FR2958814A1 - Elevateur rapide de tension electrique generateur de courant optimisable, a haut rendement, par complementation asservie d'une source existante a tension fixe ou fluctuante, du watt au megawatt - Google Patents
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Abstract
Cette invention résulte d'une évidence énergétique : complémenter une énergie existante par une énergie transformée, génère une énergie finale avec moins de pertes que l'obtention, par les techniques antérieures, d'une même énergie finale totalement issue, après transformation de même type, de l'énergie existante. La minoration des pertes (d'autant plus accentuée que le rapport "énergie existante/énergie complémentaire" est élevé), autorise des rendements théoriques tendant vers 100%. Cette hybridation avec asservissement concerne une énergie électrique, continue ou épisodique, à tension fixe ou fluctuante, issue des générateurs les plus divers (exemples : batteries, convertisseurs "~/continu" ou "continu/continu", panneaux photovoltaïques, piles à combustible, microcapteurs d'énergie, supercondensateurs sur véhicules), dont on souhaite majorer la tension et, éventuellement, limiter ou optimiser le débit en fonction de leur courbe de réponse "tension/courant". Utilisant des moyens de complémentation relativement simples et, surtout, à puissance réduite (dans le rapport "puissance complémentaire/puissance existante"), cette invention minore, en conséquence : encombrement, parasitage électromagnétique, temps de réponse transitoire, tout en majorant le rendement énergétique global. Par ailleurs, elle exploite la réversibilité énergétique des moteurs électriques. Autorisant l'adoption des meilleurs générateurs de complémentation disponibles sur le marché, cette invention accroît, par hybridation facile et économique, l'efficacité énergétique d'associations "générateur / récepteur", fixes ou mobiles,du watt au mégawatt, utilisant de l'énergie électrique, continue ou épisodique, d'origine fossile, renouvelable ou de récupération.
Description
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L'invention concerne une méthode et des moyens d'hybridation par complémentation dynamique entre deux sources d'énergie électrique stockée ou en cours de production : • une source principale, de type continu ou épisodique, à tension 5 constante ou fluctuante ; • une source auxiliaire générant une tension de complémentation asservie, montée en série avec la source principale qui, par ailleurs pilote la source auxiliaire. Cette complémentation asservie autorise la conception duale 10 • soit d'élévateurs à tension constante et à courant variable, • soit de générateurs à courant constant et tension variable. Elargissant les domaines d'utilisation de la source principale, cette hybridation dynamique par complémentation vulgarise, de façon économique, un nouveau mode d'élévation de tension, tout en favorisant, par son très haut 15 rendement global, l'obtention de certifications environnementales énergétiques. Sont concernées par cette hybridation, des sources principales ayant des tensions nominales s'échelonnant de quelques volts à plusieurs centaines de volts, capables de générer, selon leur puissance, des courants nominaux de quelques milli-ampères à plusieurs milliers d'ampères. 20 La faculté de limitation ou (et) de pilotage du courant qu'il génère, qualifie cet élévateur de tension pour des hybridations aussi diverses que, par exemple : • élévation épisodique de la tension d'une énergie vibratoire accumulée, "très faible puissance", pour circuit de mesure sans fil, avec séquencement "veille" et "émission". 25 • complémentation dynamique, à tension majorée et stabilisée, de la tension instable et insuffisante d'une pile à combustible de 1000 watts • charge à courant variable, d'une batterie "24V" 11000Ah, par des modules photo-voltaïques "12V", montés en parallèle et sollicités en mode optimisé (MPPT). 30 • complémentation à 390V de de la tension délivrée par des panneaux photovoltaïques en série, cette complémentation optimisant la génération, en aval,d'une sinusoïde pure "220V150hz", par inverseur en pont complet et filtre LC. On connaît déjà des dispositifs élévateurs de tension électrique délivrant, sur leur sortie, une tension supérieure à celle qui est appliquée sur leur entrée. 35 Généralement appelés "régulateurs élévateurs" ou "convertisseurs continu-continu", ces dispositifs reçoivent, de manière continue ou 2958814 2-
intermittente, une énergie électrique, stockée ou en cours de production, à tension constante ou fluctuante. Grâce, généralement, à une technique dite "à découpage", ces convertisseurs transforment l'énergie électrique appliquée sur leur entrée, en une énergie de même type, recueillie sur leur sortie, mais caractérisée par une tension majorée, indépendante des fluctuations éventuelles de la tension d'entrée, cette dernière étant inférieure à la tension de sortie. L'énergie recueillie en sortie est donc la résultante de la transformation de l'énergie consommée par le convertisseur. Selon les tensions et les puissances traitées ainsi que les technologies utilisées, le rendement de ces convertisseurs peut varier de moins de 60% à plus de 90%. Les puissances caractérisant chacun de ces convertisseurs s'étalent du watt jusqu'à plusieurs centaines de kilowatts. Ces élévateurs de tension constituent un maillon généralement indispensable dans la chaîne de traitement d'une énergie électrique disponible, mais dont la tension est insuffisante ; par exemple : • élévateur générant une tension constante de 15V, bien que la batterie "12V" qui alimente son entrée se décharge, passant de 14V à 10V. • élévateur chargeant épisodiquement, sous 28V, la batterie "24V" d'un véhicule dont les supercondensateurs captent une énergie électrique de freinage sous une tension variant de 13V à 26V. On sait que l'efficacité énergétique de l'élévation d'une tension électrique, par le mode de conversion précité, est déterminée par le rendement caractérisant le convertisseur utilisé.
On sait également que les contraintes ou inconvénients non limitatifs suivants sont proportionnels à la puissance de l'énergie transformée : • pertes de conversion (sous forme de calories indésirables) • lenteur de la réponse aux sollicitations variables des charges • production de parasites électro-magnétiques conduits ou rayonnés • complexité, encombrement mécanique et prix de revient. On constate donc que la minoration de ces contraintes ou inconvénients inhérents à ce mode de traitement de l'énergie, exige une "rupture" dans la méthode d'élévation de la tension d'une énergie électrique de type continu ou épisodique, à tension constante ou fluctuante.
La présente invention a précisément pour objet de fournir une méthode et des moyens d'élévation de la tension,constante ou fluctuante, d'une énergie 2958814 -3-
électrique de type continu ou épisodique, en réduisant les pertes de conversion, le temps de réponse, la production de parasites, la complexité, les dimensions et le prix de revient. L'invention a aussi pour objet, grâce à la maîtrise des valeurs de la tension auxiliaire, de fournir une méthode et des moyens de production de courants constants ou (et) spécifiquement asservis. 5 L'invention résout ces problèmes, d'abord par une méthode de majoration de la tension V6 de l' énergie électrique disponible, de manière à obtenir une énergie électrique caractérisée par une tension V8 supérieure à V6. Cette majoration de tension (passage de V6 à V8) s'opère sans que l'énergie à tension majorée à V8 soit le résultat de la transformation 10 (généralement par découpage), de la totalité de l'énergie initiale à tension V6. La majoration de tension est obtenue, très simplement, par l'ajout d'une énergie auxiliaire (caractérisée par la tension V7) à l'énergie existante, à tension V6. Il suffit que la tension V7 de l'énergie auxiliaire complémentaire soit asservie à la tension fixe ou fluctuante de la source existante pour que la 15 somme des tensions V6 + V7 soit constante et égale à V8. La figure 1 illustre la méthode d'élévation de tension de la manière particulière suivante : • la source auxiliaire complémentaire ( tension V7) est montée en série avec la source principale V6,(oVc) étant relié à (+Vp) • la tension V7 est asservie à la tension V6 (V7 augmente si 20 V6 diminue et inversement). La charge est alimentée sous la tension V8 • la tension V8 de l'énergie résultante est bien la somme des tensions V6 et V7 des deux sources d'énergie montées en série. Souvent alimentée par la source principale, notamment dans les stations autonomes indépendantes du réseau, la source auxiliaire peut néanmoins 25 être alimentée par une autre source éventuelle, totalement indépendante de la source principale si souhaité ; ce choix facultatif est aussi intégré dans la figure 1 et symbolisé par les commutations deK1 et K2 : • les commutations 4 à 6 de KI et 1 à 3 de K2 relient exclusivement la source principale à l'entrée de la source auxiliaire complémentaire 30 • inversement, les commutations 4 à 5 de KI et 1 à 2 de K2 relient l'entrée de la source auxiliaire complémentaire exclusivement à la source "éventuelle". Le montage en série de deux sources électriques, la source 35 principale et la source auxiliaire, avec la source principale asservissant la tension de la source auxiliaire (voir figure 1), 2958814 -4-
détermine un rendement énergétique global (Rg) dont la mise en évidence est facilité par un même courant traversant la charge sous V8, la source auxiliaire sous V7, la source principale sous V6. 5 Dépendant du rendement (Ra) de la source auxiliaire V7, le rendement global (Rg) s'exprime simplement par : V8 Rg = V6+ Ra O 10 D'après O et sachant que V6 + V7 = V8, le rendement (Rg) croît d'autant plus que V6 est important par rapport à V7, tandis qu'une amélioration du rendement (Ra) majore (Rg). À titre d'exemple, complémenter à 15V sous 30A, une tension de batterie variant de 14V à 10V, exige une tension auxiliaire complémentaire asservie variant de 1V à 5V. Sachant que le rendement (Ra) 15 d'un convertisseur 5V/150W (utilisé comme source auxiliaire asservissable de 1V à 5V sous 30A) peut varier, entre ces tensions extrêmes, d'environ 0,80 à 0,86, les rendements globaux (Rg) avec chacune de ces deux tensions auxiliaires extrêmes dépassent, respectivement, 0,98 et 0,95. Expliquant une partie de l'invention, cet exemple chiffré démontre 20 précisément qu'une complémentation 5150W, détermine l'élévation, à valeur constante, de la tension d'une énergie électrique capable d'alimenter une charge de 450W avec un rendement énergétique global très élevé. L'objectif initial de l'invention (minoration des pertes, du temps de réponse, des parasites générés, des dimensions et des coûts) est donc atteint puisque 25 la puissance du convertisseur à finalité "complémentaire" est nettement inférieure à la puissance disponible pour la charge. Par ailleurs, la solution apportée par l'invention offre un nouvel avantage éventuellement sécuritaire : la défection de la source auxiliaire ne prive pas la charge de l'énergie issue de la source principale ; contrairement à la défaillance d'un convertisseur 30 "continu-continu" qui, dans une élévation de tension classique conventionnelle, prive la charge de la totalité de l'énergie. L'invention concerne ensuite divers types de sources auxiliaires et la manière particulière d'asservir leur tension de complémentation. La figure 3, schéma synoptique d'un convertisseur "continu-continu" 35 classique, détaille la partie "contrôle" de la tensionV3 [entre les bornes (s+) et (s0)] ; cette partie "contrôle" utilise une référence de tension de type 2958814 -5
"zener programmable". La tension VI, image de la tension V3, est comparée à celle de la zener programmable. L'asservissement ultérieur ne modifiera pas V3 La figure 4 associe la source principale V6 au convertisseur de la figure 3 qui, devenant "source auxiliaire à tension complémentaire", détermine 5 V7 telle que V6 + V7 =V8 =constante. La tension V7 est asservie de la manière particulière suivante : • la borne (sO) est reliée au zéro (oVp) de la source principale, par une diode zener dont la tension V5 est égale à la tension minimale de la source principale. 10 • la borne (s+) est reliée à la borne puissance (+Vc) du convertisseur • la tension V3 est initialement choisie (ou réglée) à une valeur maximale telle que là somme de V3 + la tension minimale de la source principale V6, soit égale à V8, valeur constante • le réglage éventuel de V3 s'effectue par liaison résistive 15 entre (Reg) et (s+) ou entre (Reg) et (sO) • la zener ZI peut être à tension fixe ou programmable, ou à tension fixe complémentée par celle d'une zener à tension programmable. Compte tenu du respect de la manière particulière d'asservissement ci-dessus, toute maioration de la tension V6 de la source principale, crée une variation 20 de valeur identique mais inversée des tensions V4 et V7 alors que V3 et V8 demeurent constantes. Inversement, lorsque V6 est déjà supérieure à sa valeur minimale, toute minoration de V6 détermine une maioration de même valeur pour les tensions V4 et V7 alors que V3 et V8 demeurent constantes. La figure 5, comme la figure 3 précédemment, représente un convertisseur 25 "continu-continu". Par contre, ce convertisseur utilise une référence de tension, non du type "zener programmable", mais de type à tension fixe, VI déterminant V2 par pont diviseur (R2/R4). La tension image de V3, déterminée par (RIIR3), est comparée à V2. Pour une meilleure compréhension de la méthode ultérieure d'asservissement, on note que l'ensemble (VI, R2,V2,R4) 30 constitue un générateur équivalent de Thévenin de tension V2 et de résistance interne (R2 x R4) I (R2 + R4). La tension V3 est égale à V2 (1 + RI I R3). La figure 6, comme pour les figures 3 et 4 précédemment, associe la source principale au convertisseur de la figure 5 avec la même finalité : V6 + V7 = V8 = constante. La tension V7 est par contre asservie de la manière différente et particulière suivante : 2958814 -6
• la borne (s+) est reliée à borne puissance (+Vc) par la résistance R6 contribuant à déterminer la valeur de V7 • la borne (Reg) est reliée à (oVp) par une résistance R5 montée en série avec une zener Z1 dont la tension V5 est égale à la tension minimale 5 de la source principale. Cette zener peut être à tension fixe ou programmable, ou à tension fixe complémentée par celle d'une zener à tension programmable • la borne (s0) est reliée à la borne (oVc) du convertisseur mais aussi à la borne (+Vp) de la source principale • la résistance R5 contribue à la modulation du débit du 10 générateur équivalent Thévenin, ce débit fixant la valeur de la tension V2 référence du comparateur, V2 déterminant V3 • la tension maximale V7 est initialement réglée par R6, R5 et la tension zener Na, de manière que V6 + V7 = V8 = constante • compte tenu des valeurs particulières de R6, R5 et V5, 15 toute variation de la tension V6 de la source principale détermine une variation de même valeur, mais inversée, de la tension V7, assurant la constance de la valeur V8, égale à (V6 + V7) La figure 7 représente un convertisseur "continu-continu" dont la régulation de la tension de sortie V3 s'effectue, non à partir d'une simple 20 mesure sur les bornes de sortie, mais à partir d'un couplage magnétique secondaire obtenu par (L). L'ensemble (VI, R2, V2, R4) constitue un générateur équivalent de Thévenin autorisant la méthode ultérieure d'asservissement La figure 8 associe la source principale au convertisseur de la figure 7, avec pour finalité : V6 + V7 = V8 = constante 25 La tension V7 est par contre asservie de la manière particulière suivante : • les bornes (si) et (s2) sont reliées par R6 qui contribue à déterminer la valeur de V7 • la borne (si) est également reliée à (+Vp) par la résistance R5 montée en série avec la zener Z1 dont la tension V5 est égale à la 30 tension minimale de la source principale. Cette zener peut être à tension fixe ou programmable, ou à tension fixe complémentée par celle d'une zener à tension programmable • compte tenu des valeurs particulières de R6, R5, et V5, toute variation de la tension V6 de la source principale détermine une 35 variation de même valeur, mais inversée, de la tension V7, assurant la constance de la valeur V8, égale à (V6 + V7). 2958814 -7-
La figure 9 représente un convertisseur "alternatif-continu" ; il s'agit donc d'une alimentation recevant une énergie de type alternatif, genre "réseau électrique" et dont la partie "contrôle" utilise un générateur équivalent Thévenin de tension V2 et de résistance interne (R2 x R4/R2 + R4) 5 La figure 10 associe la source principale à l'alimentation de la figure 9. La source principale n'étant sollicitée que par la charge, on obtient une nouvelle association particulière élévatrice de tension, à finalité (V6 + V7 = V8), dont l'énergie alimentant la source de complémentation est : • exclusivement issue d'une source autre que la source principale 10 • de type différent de celle de la source principale La tension V7 est asservie, de la même manière que sur la figure 6, par R6, R5 et Z1. Pour des alimentations dont la partie "contrôle" utiliserait une référence type "zener programmable", la tension V7 serait asservie, de de la même manière que sur la figure 4, par une simple zener (Z1/V5) 15 directement reliée à (oVp) La figure 11, comme la figure 9, représente un convertisseur "alternatif-continu", mais de type électro-magnétique capable de générer une puissance auxiliaire importante. La figure 12 associe la source principale à la génératrice de la figure 11, 20 de manière que la source principale ne soit sollicitée que par la charge. On obtient donc une nouvelle association particulière élévatrice de tension, avec une énergie de complémentation délivrée par une génératrice à courant continu. La fonction (V6 + V7 = V8) s'obtient, soit : • grâce à R6, R5 et Z1, comme sur la figure 6 25 • comme sur la figure 4 si le "contrôle" utilise une zener programmable L'invention a aussi pour objet, précisément, de fournir un élévateur qui, en sus de son haut rendement, soit particulièrement économe en énergie lorsque, fonctionnant de manière épisodique, il passe du mode "actif" au mode "veille" La figure 2 indique la manière particulière pour passer en mode "veille" : 30 • en fonctionnement "actif', le commutateur K3 relie (oVp) de la source principale au (oVe) de la source auxiliaire, lui-même relié au "zéro" de la charge et à l'asservissement. Si la commande du commutateur K3 utilise un séquenceur alimenté en permanence par la source principale, sa consommation sera de type "ultra-faible" • en mode "veille", l'ouverture du commutateur K3 n'autorise 35 que l'alimentation d'un éventuel séquenceur, la source principale ne pouvant alimenter, ni la source auxiliaire, ni même sous-alimenter la charge.
L'invention résout aussi, grâce à la maîtrise de la valeur de la tension auxiliaire, le problème de limitation et (ou) optimisation du courant absorbé par la charge, pour éventuellement, une meilleure efficacité énergétique de la source principale (exemples : panneaux photovoltaïques à débit optimisé) La figure 13 indique la manière particulière de résoudre le problème de la limitation de courant. Pour cela, reproduisant partiellement la partie commune aux figures 6, 8, 10, et 12, avec notamment les bornes (oVp), (oVc), (sO), (Reg), (+Vp) et le point (A), elle utilise les composants supplémentaires suivants assurant les fonctions correspondantes : • un shunt (C) monté entre le point (A) et la borne (oVc). Le courant traversant la charge puis le shunt (C), détermine la tension V11 • un pont diviseur (R8/R7), alimenté par la tension de pilotage V9 sur (pil), fixe la tension V10. La tension V9 détermine le niveau de limitation du courant traversant la charge. V9 peut être fixe pour une simple limitation de courant, ou variable pour un pilotage de courant • un comparateur (COM) reçoit V11 sur son entrée non inverseuse "+", et VIO sur son entrée inverseuse "-" • un photo-coupleur alimenté par le comparateur est relié, par 20 sa sortie, aux bornes (s0) et (Reg) sous tension V2 Les élévateurs de tension des figures 6, 8, 10 et 12, fonctionnent en mode "générateur de courant" lorsque V11 atteint VIO, déterminant une majoration de la tension de sortie du comparateur ; cette majoration entraîne à son tour, grâce au photo-coupleur, une minoration de la tension V2, "tension de Thévenin" 25 caractérisant les élévateurs représentés sur les figures 6, 8, 10 et 12. La fonction "générateur de courant" s'exerce jusqu'à ce que la tension V7 atteigne sa valeur minimale. La figure 14 reproduit la figure 13 et la complète avec trois nouveaux composants autorisant la manière particulière d'obtenir, en plus de la 30 "limitation de courant", la fonction "optimisation du courant" absorbé par la charge, valable pour les élévateurs des figures 6, 8, 10 et 12 • la résistance R11 relie une extrémité du shunt (C) à l'entrée non inverseuse "+" du comparateur • la résistance (RIO), montée en série avec la zener Z2, relie 35 la borne "+" du comparateur à la cathode de la zener dont l'anode aboutit sur la borne (oVp).
Tant que V6 est <-V13, la limitation de courant intervient dès que V11 atteint la valeur V10 puisque V12 = 0. Dès que V6 devient >V13, V12 augmente, en valeur absolue, proportionnellement à (V6 û V13), minorant la résultante de (V11 + V12) appliquée sur l'entrée "+" du comparateur. D'où la majoration du courant de limitation dès que V6 devient >V13, seuil d'optimisation du courant. Déconnectée de la borne (oVp), l'anode de Z2 peut être reliée à une autre source de tension, négative par rapport à (oVc), de manière à optimiser le courant dans la charge, indépendamment de la source principale V6.
Les figures 15 et 16 ne diffèrent, respectivement, des figures 13 et 14 que par la connexion des sorties du photo-coupleur, reliées ici aux bornes (sO) et (oVp) [au lieu des bornes (Reg) et (sO), pour les figures 13 et 14]. La figure 15 détermine la manière de limiter le courant dans la charge, en agissant sur une source auxiliaire dont le "contrôle de tension" utilise une zener de référence programmable, comme sur la figure 4. La figure 16 détermine la manière d'optimiser le courant dans la charge, et s'applique aux sources auxiliaires dont le "contrôle tension" utilise une zener de référence programmable, comme sur la figure 4. L'invention concerne également une possibilité d'utilisation minimaliste (exclusion de la zener Z1 et de la source principale, remplacée par une tension de pilotage pouvant traiter quelques mA, mais maintien de la source auxiliaire), applicable sur des générateurs de tension électrique, de type continu, dont le contrôle de la tension de sortie s'effectue selon la méthode de la figure 3, ou de la figure 5 ou de la figure 7. Pour cela, un simple générateur d'énergie électrique, de type continu alimente directement une charge sous une tension V7 variant de V7 maxi à zéro sous l'action d'un pilotage externe V6 passant de V6 maxi à zéro, sachant qu'en "mode typel" (V6 + V7) = constante. La figure 17 illustre la manière d'obtenir ce résultat sur des générateurs dont le "contrôle mode 1" est équipé d'une référence de tension à zener programmable : • l'énergie électrique, adaptée aux exigences du générateur, l'alimentera sur les bornes El et E2 • la tension V3 dont VI est l'image, est déterminée uniquement par RI et R3, et éventuellement, par R4 montable en parallèle sur RI 35 ou R3 grâce à la borne (Reg) • la tension V6 correspond à la tension de pilotage 2958814 -10-
La tension V7 appliquée sur la charge [connectée entre (+Vc) et (oVc)] est égale à (V3 ù V6). Cette réalisation autorise donc l'élévation deV7, de zéro à V3 quand la tension de pilotage V6 varie de V3 à zéro. 5 La figure 18, comme la figure 17, illustre la manière d'obtenir le même résultat, mais sur des générateurs à "contrôle" équipés d'une référence de tension "équivalent Thévenin" : • la tension V3 dont V2 est l'image est initialement déterminée uniquement par V2 et les résistances R3 et RI 10 • la résistance additionnelle R6 détermine la valeur V7 initiale • en fonction du choix des valeurs de R6 et R5 et de la tension de pilotage V6, la tension V7 varie de zéro à la valeur initiale de V7. Cette réalisation autorise une tension de pilotage à valeur maximale quelconque grâce au choix adapté des valeurs de R6 et deR5. Il en est 15 de même pour une réalisation "régulation selon la méthode de la figure 8", qui se différencie de la figure 18 par : • R6 relie (si) à (s2) [au lieu de (s+) à (+Vc)] • l'inversion de la tension de pilotage • le montage de R5 entre la borne "+" du pilotage et la borne 20 (s1) [au lieu de la borne (Reg) et la borne "0" du pilotage]. Pour finir, l'invention concerne une utilisation maximaliste de l'élévateur de tension, exploitant la réversibilité énergétique d'une charge bi-fonction, genre électromoteur, alternativement récepteur et générateur, utilisé par exemple sur les véhicules récupérant sous forme électrique l'énergie 25 de décélération et (ou) de freinage. La figure 19 illustre la manière particulière de connecter un moteur fonctionnant alternativement en mode "récepteur" ou "générateur" : • la source principale est constituée exclusivement d'un accumulateur genre batterie classique ou supercondensateurs 30 • le moteur [avec ses commutateurs et (ou) aiguillages] est connecté entre les bornes (oVc) et (+Vc) de l'élévateur de tension • l'énergie électrique produite par le moteur fonctionnant en mode "générateur" est injectée dans la batterie ou dans les supercondensateurs, généralement à travers une diode (D1) dont l'anode est reliée au moteur et la cathode à l'entrée (+Vp) de l'accumulateur ; cette énergie de récupération est ultérieurement réinjectée dans le moteur, via la source auxiliaire. 2958814 -11-
Les applications industrielles de ce nouveau mode d'élévation de tension par hybridation asservie, sont d'autant plus nombreuses que cette méthode : ^ élargit le champ d'utilisation des batteries, panneaux photovoltaïques, piles à combustibles par complémentation dynamique de leur tension 5 propre, insuffisante et fluctuante. ^ optimise la réponse "tension I courant" d'une source initiale (exemples :panneau photovoltaïque, pile à combustible . . .) par pilotage ou prédétermination du courant qu'absorbe la charge finale (exemple : batterie). © majore les rendements globaux des traitements de l'énergie 10 électrique, généralement compris entre 92% et 99%. ^ minore la production de parasites électromagnétiques proportionnels à la puissance traitée, en ne transformant qu'une partie de l'énergie : celle destinée à la complémentation. ^ réduit l'encombrement mécanique des systèmes de conversion, 15 sachant que la puissance des sources auxiliaires peut s'étager, de 1W pour les énergies de capture "sans fil" jusqu'à >100KW pour les autres sources d'énergie électrique, alors que celle de l'énergie finale, à tension majorée, peut atteindre le mégawatt sous 5400V. © diminue le temps de réponse aux sollicitations variables de la 20 charge, grâce à sa puissance relativement faible (comparée à la puissance totale), gage de rapidité. ^ simplifie la conception des systèmes "élévateurs de tension par complémentation", grâce à la possible intégration de générateurs eux mêmes à haut rendement, déjà expérimentés et existant sur le marché (exemple : un 25 convertisseur "continu / continu", source auxiliaire de 400W sous 12V/33,3A, à rendement de 95%, complémentant à 72V une source principale de 60V, détermine une puissance de 2,4KW, sous un courant de 33,3A, avec un rendement global de 99%. ^ garantit la délivrance d'une énergie minimale "sécuritaire" en cas 30 d'éventuelle défaillance de la conversion d'énergie auxiliaire. © exploite la réversibilité électrique des électromoteurs. © vulgarise, grâce à une forte baisse des prix de revient (coût, par mille pièces, en janvier 2010, du convertisseur 400W évoqué en O : <42{), l'usage d'élévateurs améliorant l'efficience énergétique, non seulement de la conversion 35 d'énergie électrique, mais aussi celle des générateurs associés, type panneaux photovoltaïques, piles à combustibles, à puissance optimisable.
Claims (9)
- REVENDICATIONS1) Dispositif d'hybridation pour le traitement automatique d'une énergie électrique complémentaire, asservie à une énergie électrique principale qu'elle complémente, comprenant des moyens pour fournir une énergie résultante avec un haut rendement global, du watt au mégawatt, à débit limitable et à tension supérieure à celle de l'énergie principale, caractérisé en ce que le dispositif comprend une source principale à tension V6, une source auxiliaire de complémentation à tension V7, un asservissement (A. T) de la tension de la source complémentaire, un asservissement (A. C) du courant débité, un commutateur (KI û K2) de 10 sélection éventuelle dé la source d'énergie alimentant la source auxiliaire de complémentation.
- 2) Dispositif d'hybridation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source principale a sa borne zéro (oVp) commune avec le zéro de la charge et la borne 3 du commutateur K2 ; sa borne positive (+Vp) est au potentiel 15 V6 et commune à la fois avec (oVc) borne zéro de la source auxiliaire et la borne 6 du commutateur KI ; elle alimente la source auxiliaire grâce à cette configuration du commutateur et ne l'alimente pas si la configuration est inversée ; elle peut être sollicitée épisodiquement grâce à l'interrupteur K3 reliant, en mode "actif' (oVp) borne zéro de la source principale à (oVe) borne zéro de la source auxiliaire, K3 ouvrant cette 20 même liaison en mode "veille", interdisant alors tout débit, sauf l'infime courant absorbé par un séquenceur électronique si la command de K3 est automatisée ; elle continue à alimenter la charge mais sous une tension voisine de V6, malgré une panne éventuelle de la source auxiliaire ; elle est reliée à l'asservissement en tension (A. T) qu'elle pilote.
- 3) Dispositif d'hybridation selon la revendication 1, caractérisé en ce 25 que la source auxiliaire, montée en série avec la source principale, a son zéro (oVc) au potentiel V6 grâce à sa liaison avec (+Vp) de la source principale ; elle crée un potentiel V7 qui, ajouté à V6, détermine la tension V8 entre les bornes (oVp) et (+Vc) destinées à la connexion de la charge ; elle accepte une alimentation autre que la source auxiliaire grâce aux connexions K1/4-5 et 30 K211-2 reliant une autré source éventuelle à ses entrées (oVe) et (+Ve) ; elle est reliée à l'asservissement en tension (A. T) et à l'asservissement en courant (A. C) ; elle s'intégre dans le dispositif d'hybridation avec l'asservissement de sa sa tension V7 correspondant à l'un des trois modes de régulation suivants qu' utilise le "CONTRÔLE" : mode 1 avec une diode zener programmable montée en 35 comparateur contrôlant directement la tension de sortie, mode 2 générant sa 2958814 -13- référence de comparaison V2 pour un comparateur contrôlant directement la tension de sortie, mode 3 générant sa référence de comparaison V2 pour un comparateur contrôlant indirectement la tension de sortie grâce à couplage initialement isolé de la sortie, couplage avec (L) par exemple.
- 4) Dispositif d'hybridation selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'asservissement (A. T) de la tension complémentaire V7 s'effectue : pour une source auxiliaire mode 1, par une simple zener Z1 tension V5, anode reliée à (oVp) zéro de la source principale et cathode à (sO) borne "contrôle" de la source auxiliaire ; pour une source auxiliaire mode 2, par une zener Z1 tension V5, anode reliée à (oVp) et cathode à une extrémité de la résistance R5, l'autre extrémité de R5 reliée à (Reg) sortie du générateur "Thévenin", la résistance R6 reliant (s+) borne de "contrôle" de la source auxiliaire à (+Vc) borne positive de la source auxiliaire, par ailleurs, (sO) est reliée à (oVc) borne zéro de la source auxiliaire ; pour une source auxiliaire mode 3, par une zener Z1 tension V5, cathode reliée à (+Vp) borne positive de la source principale et anode reliée à une extrémité de R5, l'autre extrémité de R5 reliée à (si), borne de comparaison, R6 reliant (si) à (s2) borne de contrôle, par ailleurs, (sO) borne de contrôle est relié à (oVp) ; quel que soit le mode du "CONTRÔLE", la tension V5 de la zener est égale à la valeur minimale envisagée pour la tension V6 de la source principale.
- 5) Dispositif d'hybridation selon la revendication 3, caractérisé en ce que la source auxiliaire peut être : de type convertisseur "continu/continu" alimenté ou non par la source principale ; de type "alternatif/continu" genre alimentation à découpage ou génératrice à courant continu ; de type génératrice à courant continu actionnée par une énergie mécanique.
- 6) Dispositif d'hybridation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'asservissement (A. C) du courant débité dans la charge comprend un convertisseur analogique (C) "courant-tension", relié entre (oVc) borne zéro de la source auxiliaire et la borne "A", zéro de la sortie initiale de la source auxiliaire, convertissant le courant débité en tension Vil ; un convertisseur analogique de tension (R8/R7) convertissant la tension externe de pilotage V9 référencée par rapport à (oVc) et appliquée sur la borne "pil" elle-même reliée à la résistance R7, en tension V10 ; un comparateur analogique (COM) comparant les tensions V11 et V10 et et attaquant l'anode de la diode émettrice d'un photo-coupleur (P.C), borne "1", la cathode, borne "2", étant reliée à (oVc) et (+Vp) borne positive de la source principale, dès que V11 atteint la valeur V10 ; le transistor du photo-coupleur (P.C), dont l'émetteur borne "3" et le collecteur borne "4" sont respectivement reliés aux 2958814 -14- bornes (sO) et (oVp) ou aux bornes (Reg) et (sO) du "CONTRÔLE", correspondant au mode d' asservissement (mode 1 ou 2 ou 3) défini en revendication 3.
- 7) Dispositif d'hybridation selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'asservissement(A.C) du courant débité dans la charge comprend 5 un circuit d'optimisation du courant qui majore linéairement ce dernier lorsque la tension V6 de la source principale dépasse le seuil de tension de valeur V13, déterminé par la zener Z2, de valeur V13, dont l'anode est reliée à (oVp) borne zéro de la source principale et la cathode à la résistance RIO, l'autre extrémité de RIO rejoignant l'entrée "+"du comparateur reliée 10 au shunt (C) par la résistance R11 ; R11 détermine V12 qui, minorant l'action de V11, autorise une majoration de la limite du courant débité, proportionnelle à l'écart de tension (V6 ù V13).
- 8) Dispositif d'hybridation selon la revendication 3, caractérisé en ce que, en version "minimaliste", le dispositif s'affranchit de la zener Z1, devenue 15 inutile puisque la tension V5 des zeners Z1 précédemment utilisées est abaissée à zéro volt ; la source principale, seulement capable de traiter quelques mA, se mue en simple générateur de tension V6 minorable jusqu'à zéro, pilotant la source auxiliaire ; la borne "0" de la charge soumise au potentiel V7, est maintenant reliée à la borne (oVc) de la source auxiliaire ; la source 20 auxiliaire devient un'générateur défini par la revendication 5, avec un "CONTRÔLE" mode 1 ou 2 ou 3, défini en "mode 1"dans la revendication 3 ; la somme de la tension V6 de pilotage et de la tension V7 aux bornes de la charge est constante et détermine les valeurs extrêmes : V7 maxi pour V6 = 0, V7 = 0 pour V6.= maxi. 25
- 9) Dispositif d'hybridation selon la revendication 1, caractérisé en ce que, en version maximaliste exploitant la réversibilité énergétique de la charge, la source principale de tous les élévateurs de tension est obligatoirement de type "accumulateur" (batterie ou supercondensateurs) ; l'accumulateur reçoit une énergie électrique de récupération en provenance d'un électromoteur, 30 de préférence à travers une diode (Dl) dont la cathode est reliée à l'entrée (+Vp) de l'accumulateur et l'anode à l'électromoteur ; l'énergie accumulée est ultérieurement réinjectée dans le moteur, via la source auxiliaire.
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| US6307357B1 (en) * | 1999-02-10 | 2001-10-23 | Stmicroelectronics S.R.L. | Direct current step-up circuit for use with battery powered equipment |
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2010
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