fonction de la tension Vbatt de la batterie B et du rapport cyclique p de la commande C2 :
Vout = Vbatt/p
La tension Vout de sortie peut donc tre ajustée de manière continue en fixant la rapport cyclique p. La batterie synthétisée ainsi formée permet de fournir du courant ou en absorber sous une tension programmée par le rapport cyclique.The synthesized battery system illustrated in FIG. 1 in fact makes it possible to obtain a fully reversible dipole which can be both step-up or step-down depending on the direction of the current flowing in the real battery B, the output terminal 2, always being at a potential at least equal to Vbatt. The output voltage Vout between the output terminals 1 and 2 of the synthesized battery is exclusively a function of the voltage Vbatt of the battery B and the duty cycle p of the command C2:
Vout = Vbatt / p
The output voltage Vout can therefore be adjusted continuously by setting the duty cycle p. The synthesized battery thus formed makes it possible to supply current or to absorb it under a voltage programmed by the duty cycle.
On notera également que le montage de la figure 1 assure une conversion de puissance suivant la loi :
Vout x Iout = Vbatt x Ibatt
Enfin, on notera la présence d'un condensateur C de lissage destiné à filtrer la fréquence f de découpage. Pour une fréquence de 48khz, la capacité du condensateur C doit tre au moins de 10 pF. It will also be noted that the assembly of FIG. 1 ensures a power conversion according to the law:
Vout x Iout = Vbatt x Ibatt
Finally, note the presence of a smoothing capacitor C intended to filter the cutting frequency f. For a frequency of 48khz, the capacitance of the capacitor C must be at least 10 pF.
La figure 2 montre un mode de réalisation particulier du circuit de batterie synthétisée de la figure 1. On notera que les premier S 1 et deuxième S2 interrupteurs sont constitués par des transistors TRI,
TR2, à effet de champ, notamment de type MOSFET. Plus spécialement, lesdits transistors à effet de champ ont des polarités (P, N) opposées, ce qui permet d'obtenir l'équivalent d'une commande complémentaire à partir d'une commande unique représentée sur la figure 2 par le générateur G fonctionnant à une fréquence f de 48 kHz par exemple.FIG. 2 shows a particular embodiment of the synthesized battery circuit of FIG. 1. It will be noted that the first S 1 and second S2 switches are constituted by TRI transistors,
TR2, field effect, in particular of the MOSFET type. More specifically, said field effect transistors have opposite polarities (P, N), which makes it possible to obtain the equivalent of a complementary command from a single command represented in FIG. 2 by the generator G operating at a frequency f of 48 kHz for example.
Cependant, afin d'éviter la conduction simultanée des deux transistors
MOSFET, il est prévu d'introduire un léger retard entre les deux commandes Cl et C2. Ceci est réalisé au moyen de réseaux R1, D1,
Cpl et R2, D2, Cp2 où Cpl et Cp2 sont les capacités parasites grillesource des transistors TR1, TR2.However, in order to avoid the simultaneous conduction of the two transistors
MOSFET, it is planned to introduce a slight delay between the two commands Cl and C2. This is achieved by means of networks R1, D1,
Cpl and R2, D2, Cp2 where Cpl and Cp2 are the gatesource parasitic capacities of the transistors TR1, TR2.
Sur la figure 3, on a représenté un chronogramme sur lequel Sc est le signal de commande des deux transistors TR1, TR2, fourni par le générateur G à la fréquence de 48 kHz. La tension V12 est la tension des drains des transistors TR1, TR2 à la borne 4 du schéma de la figure 2. In Figure 3, there is shown a timing diagram on which Sc is the control signal of the two transistors TR1, TR2, supplied by the generator G at the frequency of 48 kHz. The voltage V12 is the voltage of the drains of the transistors TR1, TR2 at terminal 4 of the diagram in FIG. 2.
On voit qu'au point bas du signal Sc de commande le transistor TR2 est bloqué tandis que le transistor TR1 conduit, la tension V12 étant alors égale à Vout. Inversement, au point bas de Sc, le transistor TR2 conduit, amenant la tension Vis à celle de la masse. Dans 1'exemple de la figure 3, la tension Vout continue de sortie vaut Vbatt/0,475,0,475 étant le rapport cyclique de la commande du transistor TR2.We see that at the low point of the control signal Sc the transistor TR2 is blocked while the transistor TR1 conducts, the voltage V12 then being equal to Vout. Conversely, at the low point of Sc, the transistor TR2 conducts, bringing the voltage Vis to that of the ground. In the example of FIG. 3, the continuous output voltage Vout is equal to Vbatt / 0.475,0.475 being the duty cycle of the control of transistor TR2.
Pour un rapport cyclique p donné, la batterie synthétisée des figures 1 et 2 présente, comme pour une batterie réelle :
-une variation de la tension Vout de sortie liée au niveau de charge de la batterie B (variation de Vbatt) ;
-une variation de la tension Vout de sortie liée à la résistance interne équivalente du montage en fonction du courant tout fourni ou absorbé.For a given duty cycle p, the battery synthesized in Figures 1 and 2 presents, as for a real battery:
a variation of the output voltage Vout linked to the charge level of the battery B (variation of Vbatt);
-a variation in the output voltage Vout linked to the equivalent internal resistance of the assembly as a function of the current all supplied or absorbed.
La résistance interne de la batterie ainsi synthétisée est directement liée à la résistance interne de la batterie réelle B, mais le choix des transistors MOSFET, TR1, TR2, par leur résistance Rdson, et le choix de l'inductance L de stockage sont les facteurs les plus significatifs influant sur la résistance interne du montage. Les composants actuellement disponibles sur le marché permettent d'obtenir une résistance interne de la batterie synthétisée de l'ordre de 3Q, à peine plus élevée que son équivalent en éléments réels. Celle-ci augmente quand le rapport cyclique p diminue. The internal resistance of the battery thus synthesized is directly linked to the internal resistance of the real battery B, but the choice of the MOSFET transistors, TR1, TR2, by their Rdson resistance, and the choice of the storage inductance L are the factors. the most significant ones affecting the internal resistance of the assembly. The components currently available on the market make it possible to obtain an internal resistance of the synthesized battery of the order of 3Q, barely higher than its equivalent in real elements. This increases when the duty cycle p decreases.
En pratique, le circuit proposé pour réaliser une batterie synthétisée présente des performances satisfaisantes sur une plage de rapport cyclique p allant environ de 0,9 à 0,2. Ceci permet de couvrir une plage de tension Vout de sortie allant de 4,5 à 15V à partir d'un pack de 3 éléments NiCd délivrant une tension nominale Vbatt de 3,6V. In practice, the circuit proposed for producing a synthesized battery has satisfactory performance over a duty cycle range p ranging from approximately 0.9 to 0.2. This makes it possible to cover an output voltage Vout range from 4.5 to 15V from a pack of 3 NiCd elements delivering a nominal voltage Vbatt of 3.6V.
Bien entendu, pour réduire les variations de tension, un asservissement de Vout agissant sur la commande est facilement réalisable. Of course, to reduce voltage variations, a Vout control acting on the control is easily achievable.
Les rendements atteints par le montage des figures 1 et 2 peuvent dépasser 90 %, incluant l'auto-alimentation par la batterie de l'électronique de commande. The yields achieved by the assembly of Figures 1 and 2 can exceed 90%, including self-supply by the battery of the control electronics.
Le choix d'une fréquence f de découpage basse, 48 kHz, et l'utilisation d'une inductance L de forte valeur, 1 à 5 mH, permettent d'obtenir ce rendement, mme pour des valeurs de courant Ibatt dans la batterie réelle B de 10 mA. The choice of a low switching frequency f, 48 kHz, and the use of a high value inductance L, 1 to 5 mH, make it possible to obtain this efficiency, even for Ibatt current values in the real battery. B of 10 mA.
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|---|---|---|---|---|
| EP1258977A2 (en) * | 2001-05-18 | 2002-11-20 | General Electric Company | Self-oscillating synchronous boost converter |
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| EP0257404A2 (en) * | 1986-08-28 | 1988-03-02 | International Business Machines Corporation | Power conversion with reduced switching loss |
| DE29605699U1 (en) * | 1996-03-27 | 1996-08-01 | Siemens Ag | Battery power supply |
-
1998
- 1998-11-06 FR FR9814032A patent/FR2785736B1/en not_active Expired - Fee Related
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