FR3090241A1 - Dispositif d'interface de récupération d’énergie, système et procédé - Google Patents

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Abstract

Dispositif d'interface de récupération d’énergie, système et procédé L'invention se rapporte à une interface 100 de récupération d'énergie multi-entrées, système et procédé. L'interface comprend un interrupteur 5 commun commandé en largeur d'impulsion, et plusieurs circuits de conversion d’énergie, comprenant chacun un élément magnétique 7 connecté en entrée et en sortie. Chaque élément magnétique se magnétise en phase fermée, par un courant d'entrée traversant une diode de découplage 8 et est bloqué en sortie par une diode roue-libre 9 ; et se démagnétise en phase ouverte, pour alimenter la sortie, par un courant de sortie qui traverse la diode roue-libre 9 et est bloqué en entrée par la diode de découplage 8. Les différentes voies sont ainsi indépendantes et présentent des inductances différentes optimisées chacune en fonction de la source utilisée. La commande est réalisée de préférence pour obtenir un régime de conduction discontinue, fournissant ainsi une indépendance entre les impédances d'entrée et les paramètres électriques extérieurs. Figure pour l’abrégé : Fig.1

Description

Description
Titre de l'invention : Dispositif d'interface de récupération d’énergie, système et procédé
Domaine technique de l’invention
[0001] La présente invention concerne un dispositif d’interface de récupération d’énergie électrique. Elle concerne aussi un système et un procédé de récupération d’énergie utilisant un tel dispositif d’interface.
Etat de la technique antérieure
[0002] On connaît différents procédés et dispositif de récupération d’énergie par exemple dans le cadre de dispositifs autonomes. De tels dispositifs autonomes peuvent être par exemple des capteurs et/ou des transmetteurs isolés, ou des dispositifs implantables invivo. Cependant, il reste utile d'améliorer cette technologie, en particulier en ce qui concerne l'efficacité et le rendement de cette récupération d'énergie.
Un but de l’invention est de pallier tout ou partie des inconvénients et limites de l'art antérieur, et en particulier de proposer une interface de récupération d’énergie électrique :
- facile à mettre en œuvre et peu onéreuse,
-robuste,
- efficace en terme de rendement, puissance disponible, compacité, et/ou permettant une optimisation efficace et facile à la conception et/ou en fonctionnement. Par exemple, pour des sources d’énergie de natures différentes et/ou dans des conditions variables dans le temps.
Présentation de l’invention
[0003] Cet objectif est atteint par un dispositif d'interface pour récupération d’énergie comprenant :
- plusieurs voies d’entrées agencées pour être alimentées chacune par une source d’énergie électrique fournissant une tension continue, ou variable en fonction du temps sans changement de polarité,
- une voie de sortie agencée pour être connectée à une charge électrique ou un moyen de stockage d’énergie électrique, de manière à utiliser une énergie reçue par les voies d’entrée pour alimenter ladite charge électrique ou charger ledit moyen de stockage.
Selon l’invention, le dispositif comprend :
- au moins un interrupteur de commande agencé pour s’ouvrir et/ou se fermer de façon itérative selon un signal de commande, et
- une pluralité de circuits de conversion d’énergie, dont chacun comprend un élément magnétique qui est :
- d’une part connecté à une voie d’entrée et est agencé pour se magnétiser lors d’une phase fermée de l’interrupteur de commande, par réception d’énergie depuis ladite voie d’entrée, et
- d’autre part connecté à la voie de sortie de façon à se démagnétiser lors d’une phase ouverte de l’interrupteur de commande, par fourniture d’énergie électrique à la voie de sortie.
Selon l’invention :
- le dispositif comprend un même interrupteur de commande qui est connecté au circuit de conversion du côté des voies d’entrées et est agencé pour commander lesdits circuits de conversion d’énergie,
- le dispositif comprend des moyens unidirectionnels dits de découplage comprenant au moins un composant unidirectionnel monté en série dans chaque circuit de conversion, du côté de la voie d’entrée et dans un sens permettant l’entrée d’un courant depuis la source d’énergie vers l’élément magnétique ; et
- le dispositif comprend pour chaque élément magnétique au moins un composant unidirectionnel dit roue libre, qui est monté en série dans le circuit de conversion, du côté de la voie de sortie et dans un sens permettant le passage du courant depuis l’élément magnétique vers la voie de sortie.
Le terme de tension continue est ici employé pour désigner une tension qui est assimilable à une tension continue, au sens ou elle peut être variable dans le temps mais ne présente pas de changement de polarité, au moins pendant une durée suffisamment prolongée pour inclure un nombre significatif d'itérations et permettre ainsi un transfert global d'énergie depuis les voies d'entrées vers la voie de sortie.
[0004] De préférence, tout ou partie des composants unidirectionnels est réalisé chacun par une unique diode.
Les éléments magnétiques de plusieurs circuits de conversion différents peuvent présenter des inductances différentes.
De préférence, un ou plusieurs circuits de conversion présentent chacun un élément magnétique dont l’inductance est déterminée pour que la voie d’entrée dudit circuit de conversion présente une impédance déterminée en fonction d'une source déterminée, de façon à optimiser sa récupération d’énergie depuis ladite source déterminée, le dispositif présentant ainsi plusieurs voies d’entrées optimisées individuellement pour plusieurs sources différentes.
De préférence, tous les éléments magnétique ou au moins un élément magnétique est réalisé par ou comprend une inductance qui est connectée électriquement à la fois du côté de la voie d'entrée et du côté de la voie de sortie.
Alternativement ou en combinaison, l’élément magnétique peut comprendre une inductance couplée, laquelle inclut au moins une inductance d’entrée qui est connectée à la voie d’entrée et une inductance de sortie qui est connectée à la voie de sortie et est couplée magnétiquement à ladite inductance d’entrée.
[0005] Selon un deuxième aspect de l’invention, il est proposé un système de récupération d'énergie pour l'alimentation électrique d'une charge électrique ou d'un élément de stockage électrique, comprenant :
- un dispositif de récupération d’énergie tel qu'exposé ici, dont la voie de sortie est connectée à ladite charge électrique ou élément de stockage électrique, ou est agencée pour pouvoir y être connectée ;
- une pluralité de sources d’énergie agencées pour générer une énergie électrique par récupération d’énergie, typiquement non-électrique, lesquelles sources sont connectées aux différentes voies d’entrées du dispositif de récupération d’énergie ;
- un circuit de commande agencé pour fournir le signal de commande à l'interrupteur de commande.
De préférence, plusieurs sources d’énergie connectées à l’entrée du dispositif de récupération utilisent des énergies de même nature et/ou de natures différentes.
[0006] Au moins une source d’énergie connectée en entrée du dispositif de récupération peut comprendre un générateur d’énergie produisant une tension alternative et comprend un circuit de redressement agencé pour redresser ladite tension alternative de façon à ce que ladite source délivre une tension continue.
De préférence, le circuit de redressement comprend une unique branche unidirectionnelle, notamment montée en parallèle avec le générateur, ladite branche comportant un ou plusieurs composants unidirectionnels.
De préférence, une telle branche unidirectionnelle comprend une unique diode, avec ou sans autres composants.
[0007] Selon un troisième aspect de l’invention, il est proposé un procédé de récupération d’énergie, mis en oeuvre par un tel dispositif d'interface connecté par ses différentes voies d'entrée à une pluralité de sources d'énergies, ou mis en œuvre par un système tel qu'exposé ici, ledit procédé comprenant une itération commandée selon un rapport cyclique par un signal de commande à une fréquence déterminée. L’itération comprend des phases suivantes :
- une phase passante de l’interrupteur de commande dans laquelle, pour chacun des circuits de conversion, l’énergie électrique provenant de la voie d’entrée rentre dans le circuit de conversion en traversant le moyen de découplage pour s’accumuler dans l’élément magnétique, et en étant bloquée du côté de la voie de sortie par le composant roue-libre ;et
- une phase bloquante de l’interrupteur de commande dans laquelle, pour chacun des circuits de conversion, l’énergie accumulée dans l’élément magnétique alimente la voie de sortie par un courant qui traverse le composant roue libre, et est bloqué du côté de la voie d'entrée par le moyen de découplage.
[0008] Lorsqu'une voie d'entrée est alimentée par une source d’énergie comprenant un générateur d’énergie produisant une tension alternative, ledit procédé comprend alors un redressement de ladite tension alternative pour que ladite source délivre une tension continue à ladite voie d'entrée.
De préférence, la fréquence et le rapport cyclique de l’ouverture et de la fermeture de l’interrupteur de commande sont choisis pour que la magnétisation et la démagnétisation de l’élément magnétique de d'un des circuits de conversion, et de préférence de tous, produise un régime de conduction discontinue au sein dudit élément magnétique.
[0009] Au sein d'un même système ou dispositif, en particulier lorsqu'un ou plusieurs circuits de conversion fonctionne en régime de conduction continue, le procédé peut comprendre une opération d'ajustement en cours de fonctionnement, visant à réoptimiser son fonctionnement à la suite de modifications des paramètres électriques se produisant à l'entrée et/ou à la sortie de l'interface.
Le procédé peut par exemple comprendre :
- un premier mode de fonctionnement, déterminé par un premier jeu de paramètres de fréquence et de rapport cyclique du signal de commande, produisant une première valeur d’impédance d’entrée pour chacun des circuits de conversion d’énergie ; et
- en vue d'adapter le fonctionnement à une modification d’un ou plusieurs des paramètres électriques extérieurs d'une ou plusieurs voies d'entrée ou de sortie,
- un changement desdits paramètres du signal de commande, de manière à modifier l'impédance des circuits de conversion pour tenir compte de ladite modification, et arriver ainsi à un deuxième mode de fonctionnement dépendant de ladite modification.
Dans chacune des situations, voire chacun des régimes, la stratégie de réglage vise de préférence à rechercher un mode de fonctionnement qui corresponde à un optimum global, c'est-à-dire en tenant compte de l’ensemble des sources.
Brève description des dessins
[0010] D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée d'un mode de mise en œuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels :
[0011] [fig.l] est un schéma topologique qui illustre un premier exemple de mode de réalisation de l’invention, avec trois voies d'entrée et trois sources de types quelconques,
[0012] [fig.2] est un schéma topologique qui illustre un deuxième exemple de mode de réalisation de l’invention, avec trois sources à générateur alternatif piézoélectrique par exemple résonnant à des fréquences différentes, fournissant en particulier une complémentarité dans le temps selon les vitesses ou fréquences de vibration, [0013] [fig.3] est un schéma topologique qui illustre une variante du deuxième mode de réalisation, [0014] [fig.4] est un schéma topologique qui illustre une variante du deuxième mode de réalisation, [0015] [fig.5] est un schéma topologique qui illustre un troisième mode de réalisation de l’invention, avec trois sources de natures différentes, fournissant en particulier une complémentarité dans le temps selon les conditions environnementales,
[0016] [fig.6] est une courbe numérique d'essai comparatif qui représente la variation de puissance en sortie du dispositif d'interface de la figure 2 en fonction de la fréquence d'excitation, entre l'utilisation de toutes les sources et l'utilisation individuelle de chacune des sources.
[0017] Ces modes de réalisations n'étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites ou illustrées par la suite isolées des autres caractéristiques décrites ou illustrées (même si cette sélection est isolée au sein d’une phrase comprenant ces autres caractéristiques), si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique, de préférence fonctionnelle sans détails structurels, et/ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure.
Description détaillée de l’invention
[0018] On va tout d’abord décrire, en référence à la figure 1, un premier exemple de mode de réalisation de l’invention.
[0019] Dans cet exemple est illustré un système 101 de récupération d'énergie ambiante qui alimente une charge électrique de sortie, ici en rechargeant un dispositif de stockage électrique 4. Ce dispositif de stockage 4 est par exemple d'un type connu, tel qu'une batterie électrochimique, et/ou une capacité. La charge électrique peut aussi être formée par un dispositif consommant directement l'énergie électrique fournie, ou les deux à la fois, simultanément ou successivement.
Ce système 101 comprend plusieurs sources électriques SI, S2 et S3 différentes, qui récupèrent chacune une énergie d'une nature déterminée, typiquement de nature non électrique. Il s'agit par exemple d'une énergie ambiante, par exemple une énergie mécanique comme celle d'une vibration ou d'une onde acoustique, ou une énergie thermique, ou une énergie solaire. Ces sources alimentent la charge de sortie par l'intermédiaire d'un dispositif d'interface 100.
[0020] Le dispositif d'interface 100 de récupération d’énergie comprend :
- plusieurs voies d’entrées INI à IN3, présentant chacune un noeud d'entrée 1 qui lui est spécifique, ou borne d'entrée. Toutes les voies d'entrée INI à IN3 sont en outre connectées ensemble par un nœud commun Cl, ou borne commune. Ces voies d'entrée sont connectées chacune à une source 2 d’énergie électrique, ici référencées SI à S3, qui lui fournit une tension continue, ou au moins une tension variable en fonction du temps mais sans changement de polarité ;
- une voie de sortie OUT, présentant deux nœuds ou bornes 3 et 3', et qui est connectée à la charge électrique, ici le moyen 4 de stockage d’énergie électrique, de manière à utiliser une énergie électrique reçue par les voies d’entrée pour charger ledit moyen 4 de stockage.
Le dispositif 100 comprend aussi :
- un interrupteur de commande 5 agencé pour s’ouvrir et/ou se fermer de façon itérative selon un signal de commande fourni par un module ou dispositif de commande 6, et
- une pluralité de circuits de conversion d’énergie, communiquant chacun avec sa voie d'entrée respective et avec la voie de sortie commune OUT.
Chacun des circuits de conversion d'énergie comprend un élément magnétique 7 qui est :
- d’une part connecté aux bornes 1 et Cl de sa voie d’entrée INI, IN2 ou respectivement IN3 par une diode DI, D2, ou respectivement D3, de façon à se magnétiser lors du début d’une phase fermée de l’interrupteur 5 de commande, c'est-à-dire quand l'interrupteur est passant, par réception d’énergie depuis ladite voie d’entrée, et
- d’autre part connecté aux bornes 3, 3' de la voie de sortie OUT par une diode DT, D2', ou respectivement D3', de façon à pouvoir se démagnétiser lors du début d’une phase ouverte de l’interrupteur de commande 5, c'est-à-dire quand l'interrupteur 5 n'est pas passant, par fourniture d’énergie électrique à la voie de sortie OUT.
[0021] Comme on le voit, le dispositif d'interface 100 comprend un même interrupteur 5 de commande qui fait partie des trois circuits de conversion, du côté des voies d’entrées auxquelles il est connecté par leur nœud commun Cl, et est ainsi agencé pour commander chacun desdits circuits de conversion d’énergie.
[0022] Dans chaque circuit de conversion, le dispositif d'interface 100 comprend ainsi des moyens unidirectionnels 8 dits de découplage comprenant un composant unidirectionnel, ici formé par la diode DI, D2, ou D3, qui est monté en série dans chaque circuit de conversion, du côté de la borne d’entrée 1 de la voie d'entrée. Ce composant unidirectionnel 8 est monté dans un sens permettant l’entrée d’un courant depuis la source 2 d’énergie vers l’élément magnétique 7.
Le dispositif 100 comprend pour chaque élément magnétique 7 un composant unidirectionnel dit roue libre 9, ici formé par la diode DI', D2', ou D3', qui est monté en série dans le circuit de conversion, du côté de la voie de sortie 3 et dans un sens permettant le passage du courant depuis l’élément magnétique 7 vers la voie de sortie 3.
Dans cet exemple, les composants unidirectionnels sont réalisés chacun par une unique diode, par exemple une diode classique d'un type similaire à celles utilisées pour réaliser un redressement.
L'interrupteur de commande, ici référencé comme Sw, est par exemple un transistor d'un type connu, par exemple un transistor de puissance ou un interrupteur transistorisé ou un transistor de type MOSLET.
Le circuit de commande 6 est par exemple d'un type connu, tel qu'un contrôleur de commande par modulation de largeur d'impulsion ou PWM (pour Pulse Width Modulation).
[0023] Le dispositif d'interface 100 possède ici trois voies d’entrées INI, IN2 et IN3. Cependant, dans d’autres variantes du dispositif 100, le nombre d'entrées peut être différent.
Chacune des entrées est alimentée par une source 2 d’énergie électrique fournissant une tension continue, ici au sens large c'est-à-dire sans changement de polarité. Les sources 2 d’énergie électrique sont symbolisées en figure 1 par les termes :
- SI pour la première voie d'entrée INI,
- S2 pour la deuxième voie d'entrée IN2,
- S3 pour la troisième voie d'entrée IN3.
Dans l'exemple de la figure 1 les différentes sources d’énergie 2 délivrent une tension sans changement de polarité, mais leur nature n'est pas spécifiée. Elles peuvent délivrer une tension identique ou différentes selon les différentes voies d’entrées, et possiblement variable dans le temps.
La tension délivrée par les sources d’énergie 2 est par exemple comprise entre 0,1 V et 500 V, selon les types de sources.
[0024] Dans le dispositif 100, la charge ou le moyen de stockage 4 est une batterie rechargeable, par exemple une batterie lithium-ion d'une tension comprise entre 3,6 V et 4,2 V.
[0025] Le dispositif 100 comprend au moins un élément magnétique 7 par source d’énergie 2. Le nœud 12 connecte l’élément magnétique 7 de chaque circuit de conversion à son moyen de découplage 8 et à son élément roue libre 9. L’élément magnétique 7 de chaque circuit de conversion est donc connecté d’une part au nœud 12 et d’autre part au nœud 3'. Ce nœud 3' est ainsi connecté avec tous les éléments magnétiques 7 des circuits de conversion, il est connecté avec une borne de l'interrupteur de commande 5, et il forme une borne de la voie de sortie OUT du dispositif d'interface, à laquelle est connectée la borne positive de la charge 4 ou du moyen de stockage 4 d’énergie.
Les éléments magnétiques 7 de chaque circuit de conversion sont typiquement des bobines 7 fournissant chacune une inductance déterminée, et sont référencées en figure 1 comme :
- L1 pour le premier circuit de conversion, qui est connecté à la première voie d’entrée INI de l'interface 100,
- L2 respectivement pour le deuxième circuit de conversion, qui est connecté à seconde entrée 1 du dispositif 100 et
- L3 respectivement pour le troisième circuit de conversion au niveau de la troisième entrée 1 du dispositif 100.
rev.4 inductance simple
[0026] Dans le dispositif 100 illustré en figure 1, l'élément magnétique 7 est réalisé par une inductance qui est connectée électriquement à la fois du côté de la voie d'entrée 1 et du côté de la voie de sortie 3. L’élément magnétique 7 est typiquement une bobine. Dans l'exemple illustré ici, les circuits de conversion comprennent chacun une seule bobine 7 par source d’énergie 2.
[0027] Dans chaque circuit de conversion, le composant roue libre 9 est connecté en série entre l'élément magnétique 7 et la borne 3 de la voie de sortie OUT. Le composant 9 roue libre est ici formé uniquement par un composant unidirectionnel 9, ici sous la forme uniquement d'une diode 9. Les composants 9 roue libre sont référencés en figure 1 par les termes :
- D’ 1 pour la roue libre 9 du premier circuit de conversion,
- D’2 pour la roue libre 9 du second circuit de conversion,
- D’3 pour la roue libre 9 du troisième circuit de conversion.
Dans des variantes non illustrées ici, un ou plusieurs éléments magnétiques 7 comprennent une inductance couplée, laquelle inclut deux inductances couplées magnétiquement entre elles : une inductance d’entrée qui est connectée à la voie d’entrée 1 et une inductance de sortie qui est connectée à la voie de sortie 3 et est couplée magnétiquement à ladite inductance d’entrée. La voie d'entrée peut ainsi être électriquement isolée de la voie de sortie, tout en lui transférant de l'énergie par couplage magnétique à l'intérieur de l'élément magnétique. Comme illustré en figure 1, le système d’alimentation électrique d'une charge électrique, ici de l’élément de stockage 4 électrique, comprend :
- le dispositif 100 de récupération d’énergie décrit précédemment, dont la voie de sortie 3 est connectée à ladite charge 4 électrique ou élément de stockage 4 électrique, ou est agencée pour pouvoir y être connectée ;
- la pluralité SI, S2, S3 de sources d’énergie 2 générant chacune une énergie électrique par récupération d’énergie, typiquement non-électrique, lesquelles sources 2 sont connectées aux différentes voies d’entrées 1 du dispositif d'interface 100 ;
- un circuit de commande 6 agencé pour fournir le signal de commande à l'interrupteur 5 de commande.
[0028] Le procédé de récupération d’énergie, mis en œuvre par le dispositif 100, connecté par ses différentes voies d'entrée 1 à une pluralité de sources 2 d'énergie, ou mis en œuvre par le système selon le dispositif 100 énoncé précédemment, comprend une itération de deux phases. L’itération est commandée par le signal de commande émis par le circuit de commande 6, selon un rapport cyclique à une fréquence déterminée. Ces deux phases sont les suivantes :
- une phase passante de l’interrupteur 5 de commande, c'est-à-dire où l'interrupteur ferme le circuit de chacune des voies d'entrée, et
- une phase bloquante de l’interrupteur 5 de commande, c'est-à-dire où l'interrupteur ouvre le circuit de chacune des voies d'entrée.
Au début de la phase passante et pendant une certaine durée, pouvant représenter tout ou partie de la durée passante, pour chacun des circuits de conversion, une énergie électrique provenant de la voie d’entrée INI, IN2, IN3 rentre dans le circuit de conversion, sous la forme d'un courant d'entrée qui traverse le moyen de découplage 8 jusqu'au nœud central 12, pour s’accumuler dans l’élément magnétique 7 sous forme d'énergie magnétique. Ce courant d'entrée provient du nœud d'entrée 1 de la source 2, et est bloqué du côté de la voie de sortie 3 par le composant roue-libre 9, car il arrive dans le sens bloquant de son composant unidirectionnel DI', D2', respectivement D3'. En phase passante, chaque source 2 magnétise son élément magnétique 7 respectif indépendamment des autres sources.
Au début de la phase bloquante et pendant une certaine durée, pouvant représenter tout ou partie de la durée bloquante, pour chacun des circuits de conversion, l'élément magnétique 7 n'est plus alimenté par la source. En conséquence, l’énergie accumulée dans cet élément magnétique 7 le quitte pour alimenter la voie de sortie OUT, sous la forme d'un courant de sortie qui entre dans la charge 4 par la borne 3' et en ressort par sa borne 3, pour traverser le composant roue libre 9 dans son sens passant vers le nœud central 12. Pendant cette phase, ce courant de sortie arrivant au nœud 12 depuis la roue-libre 9 est bloqué du côté du nœud d'entrée 1 de la voie d'entrée INI, IN2, IN3 par le moyen de découplage 8, car il arrive dans le sens bloquant de son composant unidirectionnel DI, D2, respectivement D3.
[0029] Sur le dispositif 200, les composants roues libres 9 obligent le courant issu des ré sonateurs 11 piézoélectriques à pénétrer uniquement et donc entièrement dans les éléments magnétiques 7.
Le moyen de découplage 8 évite un transfert d’énergie des éléments magnétiques 7 vers les sources d’énergie 2 lors de la démagnétisation de l’élément magnétique 7. La démagnétisation des éléments magnétiques 7 se fait donc dans chaque voie indépendamment des autres voies, grâce aux moyens de découplage 8.
Ainsi qu'on le comprend, lors de la phase passante, le courant, délivré par chacune des différentes sources d’énergie sur sa voie d’entrée respective, entre dans l'interface 100 par le nœud d'entrée 1, et traverse ensuite le moyen de découplage 8 pour venir magnétiser l'inductance 7.
[0030] Les figure 2 à 4 et 6 illustrent des exemples d'un deuxième mode de réalisation de l’invention, basé sur celui de la figure 1 en en précisant certaines parties.
Dans ce deuxième mode de réalisation, seules seront décrites les différences avec la figure 1.
[0031] Dans ce mode de réalisation, chacune des sources 2 d’énergie connectées en entrée du dispositif 200 comprend un générateur d’énergie 11 produisant une tension alternative et comprend un circuit de redressement 10 agencé pour redresser ladite tension alternative de façon à ce que ladite source 11 délivre une tension continue. Chaque circuit de redressement 10 est ici entouré par un carré en traits pointillés.
Les générateurs d’énergie 11 des sources 2 en entrée de l'interface 200 sont typiquement des transducteurs produisant une énergie électrique à partir d'une énergie ambiante non électrique. Dans le cas considéré dans les figures 2 à 4 et 6, les générateurs d’énergie 11 sont des résonateurs piézoélectriques 11, représentés sur les figures 2 à 4 et 6 par les termes :
- PZ1 pour le résonateur 11 de la première voie d’entrée INI,
- PZ2 pour le résonateur 11 de la seconde voie d’entrée IN2,
- PZ3 pour le résonateur 11 de la troisième d’entrée IN3.
Les résonateurs 11 peuvent être connectés séparément au circuit d’interface et/ou connectés simultanément, par des moyens non illustrés ici. Les résonateurs 11 peuvent être identiques ou différents l'un de l'autre. Dans le cas considéré du dispositif 200, les résonateurs 11 sont différents et choisis par exemple pour résonner à des fréquences différentes.
[0032] Le circuit de redressement 10 est connecté en parallèle de chaque résonateur 11 piézoélectrique , et convertit une tension alternative d’entrée (AC) délivrée par les générateurs 11 en une tension continue (DC) ou au moins redressée (c'est-à-dire sans changement de polarité). Le circuit de redressement 11 peut être réalisé de différentes manières.
La figure 2 illustre le mode préférentiel du système 201, en particulier pour ce qui est du circuit de redressement 10. Ce circuit de redressement 10 comprend ici un seul élément unidirectionnel pour chacune des voies d’entrée du dispositif 200. Cet élément unidirectionnel 10 est typiquement une unique diode, par exemple une diode de redressement d'un type classique. L’utilisation d’un seul élément unidirectionnel 10 facilite la mise en œuvre du circuit de redressement. Le circuit de redressement par une diode 10 unique est plus simple qu’un pont de diodes classique, et permet de diminuer les pertes associées à la conversion du signal alternatif en continu. Il y a moins de perte de chute de tension dans une diode de redressement 10 que dans un classique point de quatre diodes. En outre, il s'avère à l'expérience que le redressement par une diode unique ne diminue pas le rendement par rapport à un pont classique, ou d'une façon bien moindre que l'on aurait pu attendre.
En figure 3, le circuit de redressement 10 est différent pour chacune des voies d’entrée du dispositif 200. Le circuit de redressement 10 du résonateur 11 PZ1 comprend un pont de diodes classique à quatre branches, composé par quatre diodes, sur lequel est connecté en parallèle une branche de filtrage comprenant un condensateur. Au niveau du résonateur 11 PZ2, le circuit de redressement 10 est un pont de diodes similaire de quatre diodes mais sans aucune capacité entre les bornes de sortie du pont et de la source. Au niveau du résonateur 11 PZ3, le circuit de redressement 10 est composé d’un pont de diodes à deux branches avec une diode sur chaque branche, et une branche de filtrage comprenant un condensateur, en parallèle du pont et de la sortie de la source. Les circuits de redressement 10 en pont de diode fournissent ainsi, à la sortie de chaque source, une tension qui conserve la même polarité pour n’importe quelle polarité de la tension générée par les générateurs 11.
En figure 4, le circuit de redressement 10 est ici identique pour les trois voies d’entrée INI, IN2 et IN3, sous la forme d'un pont de diodes à quatre branches et sans filtrage. Le circuit de redressement est identique à celui au niveau de l’entrée PZ2 de la figure 3.
[0033] Pour les modes de réalisation à redressement par diodes et sans filtrage, ici en figure 3 dans la deuxième source 2, et dans chacune des sources 2 en figure 4, on notera que le circuit redressement 10 réalise aussi la fonction de moyen de découplage 8. Ainsi, dans un tel circuit 10, les deux diodes qui sont passantes vers le nœud d'entrée 1 (ici en partie haute) réalisent d’une part un redressement de la tension délivrée par les générateurs 11 et d’autre part forment aussi le moyen de découplage 8 de la voie d'entrée C'est pour cette raison que l'encadrement en traits pointillés qui représente le circuit d'interface 200 s'étend sur la gauche de la figure 3 et 4, et englobe lui aussi certaines diodes faisant partie du circuit de redressement 10.
[0034] Dans le dispositif d'interface 200 illustré en figure 2, les éléments magnétiques 7 de plusieurs circuits de conversion différents présentent des inductances différentes.
L’inductance de l’élément magnétique 7 est choisie en fonction du résonateur utilisé, façon à produire des impédances d’entrée différentes, qui seront compatibles avec et optimisées pour des résonateurs 11 différents.
[0035] Dans l'interface 200, les composants roues libres 9 obligent le courant issu des résonateurs 11 piézoélectriques à pénétrer uniquement et donc entièrement dans les éléments magnétiques 7. Dans un tel dispositif 200 (comme 100) les composants roue libre 9 permettent que toutes les sources alimentent la voie de sortie au maximum de ses possibilités, même si les générateurs d’énergie 11 délivrent une tension différente pour chacune des voies d’entrée. Dans le cas contraire seul le générateur 11 délivrant la tension la plus élevée participerait au chargement de la charge 4 ou de l’élément de stockage d’énergie 4.
[0036] Le système 201 comprend une unique commande 6 délivrant le signal permettant de contrôler la phase passante ou bloquée de l’interrupteur de commande 5. Le signal dans ce cas-ci est rectangulaire. Le signal de commande se définit par une fréquence fsw typiquement comprise entre quelques Hz et quelques centaines de kHz, et par un rapport cyclique D qui représente le rapport entre la phase ouverte et la phase fermée à l'intérieur d'une période. L’interrupteur est par exemple un transistor 5 identifié par T sur les figures 2 à 4. L'interrupteur de commande 5 est ici illustré à titre d'exemple sous la forme d'un transistor de types MOSFET.
Dans ces exemples, le procédé de récupération comprend ainsi un redressement de la tension alternative produite par le ou les générateurs PZ1 à PZ3 pour que leurs sources respectives 2 délivrent chacune une tension redressée à leurs voies d'entrée respectives.
Les présents exemples portent sur une interface à trois entrées. Pour un circuit d’interface à N entrées 1, on aura N diodes de découplage 8, N diodes de roue libre 9, et un seul interrupteur électronique 5.
Le réglage des deux paramètres de commande du signal de commande permet d’optimiser la puissance totale fournie par l’ensemble des résonateurs 11 piézoélectriques. Cette optimisation de puissance peut être analysée comme une adaptation optimale entre l’impédance de la source (le résonateur 11 piézoélectrique associé à son circuit de redressement 10) et l’impédance d’entrée de la voie d'entrée correspondante du circuit d’interface 200.
L’adaptation optimale d’impédance est obtenue très simplement lorsque le circuit d'interface 200 fonctionne en régime de conduction discontinue, c’est-à-dire quand les inductances Ll, L2, L3 se démagnétisent totalement au cours de la période de découplage Tsw=l/fsw. Pour ce régime de fonctionnement, l’impédance Zi de l’entrée i de l'interface 200 de récupération d’énergie (ou circuit d’interface 200) vérifie l’équation :
Zi=2*Li*fsw/D*D
Ainsi pour un ensemble donné comprenant un résonateur 11 piézoélectrique et des moyens de redressement 10 dont on connaît l’impédance interne, on peut régler l’impédance d’entrée de la voie d'entrée i à la valeur optimale, en choisissant les valeurs adéquates de la fréquence de découpage fsw, du rapport cyclique D et de l’inductance Li. Bien que les paramètres fsw et D soient communs à toutes les entrées, le fait de choisir des inductances Li de valeurs différentes entre elles permet d’obtenir des impédances différentes pour chacune des entrées de l'interface 200.
[0037] La figure 6 illustre les puissances mesurées (en W) en sortie du dispositif d'interface 200 en fonction de la fréquence, dans la configuration de la figure 2, lorsque les résonateurs 11 sont connectés séparément au circuit d’interface puis lorsqu’ils sont connectés simultanément (et pour une même puissance d'excitation mécanique). Lorsque les résonateurs 11 sont connectés simultanément, la puissance obtenue en sortie 3 du circuit est égale à la somme des puissances fournies indépendamment par chacun des résonateurs 11. Les courbes Resl, Res2 et Res3 ayant chacune un seul maximum situé à la fréquence de résonance de leur résonateur 11 respectifs PZ1, PZ2, PZ3, représentent individuellement les trois résonateurs 11 connectés individuellement, c'est-à-dire pour chacun en déconnectant tous les autres. La courbe Resl+Res2+Res3, ou courbe conjuguée, représente le cas où les trois résonateurs 11 sont connectés simultanément. Dans le cas où les résonateurs 11 sont connectés simultanément, la puissance obtenue en sortie du dispositif 200 est égale à la somme des puissances fournie indépendamment par chacun des résonateurs 11 à une fréquence donnée. On peut observer que les maxima des trois résonateurs 11 connectés individuellement correspondent aux maxima de la courbe conjuguée, et que les variations de la courbe conjuguée suivent bien l’addition des puissances en sortie des courbes Resl à Res3. Dans le cas illustré en figure 6, les fréquences de résonance des résonateurs 11 ont été choisies de manière à obtenir une bande passante la plus large possible, tout en conservant sur toute cette bande passante une puissance globale supérieure à un seuil minimal, ici d'environ 0,015 W. Ce choix d'un étalement des fréquences permet notamment de disposer d'une alimentation permanente pour de plus grandes variations de fréquence ou de vitesse. En ce sens, une matrice de résonateurs 11 associées à un circuit d’interface à entrées multiples constitue une solution particulièrement simple (facile à mettre en œuvre), robuste, efficace.
[0038] Dans le système décrit par le dispositif 200, au moins une source 2 d’énergie connectée en entrée 1 du dispositif 200 de récupération comprend un générateur d’énergie 11 produisant une tension alternative et comprend un circuit de redressement 10 agencé pour redresser ladite tension alternative de façon à ce que ladite source 2 délivre une tension continue.
Le circuit de redressement 10 comprend une unique branche unidirectionnelle, notamment montée en parallèle avec le générateur 11, ladite branche comportant un ou plusieurs composants unidirectionnels.
La branche unidirectionnelle comprend ici une unique diode.
De préférence, la fréquence et le rapport cyclique du signal de commande sont déterminés de manière à optimiser globalement la puissance électrique délivrée sur la voie de sortie OUT du circuit d'interface 200, par exemple par un algorithme d'asservissement (dit Maximum Power Point Tracking) utilisant une mesure de la puissance délivrée pour ajuster les paramètres de commande 6 de l'interrupteur 5. Cette optimisation du signal de commande peut être faite une fois pour toute à la fabrication ou l'installation, ou de temps en temps par exemple par une réinitialisation, mais aussi de façon continue dans le temps pendant le fonctionnement par exemple pour suivre les variations de puissance ou de fréquence des sources 2.
De préférence, la fréquence et le rapport cyclique de l’ouverture et de la fermeture de l’interrupteur 5 de commande sont choisis pour que la magnétisation et la démagnétisation de l’élément magnétique 7 de tous ou certains des circuits de conversion produisent le régime de conduction discontinue au sein dudit élément magnétique 7. Dans ce cas, le dispositif est agencé et/ou ajusté pour optimiser la puissance globale obtenue en sortie du dispositif 200. Dans ce régime l’impédance du circuit d’interface est indépendante des tensions d’entrée et de sortie, ce qui permet de conserver cette optimisation même si ses paramètres électriques varient dans le temps.
[0039] Optionnellement, le procédé selon le dispositif 200 peut comprendre :
- un premier mode de fonctionnement, déterminé par un premier jeu de paramètres de fréquence et de rapport cyclique du signal de commande, produisant une première valeur d’impédance d’entrée pour chacun des circuits de conversion d’énergie ; et
- en vue d'adapter le fonctionnement à une modification d’un ou plusieurs des paramètres électriques extérieurs d'une ou plusieurs voies d'entrée (INI, IN2, IN3) ou de sortie (OUT),
- un changement desdits paramètres du signal de commande, de manière à modifier l'impédance des circuits de conversion pour tenir compte de ladite modification, et arriver ainsi à un deuxième mode de fonctionnement dépendant de ladite modification.
En régime de conduction discontinue, le signal de commande et/ou son changement est réglé principalement voire uniquement en fonction des fréquences.
Dans un cas où le ou les éléments magnétiques 7 fonctionnent en régime de conduction continue, volontairement ou non, l’impédance d'entrée du circuit d’interface 200 dépend des tensions d’entrée et de sortie.
L'étape de changement des paramètres de signal peut alors comprendre une nouvelle optimisation globale, par exemple par asservissement sur la puissance effectivement délivrée.
[0040] La figure 5 illustre un troisième exemple de mode de réalisation, qui ne sera décrit que dans ses différences.
Dans cet exemple, le système 301 de récupération d'énergie ambiante comprend plusieurs sources 2 : SI, S2 et S3, qui récupèrent des énergies de natures différentes.
Au niveau de la première voie d’entrée INI, la source 2 est une source lumineuse PV1, typiquement basée sur un panneau photo voltaïque, qui génère une tension continue. Au niveau de la deuxième voie d’entrée IN2, la source 2 est une source thermoélectrique TH2 d'un type connu, qui génère une tension continue. Au niveau de la troisième voie d’entrée IN3, la source 2 est un résonateur 11 piézoélectrique PZ3 muni d'un circuit de redressement, tel que décrit en figure 2 à 4. D'autres types d'énergie peuvent aussi être récupérées, par exemple un générateur entraîné par un flux d'air ou d'eau, et/ou par frottement lors d'un déplacement.
Pour les voies d’entrée INI et IN2, dont les sources PV1 et TH2 produisent directement une tension continue, les énergies délivrées sont directement transmises au éléments de découplage 8 formés par les diodes DI et D2. Au niveau de la voie d’entrée IN3, la tension alternative délivrée par le résonateur 11 est redressée par un élément unidirectionnel de redressement 10, par une unique diode. Le dispositif 300 de récupération d’énergie peut être qualifié de « multisources » car il exploite simultanément différentes sources d’énergie différentes, ici des sources lumineuse, thermique et mécanique. Typiquement, les éléments magnétiques 7 du dispositif 300 sont différents et déterminés pour être chacun optimisé en fonction de la source 2 qui l'alimente.
Alternativement ou en combinaison avec des entrées multifréquences telles qu'illustrées en figure 2 à 4, l'utilisation de plusieurs natures de source peut permettre d'augmenter la puissance récupérer, et/ou de maintenir l'alimentation dans le temps quand certaines sources font défaut, par exemple pendant la nuit ou en l'absence de vent.
[0041] Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention, par exemple par simple inversion de l'ensemble des polarités.

Claims (1)

  1. [Revendication 1]
    Revendications
    Dispositif d'interface pour récupération d’énergie comprenant :
    - plusieurs voies d’entrées (INI, IN2, IN3) agencées pour être alimentées chacune par une source d’énergie (2) électrique fournissant une tension continue, ou variable en fonction du temps sans changement de polarité,
    - une voie de sortie (OUT) agencée pour être connectée à une charge (4) électrique ou un moyen de stockage (4) d’énergie électrique, de manière à utiliser une énergie reçue par les voies d’entrée pour alimenter ladite charge (4) électrique ou charger ledit moyen de stockage (4), caractérisé en ce que le dispositif comprend :
    - au moins un interrupteur de commande (5) agencé pour s’ouvrir et/ou se fermer de façon itérative selon un signal de commande, et
    - une pluralité de circuits de conversion d’énergie, dont chacun comprend un élément magnétique (7) qui est :
    - d’une part connecté à une voie d’entrée (INI, IN2, IN3) et est agencé pour se magnétiser lors d’une phase fermée de l’interrupteur de commande (5), par réception d’énergie depuis ladite voie d’entrée (INI, IN2, IN3), et
    - d’autre part connecté à la voie de sortie (OUT) de façon à se démagnétiser lors d’une phase ouverte de l’interrupteur de commande (5), par fourniture d’énergie électrique à la voie de sortie (OUT) ;
    et en ce que :
    - le dispositif comprend un même interrupteur de commande (5) qui est connecté au circuit de conversion du côté des voies d’entrées (INI, IN2, IN3) et est agencé pour commander lesdits circuits de conversion d’énergie,
    - le dispositif comprend des moyens unidirectionnels dits de découplage (8) comprenant au moins un composant unidirectionnel monté en série dans chaque circuit de conversion, du côté de la voie d’entrée (INI, IN2, IN3) et dans un sens permettant l’entrée d’un courant depuis la source d’énergie (2) vers l’élément magnétique (7) ; et
    - le dispositif comprend pour chaque élément magnétique (7) au moins un composant unidirectionnel dit roue libre (9), qui est monté en série dans le circuit de conversion, du côté de la voie de sortie (OUT) et dans un sens permettant le passage du courant depuis l’élément magnétique (7) vers la voie de sortie (OUT).
    [Revendication 2] Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que tout ou partie des composants unidirectionnels est réalisé chacun par une unique diode. [Revendication 3] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments magnétiques (7) de plusieurs circuits de conversion différents présentent des inductances différentes. [Revendication 4] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un ou plusieurs circuits de conversion présentent chacun un élément magnétique (7) dont l’inductance est déterminée pour que la voie d’entrée (INI, IN2, IN3) dudit circuit de conversion présente une impédance déterminée en fonction d'une source (2) déterminée, de façon à optimiser sa récupération d’énergie depuis ladite source (2) déterminée, le dispositif présentant ainsi plusieurs voies d’entrées optimisées individuellement pour plusieurs sources (2) différentes. [Revendication 5] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’au moins un élément magnétique (7) est réalisé par une inductance qui est connectée électriquement à la fois du côté de la voie d'entrée (INI, IN2, IN3) et du côté de la voie de sortie (OUT). [Revendication 6] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’élément magnétique (7) comprend une inductance couplée, laquelle inclut au moins une inductance d’entrée qui est connectée à la voie d’entrée (INI, IN2, IN3) et une inductance de sortie qui est connectée à la voie de sortie (OUT) et est couplée magnétiquement à ladite inductance d’entrée. [Revendication 7] Système de récupération d'énergie pour l'alimentation électrique d'une charge (4) électrique ou d'un élément de stockage (4) électrique, comprenant : - un dispositif de récupération d’énergie selon l’une quelconque des revendications précédentes, dont la voie de sortie (OUT) est connectée à ladite charge (4) électrique ou élément de stockage (4) électrique, ou est agencée pour pouvoir y être connectée ; - une pluralité de sources d’énergie (2) agencées pour générer une énergie électrique par récupération d’énergie, typiquement nonélectrique, lesquelles sources (2) sont connectées aux différentes voies d’entrée du dispositif de récupération d’énergie ; - un circuit de commande (6) agencé pour fournir le signal de commande à l'interrupteur de commande (5).
    [Revendication 8] Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que plusieurs sources d’énergie (2) connectées à l’entrée du dispositif de récupération utilisent des énergies de même nature et/ou de natures différentes. [Revendication 9] Système selon l'une quelconque des revendications 7 à 8, caractérisé en ce qu’au moins une source d’énergie (2) connectée en entrée du dispositif de récupération comprend un générateur d’énergie (11) produisant une tension alternative et comprend un circuit de redressement (10) agencé pour redresser ladite tension alternative de façon à ce que ladite source (2) délivre une tension continue. [Revendication 10] Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le circuit de redressement (10) comprend une unique branche unidirectionnelle, notamment montée en parallèle avec le générateur (11), ladite branche comportant un ou plusieurs composants unidirectionnels. [Revendication 11] Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la branche unidirectionnelle comprend une unique diode. [Revendication 12] Procédé de récupération d’énergie, mis en œuvre par un dispositif selon l’une des revendications 1 à 7, connecté par ses différentes voies d'entrée (INI, IN2, IN3) à une pluralité de sources d'énergies (2), ou mis en œuvre par un système selon l’une quelconque des revendications 8 à 11, ledit procédé comprenant une itération, commandée selon un rapport cyclique par un signal de commande à une fréquence déterminée, des phases suivantes : - une phase passante de l’interrupteur de commande (5) dans laquelle, pour chacun des circuits de conversion, l’énergie électrique provenant de la voie d’entrée (INI, IN2, IN3) rentre dans le circuit de conversion en traversant le moyen de découplage (8) pour s’accumuler dans l’élément magnétique (7), et en étant bloquée du côté de la voie de sortie (OUT) par le composant roue-libre (9); et - une phase bloquante de l’interrupteur de commande (5) dans laquelle, pour chacun des circuits de conversion, l’énergie accumulée dans l’élément magnétique (7) alimente la voie de sortie (OUT) par un courant qui traverse le composant roue libre (9), et est bloqué du côté de la voie d'entrée (INI, IN2, IN3) par le moyen de découplage (8). [Revendication 13] Procédé selon la revendication 12, dans lequel au moins une voie d'entrée (INI, IN2, IN3) est alimentée par une source d’énergie (2) comprenant un générateur d’énergie (11) produisant une tension alternative, ledit procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend un re-
    dressement de ladite tension alternative pour que ladite source (2) délivre une tension continue à ladite voie d'entrée (INI, IN2, IN3). [Revendication 14] Procédé selon les revendications 12 et 13, caractérisé en ce que la fréquence et le rapport cyclique de l’ouverture et de la fermeture de l’interrupteur de commande (5) sont choisis pour que la magnétisation et la démagnétisation de l’élément magnétique (7) de tous ou certains des circuits de conversion produisent un régime de conduction discontinue au sein dudit élément magnétique (7). [Revendication 15] Procédé selon les revendications 12 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend : - un premier mode de fonctionnement, déterminé par un premier jeu de paramètres de fréquence et de rapport cyclique du signal de commande, produisant une première valeur d’impédance d’entrée pour chacun des circuits de conversion d’énergie ; et - en vue d'adapter le fonctionnement à une modification d’un ou plusieurs des paramètres électriques extérieurs d'une ou plusieurs voies d'entrée (INI, IN2, IN3) ou de sortie (OUT), - un changement desdits paramètres du signal de commande, de manière à modifier l'impédance des circuits de conversion pour tenir compte de ladite modification, et arriver ainsi à un deuxième mode de fonctionnement dépendant de ladite modification.
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