FR3120278A1 - Circuit d’alimentation maximisant l’utilisation d’une énergie stockée - Google Patents

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Pierre Lhuillier
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Abstract

Circuit d’alimentation (11) comportant un composant actif d’alimentation (13) agencé pour produire une tension de sortie prédéfinie sur une sortie (13b), un dispositif de stockage d’énergie électrique (14) comprenant au moins un condensateur et ayant une borne de plus haut potentiel (14a) connectée à une entrée (13a) du composant actif d’alimentation ; le circuit d’alimentation étant agencé pour, en cas d’indisponibilité d’une source d’alimentation principale, alimenter temporairement un circuit aval grâce à une énergie préalablement chargée dans le dispositif de stockage d’énergie électrique, le circuit d’alimentation étant caractérisé en ce que la sortie du composant actif d’alimentation est connectée à une borne de plus bas potentiel (14b) du dispositif de stockage d’énergie électrique. FIGURE DE L’ABREGE: Fig. 2

Description

Circuit d’alimentation maximisant l’utilisation d’une énergie stockée
L’invention concerne le domaine des circuits d’alimentation comprenant des condensateurs (notamment des supercondensateurs) pour alimenter un circuit aval en cas d’indisponibilité d’une source d’alimentation principale.
ARRIERE PLAN DE L’INVENTION
Certains équipements électriques, tels qu’un compteur électrique par exemple, qui sont alimentés en fonctionnement normal par une source d’alimentation principale, doivent pouvoir fonctionner temporairement en cas d’indisponibilité volontaire ou accidentelle de la source d’alimentation principale.
Le temps de fonctionnement de l’équipement électrique devra être prolongé typiquement de quelques secondes à quelques minutes.
Une solution connue pour satisfaire cette contrainte est de munir l’équipement électrique d’un dispositif de stockage d’énergie électrique. Le dispositif de stockage comprend classiquement un ou plusieurs condensateurs, qui sont fréquemment des supercondensateurs. Le dispositif de stockage est d’abord chargé sous une tension prédéfinie pendant le fonctionnement normal de l’équipement électrique. L’énergie électrique ainsi emmagasinée dans le dispositif de stockage peut être ensuite restituée (via une décharge dudit dispositif de stockage) pour alimenter temporairement l’équipement électrique en cas d’indisponibilité de la source d’alimentation.
Généralement, la tension de charge du dispositif de stockage est supérieure à la tension d’alimentation nécessaire au fonctionnement normal de l’équipement électrique. Cela permet de maximiser l’énergie électrique emmagasinée dans le dispositif de stockage tout en limitant la taille et en maitrisant le coût dudit dispositif de stockage. En effet, l’énergie électrique E emmagasinée dans un condensateur de capacité C est proportionnelle au carré d’une tension VCchargée aux bornes dudit condensateur :
Pour une énergie électrique E donnée, augmenter la tension de charge VCpermet donc de diminuer la capacité C dudit condensateur.
La représente un circuit d’alimentation de l’art antérieur 1, intégré dans un équipement électrique. Le circuit d’alimentation 1 comporte :
  • une entrée 2 connectée à une source d’alimentation principale (non représentée sur la ) fournissant une tension d’alimentation principale Vin. La tension Vinest ici une tension continue DC (en anglaisDirect Current).
  • un composant actif d’alimentation 3 comprenant une entrée 3a et une sortie 3b. Le composant 3 nécessite ici une tension d’entrée minimale Vminsur ladite entrée 3a pour produire une tension de sortie prédéfinie Voutsur ladite sortie 3b. La tension Vminest une tension constante propre au composant 3 et la tension Voutest une tension continue DC. Par exemple, le composant 3 peut être un régulateur linéaire ou encore un circuit d’alimentation à découpage telle qu’un convertisseurBuckou un convertisseurBoost;
  • un dispositif de stockage d’énergie électrique 4 comportant des condensateurs C1, C2, …, Ck,…, Cnmontés en série. Le dispositif de stockage 4 comprend une borne de plus haut potentiel 4a et une borne de plus bas potentiel 4b ;
  • un circuit de charge 5 du dispositif de stockage 4 comprenant une entrée 5a et une sortie 5b et comportant une résistance R1et un interrupteur SW1, l’interrupteur SW1étant commandé par un circuit de commande (non représenté sur la ). L’interrupteur SW1est par exemple un MOSFET (en anglaisMetal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) ou un BJT (en anglaisBipolar Junction Transistor) ;
  • une diode Zener DZ1comprenant une anode et une cathode et présentant une tension d’avalanche VZ1;
  • trois diodes D1, D2et D3comprenant chacune une anode et une cathode. Les diodes D1, D2et D3sont par exemple des diodes silicium ou des diodes Schottky.
  • une masse électrique 6, le potentiel électrique de la masse 6 étant de préférence un 0V de référence.
La connexion des composants du circuit d’alimentation 1 est maintenant décrite.
L’entrée 2 est connectée à l’entrée 3a du composant 3 via la diode D2. Plus précisément, l’anode de la diode D2est connectée à l’entrée 2 et la cathode de la diode D2est connectée à l’entrée 3a du composant 3.
L’entrée 2 est également connectée à l’entrée 5a du circuit de charge 5 via la diode D1. Plus précisément, l’anode de la diode D1est connectée à l’entrée 2 et la cathode de la diode D1est connectée à l’entrée 5a du circuit de charge 5.
La sortie 5a du circuit de charge 5 est connectée à la borne de plus haut potentiel 4a du dispositif de stockage 4.
La borne de plus haut potentiel 4a du dispositif de stockage 4 (et donc la sortie 5a du circuit de charge 5) est également connectée à l’entrée 3a du composant 3 via la diode D3. Plus précisément, l’anode de la diode D3est connectée à la borne de plus haut potentiel 4a du dispositif de stockage 4 et la cathode de la diode D3est connectée à l’entrée 3a du composant 3.
La borne de plus bas potentiel 4b du dispositif de stockage 4 est connectée à la masse électrique 6.
La diode Zener DZ1est connectée en parallèle du dispositif de stockage 4. Plus précisément, l’anode de la diode DZ1est connectée à la borne de plus bas potentiel 4b du dispositif de stockage 4 (donc à la masse électrique 6) et la cathode de la diode DZ1est connectée à la borne de plus haut potentiel 4a du dispositif de stockage 4.
La sortie 3a du composant 3 est connectée à un circuit aval (non représenté sur la ). Le circuit aval comprend par exemple un microcontrôleur.
La fonction du circuit d’alimentation 1 est d’alimenter le circuit aval.
Le composant actif d’alimentation 3 comprend également un port connecté à la masse électrique 6.
Le fonctionnement du circuit d’alimentation 1 est maintenant décrit.
Ici, afin de simplifier la description qui va suivre du fonctionnement du circuit d’alimentation 1, les diodes D1, D2et D3sont considérées comme des diodes idéales, c’est-à-dire présentant une tension de seuil nulle.
Le circuit d’alimentation 1 présente au moins 2 modes de fonctionnement : un mode de fonctionnement normal et un mode de fonctionnement dégradé.
Le circuit d’alimentation 1 est dans le mode de fonctionnement normal lorsque la source d’alimentation principale est disponible. La tension d’alimentation principale Vin(reçue sur l’entrée 2) est alors supérieure ou égale à la tension d’entrée minimale Vminnécessaire au fonctionnement normal du composant 3 (Vin≥ Vmin). Par exemple, la tension Vinest égale à 12V et la tension Vminest égale à 5V.
La diode D2est donc passante et permet alors à un courant électrique de circuler entre l’entrée 2 et l’entrée 3a du composant 3. Ainsi, la tension Vinest reçue sur l’entrée 3a du composant 3. Sachant que la tension Vinest supérieure ou égale à la tension Vmin, le composant 3 est en mesure de produire la tension de sortie prédéfinie Vout(continue) sur sa sortie 3b pour alimenter le circuit aval. Par exemple, la tension Voutest égale à 3,3V.
De la même manière, la diode D1est passante est le circuit de charge 5 peut alors charger le dispositif de stockage 4 à une tension Vchargeprédéfinie telle que Vmin< Vcharge< Vin. La circulation du courant électrique de charge est contrôlée par l’interrupteur SW1et son circuit de commande associé.
Plus précisément, la charge du dispositif de stockage 4 démarre consécutivement à la fermeture de l’interrupteur SW1. Le dispositif de stockage 4 se charge donc à partir de la tension Vinà travers la diode D1, la résistance R1et l’interrupteur SW1.
Le circuit de commande de l’interrupteur SW1comprend, par exemple, un comparateur agencé pour comparer en temps réel la tension aux bornes du dispositif de stockage 4 à la tension Vchargeprédéfinie. Ainsi, lorsque la tension aux bornes du dispositif de stockage 4 est égale à la tension Vcharge, le circuit de commande de l’interrupteur SW1ouvre ledit interrupteur SW1afin d’interrompre la circulation du courant électrique de charge. Il s’agit ici d’une implémentation possible mais non limitative du circuit de commande de l’interrupteur SW1(non représenté en ).
La tension Vchargechargée aux bornes du dispositif de stockage 4 étant strictement inférieure à la tension Vin, la diode D3est bloquée. Ainsi, une fois que le dispositif de stockage 4 est chargé à la tension Vcharge(suite à l’ouverture de l’interrupteur SW1ou au blocage de la diode D1), la diode D3assure que le dispositif de stockage 4 ne se décharge pas. La tension aux bornes du dispositif de stockage 4 est donc constante (égale à la tension Vcharge). L’énergie électrique Echargeemmagasinée dans le dispositif de stockage 4 peut donc être calculée à partir de la formule suivante :
En outre, la diode Zener DZ1est une diode de protection pour le dispositif de stockage 4. En effet, lorsque la tension aux bornes du dispositif de stockage 4 devient supérieure ou égale à la tension d’avalanche VZ1de la diode DZ1, la diode DZ1est conductrice et impose alors sa tension d’avalanche VZ1aux bornes dudit dispositif de stockage 4 (en anglais on parle devoltage clamping).
Le circuit d’alimentation 1 est dans le mode de fonctionnement dégradé lorsque la source d’alimentation principale est indisponible. La tension Vinest alors strictement inférieure à la tension d’entrée minimale Vminnécessaire au fonctionnement normal du composant 3. La tension Vinest donc également strictement inférieure à la tension Vchargechargée aux bornes du dispositif de stockage 4.
La diode D3est donc passante et les diodes D1et D2sont bloquées. En outre, l’interrupteur SW1peut être alors ouvert ou fermé.
La tension sur l’entrée 3a du composant 3 est donc égale à la tension Vcharge. Sachant que Vchargeest supérieure à Vmin, un courant électrique circule donc du dispositif de stockage 4 vers l’entrée 3a du composant 3, déchargeant ainsi ledit dispositif de stockage 4. En outre, les diodes D1et D2assurent que le dispositif de stockage ne se décharge pas vers la source d’alimentation principale à travers l’entrée 2. Ainsi, même lorsque le circuit d’alimentation est dans le mode de fonctionnement dégradé, le composant 3 est en mesure de produire une tension de sortie Voutpour alimenter le circuit aval. Au cours de la décharge du dispositif de stockage 4, la tension aux bornes dudit dispositif de stockage 4 diminue progressivement jusqu’à devenir inférieure à la tension Vmin.
Ainsi, l’énergie électrique emmagasinée dans le dispositif de stockage 4 (en fonctionnement normal) permet de prolonger le temps de fonctionnement du circuit d’alimentation 1, c’est-à-dire le temps pendant lequel le circuit aval est alimenté. La durée pendant laquelle le temps de fonctionnement du circuit d’alimentation 1 est prolongée correspond à la durée en fonctionnement dégradé.
Le problème majeur que pose le circuit d’alimentation de l’art antérieur 1 est que seule une fraction de l’énergie électrique emmagasinée dans le dispositif de stockage 4 est utilisée pour prolonger le temps de fonctionnement dudit circuit d’alimentation 1. En effet, seule l’énergie électrique emmagasinée, résultant de la charge du dispositif de stockage 4 entre la tension Vminet la tension Vchargeest utilisée.
Par contre, l’énergie électrique emmagasinée, résultant de la charge du dispositif de stockage 4 entre la masse électrique 6 (généralement la tension 0V de référence) et la tension Vmin, n’est pas utilisée.
Il existe également des composants électroniques spécifiques permettant de contrôler la charge et la décharge d’un condensateur. Un exemple d’un tel composant est le MP111 du fournisseur MPS (en anglaisMonolithic Power Systems). Le MP111 est un circuit intégré possédant, en particulier, une broche d’entrée connectée à une source d’alimentation principale et à un condensateur d’entrée, et une broche connectée à un condensateur de stockage. Par exemple, le condensateur d’entrée a une capacité de 22µF et le condensateur de stockage a une capacité de 2000µF. Le MP111 peut alors charger le condensateur de stockage à une tension de charge prédéfinie à partir de la source d’alimentation principale. Une fois que le condensateur de stockage est chargé à la tension de charge, le MP111 maintient l’énergie électrique ainsi emmagasinée dans ledit condensateur de stockage. Le MP111 surveille également en permanence la tension de la broche d’entrée, c’est-à-dire la tension de la source d’alimentation principale. Si cette dernière est inférieure à une tension de libération prédéfinie, le MP111 restitue l’énergie électrique emmagasinée dans le condensateur de stockage vers le condensateur d'entrée. En outre, le MP111 régule la tension d'entrée pour la maintenir proche de la tension de libération aussi longtemps que possible. Néanmoins, le MP111 ne permet pas de faire une restitution quasi complète de l’énergie emmagasinée dans le condensateur de stockage et présente donc le même inconvénient que le circuit d’alimentation 1 illustré à la .
On connaît aussi une solution qui utilise un accumulateur de grande capacité, comprenant une pluralité de condensateurs, appliqué à un système de commande électrique de la tourelle d’un char de combat et offrant une grande sécurité d’emploi. En effet, dans cette solution, les condensateurs sont immédiatement déchargés si une surtension est détectée à leurs bornes. Le risque d’explosion des condensateurs est donc très réduit. Cependant, cette solution ne permet pas d’obtenir une restitution quasi complète de l’énergie emmagasinée dans un condensateur.
OBJET DE L’INVENTION
L’invention a pour objet, dans un circuit d’alimentation tel que précédemment décrit, de maximiser l’utilisation de l’énergie électrique stockée dans le dispositif de stockage d’énergie.
En vue de la réalisation de cet objet, on propose un circuit d’alimentation comportant :
  • un composant actif d’alimentation comprenant une entrée pouvant être connectée à une source d’alimentation principale et une sortie, le composant actif d’alimentation étant agencé pour produire sur ladite sortie une tension de sortie prédéfinie pouvant alimenter un circuit aval
  • un dispositif de stockage d’énergie électrique comprenant au moins un condensateur et ayant une borne de plus haut potentiel connectée à l’entrée du composant actif d’alimentation ;
le circuit d’alimentation étant ainsi agencé pour, en fonctionnement normal, alimenter le circuit aval à partir de la source d’alimentation principale, le circuit d’alimentation étant en outre agencé pour, en cas d’indisponibilité de la source d’alimentation principale, alimenter temporairement le circuit aval grâce à une énergie préalablement chargée dans le dispositif de stockage d’énergie électrique. La sortie du composant actif d’alimentation est connectée à une borne de plus bas potentiel du dispositif de stockage d’énergie électrique.
L’invention est ainsi particulièrement avantageuse car, en cas d’indisponibilité de la source d’alimentation principale, le dispositif de stockage d’énergie électrique se décharge à partir de la tension chargée à ses bornes plus la tension de sortie.
Ainsi, le dispositif de stockage du circuit d’alimentation selon l’invention se décharge sur une dynamique de tension plus grande que celle du circuit d’alimentation de l’art antérieur. Le dispositif de stockage du circuit d’alimentation selon l’invention se décharge donc nécessairement sur une durée plus longue. Par conséquent, une plus grande fraction de l’énergie électrique emmagasinée dans le dispositif de stockage est restituée pour prolonger le temps de fonctionnement du circuit d’alimentation.
Pour un dispositif de stockage et une tension de charge donnés, l’avantage de la présente invention, par rapport aux solutions de l’art antérieur, est d’augmenter le temps de fonctionnement d’un équipement électrique en cas de d’indisponibilité de la source d’alimentation principale. En outre, pour une prolongation du temps de fonctionnement donnée, la présente invention permet de réduire la capacité des condensateurs du dispositif de stockage et donc de limiter la taille et le coût dudit dispositif de stockage.
Optionnellement, le composant actif d’alimentation nécessite une tension d’entrée minimale sur ladite entrée pour produire la tension de sortie prédéfinie.
Optionnellement, le dispositif de stockage d’énergie électrique comporte au moins un supercondensateur.
Optionnellement, le dispositif de stockage d’énergie électrique comporte une pluralité de supercondensateurs montés en série, la pluralité de supercondensateurs comprenant un premier supercondensateur connecté à l’entrée du composant actif d’alimentation via aucun autre supercondensateur et un dernier supercondensateur connecté à l’entrée du composant actif d’alimentation via tous les autres supercondensateurs, la borne de plus haut potentiel du dispositif de stockage d’énergie électrique étant une borne positive du premier supercondensateur et la borne de plus bas potentiel du dispositif de stockage d’énergie étant une borne négative du dernier supercondensateur.
Optionnellement, le composant actif d’alimentation comprend un circuit d’alimentation à découpage.
Optionnellement, le circuit d’alimentation à découpage est un convertisseurBuck.
Optionnellement, le composant actif d’alimentation est un régulateur linéaire.
Optionnellement, le circuit d’alimentation comprend un circuit de charge connecté à la borne de plus haut potentiel du dispositif de stockage d’énergie électrique, le circuit de charge étant agencé pour, en fonctionnement normal, charger le dispositif de stockage d’énergie électrique à partir de la source d’alimentation principale.
Optionnellement, le circuit d’alimentation comprend une diode comportant une anode et une cathode, l’anode étant connectée à la borne de plus haut potentiel du dispositif de stockage d’énergie et la cathode étant connectée à l’entrée du composant actif d’alimentation.
Optionnellement, le circuit d’alimentation comprend une diode comportant une anode et une cathode, l’anode pouvant être connectée à la source d’alimentation principale et la cathode étant connectée à l’entrée du composant actif d’alimentation.
L’invention concerne également un équipement électrique comprenant un circuit d’alimentation tel que précédemment décrit.
Optionnellement, l’équipement électrique comprend en outre la source d’alimentation principale et le circuit aval.
Optionnellement, l’équipement électrique est un compteur.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d’un mode de réalisation particulier non limitatif de l’invention.
La description de l’invention fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels :
la représente un circuit d’alimentation électrique de l’art antérieur ;
la représente un circuit d’alimentation électrique selon un mode de réalisation particulier de l’invention ;
la représente les signaux de mesure obtenus à partir de l’évaluation expérimentale du circuit d’alimentation électrique illustré à la ;
la représente les signaux de mesure obtenus à partir de l’évaluation expérimentale du circuit d’alimentation électrique illustré à la ;
la représente un circuit de test permettant de tester les performances du circuit d’alimentation électrique illustré à la .

Claims (13)

  1. Circuit d’alimentation (11), comportant :
    • un composant actif d’alimentation (13) comprenant une entrée (13a) pouvant être connectée à une source d’alimentation principale et une sortie (13b), le composant actif d’alimentation étant agencé pour produire sur ladite sortie une tension de sortie prédéfinie pouvant alimenter un circuit aval ;
    • un dispositif de stockage d’énergie électrique (14) comprenant au moins un condensateur (C1,…, Cn) et ayant une borne de plus haut potentiel (14a) connectée à l’entrée du composant actif d’alimentation ;
    le circuit d’alimentation étant ainsi agencé pour, en fonctionnement normal, alimenter le circuit aval à partir de la source d’alimentation principale, le circuit d’alimentation étant en outre agencé pour, en cas d’indisponibilité de la source d’alimentation principale, alimenter temporairement le circuit aval grâce à une énergie préalablement chargée dans le dispositif de stockage d’énergie électrique, le circuit d’alimentation étant caractérisé en ce que la sortie du composant actif d’alimentation est connectée à une borne de plus bas potentiel (14b) du dispositif de stockage d’énergie électrique.
  2. Circuit d’alimentation selon la revendication 1, le composant actif d’alimentation nécessitant une tension d’entrée minimale sur ladite entrée (13a) pour produire la tension de sortie prédéfinie.
  3. Circuit d’alimentation selon l’une des revendications précédentes, le ou les condensateurs étant des supercondensateurs.
  4. Circuit d’alimentation selon la revendication 3, le dispositif de stockage d’énergie électrique comportant une succession de supercondensateurs montés en série, la succession de supercondensateurs comprenant un premier supercondensateur (C1) dans un ordre de la succession de supercondensateurs défini à partir de l’entrée (13a) du composant actif d’alimentation et un dernier supercondensateur (Cn) dans ledit ordre, la borne de plus haut potentiel (14a) du dispositif de stockage d’énergie électrique étant une borne positive du premier supercondensateur et la borne de plus bas potentiel (14b) du dispositif de stockage d’énergie étant une borne négative du dernier supercondensateur.
  5. Circuit d’alimentation selon l’une des revendications précédentes, le composant actif d’alimentation comprenant un circuit d’alimentation à découpage.
  6. Circuit d’alimentation selon la revendication 5, le circuit d’alimentation à découpage étant un convertisseurBuck.
  7. Circuit d’alimentation selon l’une des revendications 1 à 4, le composant actif d’alimentation étant un régulateur linéaire.
  8. Circuit d’alimentation selon l’une des revendications précédentes, comprenant de plus un circuit de charge (15) connecté à la borne de plus haut potentiel du dispositif de stockage d’énergie électrique, le circuit de charge étant agencé pour, en fonctionnement normal, charger le dispositif de stockage d’énergie électrique (14) à partir de la source d’alimentation principale.
  9. Circuit d’alimentation selon l’une des revendications précédentes, comprenant une diode (D13) comportant une anode et une cathode, l’anode étant connectée à la borne de plus haut potentiel du dispositif de stockage d’énergie et la cathode étant connectée à l’entrée du composant actif d’alimentation.
  10. Circuit d’alimentation selon l’une des revendications précédentes, comprenant une diode (D12) comportant une anode et une cathode, l’anode pouvant être connectée à la source d’alimentation principale et la cathode étant connectée à l’entrée du composant actif d’alimentation.
  11. Equipement électrique comprenant un circuit d’alimentation (11) selon l’une des revendications précédentes.
  12. Equipement électrique selon la revendication 11, comprenant en outre la source d’alimentation principale et le circuit aval.
  13. Equipement électrique selon la revendication 12, l’équipement électrique étant un compteur.
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