WO2016193080A1 - Dispositif d'alimentation d'un recepteur electrique avec commutation entre deux sources de tension continue, et procede d'alimentation mettant en oeuvre un tel dispositif - Google Patents

Dispositif d'alimentation d'un recepteur electrique avec commutation entre deux sources de tension continue, et procede d'alimentation mettant en oeuvre un tel dispositif Download PDF

Info

Publication number
WO2016193080A1
WO2016193080A1 PCT/EP2016/061745 EP2016061745W WO2016193080A1 WO 2016193080 A1 WO2016193080 A1 WO 2016193080A1 EP 2016061745 W EP2016061745 W EP 2016061745W WO 2016193080 A1 WO2016193080 A1 WO 2016193080A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
voltage
switches
output voltage
khz
sources
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2016/061745
Other languages
English (en)
Inventor
Anthony DA COSTA
Dominique Auclair
Philippe Pognant-Gros
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IFP Energies Nouvelles IFPEN filed Critical IFP Energies Nouvelles IFPEN
Publication of WO2016193080A1 publication Critical patent/WO2016193080A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for DC mains or DC distribution networks
    • H02J1/10—Parallel operation of DC sources
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J9/00—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting
    • H02J9/04—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source
    • H02J9/06—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source with automatic change-over, e.g. UPS systems
    • H02J9/061—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source with automatic change-over, e.g. UPS systems for DC powered loads
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J9/00—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting
    • H02J9/04—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source
    • H02J9/06—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source with automatic change-over, e.g. UPS systems
    • H02J9/068—Electronic means for switching from one power supply to another power supply, e.g. to avoid parallel connection
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
    • Y02B10/70—Hybrid systems, e.g. uninterruptible or back-up power supplies integrating renewable energies

Definitions

  • the present invention relates to the field of supply of electrical devices by DC voltage sources, in particular the supply of relay antennas from different sources of electrical energy.
  • General context Mobile telephony also known as cellular telephony, has become in a few decades an essential means of communication.
  • the mobile telephone relay antennas allowing this type of communication, and constituting the bases of transmission of the radio waves to the mobile phone of a user, are distributed over the territory in a cell pattern. Each cell can cover an area several tens of kilometers in radius.
  • the relay antennas are electrical receivers, requiring a specific power supply, generally a supply by a source of DC voltage and meeting strict standards.
  • Relay antenna power can be a problem in isolated areas where a central power grid is not available.
  • the relay antenna can be powered by a generator, allowing it to operate in relative autonomy.
  • a generator In order to overcome a power supply fault by the generator, for example in case of failure or during maintenance, it is generally expected a lead battery to take over to feed the antenna.
  • the generator then powers a battery charger, which keeps the battery charged when the generator set is running.
  • the system has a single "DC bus" on which the charger, the battery and the consumers in the telecom bay are connected.
  • the capacity of the lead battery is then chosen to allow a supply time necessary for the maintenance of the generator.
  • this type of battery has important limits, and in particular does not tolerate a large number of charge / discharge cycles.
  • feed cycles comprising a first phase during which the generator set operates to charge the lead-acid battery and feed the antenna, and a second phase during which the antenna is only powered by the lead-acid battery and the generator set off.
  • the generator runs at a higher power compared to a more traditional operation where the antenna is fed continuously by the generator.
  • the operating phase of the generator set is limited in time, and it is thus possible to reduce up to about 25% of the average fuel consumption by the generator set.
  • the battery technology used is once again a problem with the number of charge / discharge cycles supported, and above all involves a cost that can become prohibitive, as well as problems of weight and size of the device. global power supply of the antenna.
  • the batteries take over to power the antenna.
  • the generator is a substitute for wind turbines and photovoltaic panels in the case where renewable energy is not available in the long term. In this case, the generator supplies the batteries and the antenna, and once the batteries are charged, the generator is turned off to save fuel.
  • the document WO 2009/141651 A1 does not give any details on the device for switching between the various electrical sources in order to supply the antenna, or between the batteries themselves.
  • how to feed the antenna, from a given source, and the passage from one source to another are critical elements in terms of energy efficiency and to ensure a smooth operation of the antenna, in compliance with the constraints imposed by the domain specifications.
  • the system does not include the possibility of coupling the batteries to another source of electricity, eg photovoltaic panels, wind turbines or the generator, to supply the antenna.
  • This configuration can be advantageous, for example when a single source can not meet the power requirements of the antenna.
  • Energy efficiency refers to the ratio of the output energy of a system, ie the useful energy supplied by the system, to the input energy of the system, i.e. say the total energy consumed by the system. This ratio is equivalent to the ratio between the output power and the input power.
  • the present invention aims to overcome at least in part the limitations of the prior art presented and to meet the needs mentioned above, among others.
  • the present invention thus proposes, according to a first aspect, a device for supplying an electrical receiver comprising an electrical circuit connecting at least two DC voltage sources connected in parallel and the electrical receiver.
  • the circuit comprises at least two controlled switches and filtering means. Each DC voltage source is connected in series with one of the controlled switches, the filtering means and the electrical receiver so as to form a loop of the electrical circuit.
  • the controlled switches make it possible to switch between the at least two DC voltage sources in order to deliver a DC output voltage Vs supplying the electrical receiver, the DC output voltage Vs being filtered by the filtering means and depending on the one and / or the other source of DC voltage.
  • the switches are capable of switching at a switching frequency of between 10 kHz and 1000 kHz, preferably between 50 kHz and 500 kHz, more preferably between 50 kHz and 200 kHz.
  • the controlled switches may be bipolar transistors, insulated gate bipolar transistors, or MOSFETs.
  • the controlled switches are formed by pairs of MOSFET switches in series, the two MOSFET switches of each switch being arranged side by side and head-to-tail, and preferably being controlled simultaneously so as to open and close simultaneously.
  • the device further comprises at least one driver per switch, and control means for controlling each driver, the control means comprising pilot control software and a microcontroller for implementing the control software.
  • the filtering means comprise an inductance and a capacitance.
  • the electrical circuit may further comprise a transistor, preferably of the MOSFET type, positioned in the electrical circuit and controlled to control the output voltage Vs when the switches are in the open position.
  • the device according to the invention may also comprise measuring means comprising at least one measuring circuit of the DC output voltage Vs, and possibly a measuring circuit of the current consumed by the electrical receiver or a voltage measuring circuit. switch input or both (current measurement circuit and input voltage measurement circuit).
  • the device comprises at least two DC voltage sources selected from batteries, supercapacitors, generators, photovoltaic systems, wind turbine systems.
  • the device comprises a first DC voltage source comprising a Li-ion battery, and a second voltage source comprising a lead-acid battery for powering a mobile telephone relay antenna and accessories of the relay antenna.
  • a first DC voltage source comprising a Li-ion battery
  • a second voltage source comprising a lead-acid battery for powering a mobile telephone relay antenna and accessories of the relay antenna.
  • the present invention proposes a method of supplying an electrical receiver with at least two DC voltage sources implementing the device according to the invention, in which:
  • a switching step is performed between the at least two DC voltage sources, said switching being effected by alternately closing the two switches so as to provide an unfiltered output voltage according to the two DC voltage sources;
  • the unfiltered output voltage is filtered by the filtering means
  • the electrical receiver is powered with the filtered output voltage Vs.
  • Switching is advantageously performed with a switching frequency of between 10 kHz and 1000 kHz, preferably between 50 kHz and 500 kHz, more preferably between 50 kHz and 200 kHz.
  • the electrical receiver is powered with the second filtered output voltage V S2 .
  • the main power mode of the electrical receiver is achieved by the switching step for coupling said DC voltage sources to power the electrical receiver.
  • a duty cycle value can be determined for each switch, and the duty cycle value for each of the switches can be varied to control the contribution of each of the DC voltage sources to generate the output voltage. filtered Vs.
  • the duty ratio of each switch varies from 0% to 100%, and the filtered output voltage Vs is monitored when the sum of the cyclic ratios of the switches is less than 1 by means of a transistor controlled in the closed position when the switches are in the open position, or by means of software regulating the filtered output voltage Vs from at least one measurement of the output voltage, and possibly from the measurement of the current consumed by the electrical receiver.
  • the method is implemented to power a mobile telephone relay antenna and its accessories, by performing a switching step between a first DC voltage source having a Li-ion battery, and a second voltage source having a lead-acid battery.
  • the present invention proposes a mobile telephone relay antenna comprising a power supply device according to the invention or powered by a method according to the invention, the relay antenna being preferably powered by at least one battery L1. ion and a lead-acid battery as sources of DC voltage.
  • FIG. 1 illustrates a feeding device according to the invention.
  • FIG. 2 represents a supply device according to one embodiment of the invention with MOSFET switches.
  • FIG. 3 represents an example of an electronic architecture of a supply device according to the invention.
  • FIG. 4 represents another example of an electronic architecture of a supply device according to the invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the application of a device according to the invention to the power supply of a mobile telephone relay antenna.
  • the same references designate identical or similar elements.
  • the feed device according to the invention is illustrated schematically in FIG.
  • the device supplies an electric receiver R E with a DC voltage, that is to say a voltage that does not change over time.
  • the supply device comprises an electrical circuit 10 connecting the electrical receiver R E and two DC voltage sources (Si, S 2 ) connected in parallel.
  • the circuit 10 comprising at least two controlled switches C m i and C m 2 and filtering means F.
  • the DC voltage source Si is connected in series with the controlled switch C m1 , the filtering means F and the electrical receiver R E so as to form a loop of the electrical circuit 10. It is the same for the source S 2 forming a loop of the electric circuit being connected in series with the controlled switch C m2 , the filtering means F and the electric receiver R E .
  • each switch could be positioned on the line connecting the positive pole of a DC voltage source to the electrical receiver, if it was the negative pole of the DC voltage source which was connected to ground, as is the case. The most common.
  • the continuous output voltage Vs is filtered by the filtering means F.
  • the output voltage Vs is a function of the source Si or the source S 2. It can also be a function of the two sources Si and S 2.
  • the output voltage Vs is a function of the source Si when the switch C m1 is activated to allow the passage of current (switch function in the closed position) and the second switch C m2 is activated to block the flow of current ( switch function in the open position) over a given period of time t, or from the source S 2 when the operation describes switches is inverted.
  • the output voltage Vs can be a function of the two sources at a time when the switches are alternately closed over the same given period of time t: over this given period of time t, the two switches are each closed in turn. When one of the switches is closed, the other is necessarily open. This alternation of closing of the switches during a given time period D will be referred to as a so-called switching phase in the present description.
  • the switching phase is performed at a given switching frequency.
  • the period corresponds to the unit of time t mentioned above.
  • the alternating closing period of the two switches is 10 ⁇ .
  • a duty cycle ⁇ is defined for each switch C mi as being the closing rate of the switch, that is to say the closing time of the switch C mi over the period t.
  • the generated output voltage V s is equal to the sum of the products "input voltage of a voltage source / ' x duty cycle ⁇ , of the associated switch C mi " as written in the following relation (I)
  • V s ⁇ i Ve i . T i (I)
  • the sum of the cyclic ratios is equal to 1.
  • a duty cycle of 30% for the first switch means that the first switch is closed for 3 ⁇ and the second switch has a duty cycle of 70%, that is, ie is closed the remaining time, that is to say during 7 ⁇ .
  • the sum of the cyclic ratios is less than 1.
  • the switches can be simultaneously open. For example, over a period of 10 ⁇ , it will be possible to have a duty cycle of 30% for the first switch C m i, and a duty cycle ⁇ 2 of 50% for the second switch C m 2 , the two switches being open simultaneously during 2 ⁇ .
  • a sum of the cyclic ratios lower than 1 may be considered in the case where it is desired to provide an output voltage which is lower than the value given by the relation (I).
  • different means can be implemented to control the output voltage. These means are described below in relation to FIG. 4.
  • the switches C m i and C m 2 are controlled so as to pass the current (closing operation) or block the current as described above.
  • Each switch is preferably associated with a driver ("driver" in English) that controls the switch. The order of switching comes from an external member (not shown in the figures).
  • the supply device thus further comprises control means for controlling each pilot, these control means comprising pilot control software and a microcontroller for implementing the control software.
  • the switches C m1 and C m2 are able to switch to a switching frequency such that the residual voltage is limited.
  • the frequency range is determined according to the desired performance and the cost envisaged.
  • the switches C m1 and C m2 are able to switch fast enough to limit the residual voltage.
  • the switches C m1 and C m2 are able to operate at a switching frequency preferably between 10 kHz and 1000 kHz, and more preferably between 50 kHz and 500 kHz, and even more preferably between 50 and 200 kHz.
  • the use of a high frequency advantageously makes it possible not to impose excessive constraints on the dimensioning of the filtering means F.
  • the controlled switches C m i and C m 2 are bipolar transistors, insulated gate bipolar transistors, or MOSFETs.
  • the filtering means F typically comprise an inductance and a capacitance, as illustrated in FIGS. 3 and 4 and described below.
  • the purpose of the filtering means is to limit the high frequency residues, which is particularly critical for example in respect of the standards in the field of telecommunications.
  • the number of DC voltage sources can be greater than two, the sources always being connected in parallel. In this case, the number of switches will also be greater than two. There are as many switches C mi as DC voltage sources S ,, each DC voltage source forming with a dedicated switch and the electrical receiver a loop of the electrical circuit 10.
  • the DC voltage sources may be, by way of non-limiting examples, batteries, which may be of similar or different technology and / or in an identical or different state of health (eg “new” battery and “aged” battery) , systems for generating electricity from renewable energy, such as panel systems photovoltaic or wind turbine systems, supercapacitors, generators.
  • the power supply device can enable switching between two different or similar voltage sources, for example between two batteries, such as between a lead-acid battery and a Li-ion battery, between two batteries. similar technology but different health status, between a battery and a photovoltaic system or a wind turbine system or a generator, or between more than two of these sources of DC voltage. Any combination is conceivable depending on the type of electrical receiver to power.
  • a battery traditionally refers to a "storage battery” connected in series and / or in parallel.
  • An accumulator is a rechargeable electrochemical generator. Its redox reactions are reversible by connecting a power source to its terminals creating a reverse current in the sense of discharge.
  • the term battery is used to designate reversible energy electrochemical generators, whether they are unitary (element) or in the form of a set of connected elements, such as a pack. It is therefore here electrically rechargeable systems in the broad sense.
  • the DC powered electrical receiver R e typically operates in a voltage range typically specified by manufacturer standards or usage standards related to a particular domain.
  • the supply constraints taken into account by the present invention may be various: maximum slope of voltage variation, voltage ripple, etc.
  • the electrical receiver R E may be, without limitation, a mobile telephone relay antenna, a vehicle starter that can be powered by the main battery of the vehicle or an auxiliary battery, accessory equipment of a vehicle, one or more machines Electric traction drives of an electric or hybrid vehicle powered by one or more batteries and supercapacitors, etc.
  • the power supply device of an electrical receiver makes it possible to switch between several sources of DC voltage, and thus makes it possible in particular to select the most suitable source according to the circumstances: for example depending on the availability of the source, or choosing the source to improve the efficiency of an energy chain.
  • the present invention makes it possible for example to choose the most suitable battery to reduce energy consumption or to meet a need for increased autonomy, or slow down aging by limiting the number of cycles of one or more batteries.
  • the power supply device comprises a Li-ion battery and a lead-acid battery for powering a mobile telephone relay antenna and its accessories. The description of an example of such a relay antenna is made below in relation to FIG.
  • FIG. 2 represents a nonlimiting exemplary embodiment of the device according to the invention with switches formed by pairs of controlled MOSFETs, preferably simultaneously.
  • the diagram of FIG. 2 is identical in every respect to that of FIG. 1 except for the representation of the switches C m1 and C m2 .
  • the description of the circuit 20 is identical to that of the circuit 10, as are the DC voltage sources and the electrical receiver, and is not repeated below.
  • MOSFET switches (Mti, Mt 2 , Mt 3 , Mt 4 ), i.e. isolated gate field effect transistors, MOSFET being the acronym for Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, are used to form the switches C m i and C m2 .
  • MOSFETs (Mti / Mt 2 , Mt 3 / Mt 4 ) are placed in series head to tail, that is to say in opposite directions to one another as shown in FIG.
  • the MOSFETs of each pair (Mt / Mt 2 , Mt 3 / Mt 4 ) are preferably controlled simultaneously so as to simultaneously open and close.
  • the control of the two MOSFETs, connected to the filtering means F, is then referenced at this floating point by construction.
  • the supply of their control circuits can not therefore be made from a fixed potential with respect to the mass of the system, and must be made from a fixed potential from the point of interconnection, which is floating. This can be achieved by employing, for example, an isolated output static voltage converter.
  • the switch formed by a pair of MOSFETs forms a loop with a given voltage source.
  • the circuit 20 thus comprises two loops: each loop of the circuit is formed by a DC voltage source (Si or S 2 ), a switch (C m1 or C m2 ) constituted by a pair of MOSFETs, the filter F and the electrical receiver R E.
  • This embodiment advantageously makes it possible to supply an electric receiver R E with any pair of DC voltage sources able to supply said receiver, for example between any two batteries which may be in different states of charge to power a relay antenna. According to this embodiment, it is possible to freely connect or disconnect each voltage source individually, regardless of their voltage level.
  • MOSFET MOSFET
  • This embodiment is for example very well suited to power relay antennas.
  • MOSFET switches is possible thanks to the particular arrangement of the MOSFETs, in series and positioned head to tail. Indeed, this arrangement makes it possible to prevent the current flowing in a loop of the circuit in an undesired manner, by the conduction input of the internal diode of a MOSFET. For example when switching to the DC voltage source having the highest voltage, the diode of the MOSFET in the opposite branch enters conduction.
  • a second MOSFET associated in the opposite direction to the first MOSFET, and preferably controlled simultaneously, makes it possible to block the current in this case.
  • FIG. 3 is a diagram of a more detailed circuit 30 showing an example of an electronic architecture of a power supply device according to the invention.
  • the sources and electrical receivers are identical to what has been described above.
  • the electrical receiver R E is represented by a resistor.
  • Each switch is controlled by one or more drivers, depending on whether the switch is constituted by one or more components each of which may require a drive of its own.
  • the drivers are themselves controlled by control means (not shown) typically comprising a microcontroller and a driver software for said drivers implemented by the microcontroller.
  • control means typically comprising a microcontroller and a driver software for said drivers implemented by the microcontroller.
  • the switches C m1 and C m2 are pairs of MOSFETs (T3 / T4, T1 / T2) as described with reference to FIG.
  • Each MOSFET is controlled via a driver Dr controlled by control means not shown in Figure 3.
  • the MOSFETs of each pair constituting the switch can be controlled simultaneously so as to open or close simultaneously.
  • C3 and C4 input capabilities are provided. For example, these capabilities are useful in the case of using batteries as DC voltage sources that can be massive and remote, thereby involving large wiring inductances. These input capabilities help protect MOSFETs from overvoltage on opening.
  • the filtering means F comprise an inductance L, in order to create the switching cell, and a filter capacitance C1 at the output (a current is switched between two voltage sources via an inductor).
  • the circuit 30 also comprises a freewheeling diode D1, imposed by the presence of the inductance L.
  • the circuit 30 further comprises a second freewheeling diode D2.
  • the current in the inductor may be reversed.
  • the freewheeling diode D1 will not go into conduction when opening the MOSFETs.
  • One solution is to place a diode D2 with opposite polarity, connected to a potential created by the capacitor C2, less than or equal to the lowest potential of all power sources. This potential is created by the diodes D3 and D4, to which the capacitor C2 is connected by a precharging resistor.
  • the zener diode Dz slowly discharges the capacitor C2 when its voltage is too high.
  • MOSFETs are preferably connected by the drain, which facilitates control. Without this, it would be necessary to reference the control at the midpoint between the two transistors, which is not correct.
  • a circuit connecting more than two sources in parallel can be considered.
  • the circuit will include as many switches as sources, as well as drivers for each switch and an input capacity for each source.
  • FIG. 4 represents another example of an electronic architecture of a supply device according to the invention.
  • the circuit 40 is in all respects identical to the circuit 30 of FIG. 3, with the exception of the presence of an additional transistor T0, preferably of the MOSFET type, positioned in the electrical circuit and controlled so as to control the voltage of Vs output when the switches (C m1 , C m2 ) are in the open position.
  • the transistor T0 is positioned in parallel with the freewheeling diode D1.
  • This embodiment corresponds for example to the case where it is desired to provide an output voltage which is lower than the value given by the relation (I), given above, by determining cyclic ratios such that their sum is less than 1. .
  • the diode D1 can optionally be suppressed. Current flows through the internal diode to the transistor.
  • the supply device further comprises measurement means (not shown) comprising at least one measuring circuit for the DC output voltage Vs, and possibly a circuit for measuring the current consumed by the electrical receiver. or a circuit for measuring the input voltage of the switches (C m1 , C m2 ) or both. These measurement means can be used for controlling the switches, in particular to provide data used in the software for controlling the switches.
  • measuring means in particular the measuring circuit of the output voltage, and possibly a measuring circuit of the current consumed at the output, can intervene to control the output voltage, by means of a software for regulating the output voltage.
  • a software for regulating the output voltage in the case where the sum of the cyclic ratios lower than 1 and where the electrical circuit does not include a switch T0 as illustrated in Figure 4.
  • This configuration corresponds to the case where it is desired to provide an output voltage which is lower than input voltages.
  • control software allows the cyclic ratios to be adjusted in order to respect the desired voltage setpoint. Feeding method according to the invention
  • the invention also relates to a method for supplying an electric receiver R E with at least two DC voltage sources (S 1; S 2 ) implementing the device according to the invention.
  • the feeding method according to the invention comprises the following steps:
  • the switching is performed with a switching frequency of between 10 kHz and 1000 kHz, preferably between 50 kHz and 500 kHz, and even more preferably between 50 kHz and 200 kHz.
  • the method comprises at least the two phases below.
  • a first phase is performed during which the switching step is performed to supply the electrical receiver R E with a continuous output voltage V S i filtered by the filtering means F.
  • the output voltage V S i is function of the two sources Si and S 2 .
  • a single switch (C m i or C m 2 ) is maintained in the closed position to provide a DC voltage at the output of the switch depending on only one of the two DC voltage sources.
  • the DC voltage at the output of the DC switch is also filtered by the filtering means F, to supply the electrical receiver R E with a filtered output voltage V S2.
  • the power supply can have a succession of alternations of these two phases, which make it possible to switch from one source to another.
  • the second phase during which the voltage delivered is a function of a single source can be likened to the normal operation of the receiver power supply, that is to say the operation for the vast majority of the time.
  • the receiver power supply that is to say the operation for the vast majority of the time.
  • the method comprises a main power supply mode of the electrical receiver which is achieved by the switching step for coupling the two sources of DC voltage Si and S 2 to supply the electrical receiver R E.
  • the coupling of the two sources then constitutes the normal power supply of the receiver. In this mode of operation, cutting is done most of the time.
  • the duty cycle ⁇ assigned to each loop i of the circuit, comprising the switch C mi and the source i in series, makes it possible to control the current flow: by taking again the example given above in the description, if one assigns a ratio of 30% on loop 1 (switch C m i and source Si) and the complement on loop 2 (switch C m2 and source S 2 ), the current delivered by the source Si will be 30% of the output current, and that output from the source S 2 will be 70% of the output current.
  • a duty cycle value can be determined for each switch, and this duty cycle value for each of the switches can be varied to control the contribution of each of the DC voltage sources to generate the filtered output voltage V s .
  • the duty cycles can advantageously vary from 0% to 100% while controlling the output voltage, and controlling the residual voltage.
  • each switch it is thus possible to vary the duty cycle of each switch between 0% and 100%, and to control the filtered output voltage V s when the sum of the cyclic ratios of the switches (C m1 , C m2 ) is less than 1 by means of the transistor T0 controlled in the closed position when the switches (C m1 , C m2 ) are in the open position, or by means of software regulating the filtered output voltage VS from at least one measurement of the output voltage, and optionally from the measurement of the current consumed by the electrical receiver.
  • the device according to the invention therefore advantageously allows the coupling of different sources of DC voltage, such as, without being limiting, a battery / supercapacities coupling.
  • a coupling between batteries have different states of health, or a battery / photovoltaic panels coupling.
  • a mode allows for example to control the current delivered by the panels, to maximize the electrical power thus generated.
  • a DC voltage source such as a photovoltaic system, an aerator, a generator.
  • the present invention is advantageously applicable, but not limited to, the power supply of mobile telephone relay antennas.
  • Relay antenna means a transceiver base station, which converts electrical signals into electromagnetic waves, and vice versa, for mobile communications.
  • This definition covers different types of relay antennas such as basic base transceiver stations (BTS), global system for mobile communications (GSM), Node B relay antennas for networks.
  • BTS basic base transceiver stations
  • GSM global system for mobile communications
  • UMTS universal mobile telecommunication system
  • the European ETSI EN 300 132-2 V2 4 6 standard for the supply of BTS type telecommunications equipment specifies a power supply with a nominal DC voltage of - 48 V, with a nominal operating voltage range of -40, 5 V at-57 V, and a residual voltage ("residual voltage" in English) maximum of 2 mV psophometric.
  • the device and the method of supplying from at least two DC voltage sources according to the invention make it possible to control the output voltage of the antenna supply system.
  • relay that is to say to deliver a voltage within the specified operating range with a residual voltage below the specified severe standard, while ensuring excellent energy efficiency, especially in off-switching phases, as explained later in the description.
  • the relay antenna can be powered in different ways and by different electrical sources.
  • the mobile telephone relay antenna comprises a power supply device as described above.
  • the relay antenna is powered according to the power supply method described above in which a switching step is carried out between at least two DC voltage sources, the switching being effected by the alternating closure of the two switches so as to provide a voltage of unfiltered output according to the two DC voltage sources, the output voltage of the switches is filtered by the filtering means, and the antenna is supplied with the filtered output voltage V s .
  • the antenna is powered by at least one Li-ion battery and a lead-acid battery as DC voltage sources (S 1).
  • the relay antenna is powered by a battery system (s) and an electric generator, as shown in FIG. 5.
  • BTS system "Base Transceiver Station" in English
  • the relay antenna as such, ie the base transceiver station, which converts electrical signals into electromagnetic waves for mobile communications, as well as its accessories, for example, light prevention devices for aircraft, backhaul network equipment, a possible cooling device for the electronic systems constituting the relay antenna, maintenance equipment (tools) that can be connected by the operator to the power bus, etc., powered according to the invention.
  • the BTS system comprises a power supply device comprising a switch circuit C s for switching between a main battery and a backup battery.
  • a switching circuit C s may be envisaged for switching between the main battery, or the backup battery, and an electric generator, or else a switch between 3 sources: main battery, backup battery and electric generator.
  • the switch circuit corresponds to the electrical circuit described above for switching between the two DC voltage sources.
  • the main battery is lithium-ion type, also commonly called Li-ion.
  • the main battery is charged by the GE generator set via a first charger Ch u . It is then considered that a first DC voltage source is formed by the Li-ion type battery and the Ch Li charger.
  • the backup battery is a lead-acid battery.
  • the backup battery can be charged by the GE generator set via a second Ch Pb charger. It is then considered that a second source of DC voltage is formed by the lead battery and the charger Ch Pb .
  • the GE electric generator is typically a generator. It can also be a renewable energy source such as a photovoltaic system or a wind turbine generating electricity, or a combination of these different types of electric sources.
  • DC bus means an electrically conductive line, typically made of copper or aluminum, which may comprise any number of conductors, which can connect more than two devices or devices, characterized by the passage of an electric current of DC voltage.
  • the switch circuit C s is connected to the BTS via a first DC bus B1.
  • the first charger Ch u and the main battery are connected to the switch circuit C s by a second DC bus B2.
  • the second charger Ch Pb and the backup battery are connected to the switch circuit C s by a third DC bus B3.
  • the voltage level in the buses B1, B2 and B3 is preferably between -40.5 V at-57 V, and preferably -48 V, in order to meet the power requirements of the BTS system.
  • the supply of the antenna is carried out as follows:
  • the antenna is powered by a Li-ion battery, which constitutes the main battery, that is to say that it determines the voltage level of the output of the battery.
  • the Li-ion battery discharges to power the antenna, with the genset turned off.
  • the electric generator can also be a source of renewable energy such as a photovoltaic system or an electricity generating wind turbine, or a combination of these different sources (generator, photovoltaic system, wind turbine generator ).
  • the antenna is powered by the electric generator. Once the Li-ion battery is recharged, it switches back to an operating mode where the antenna is powered by the Li-ion battery.
  • the charging / discharging phases are determined by the state of the generator set and the charger Ch u of the Li-ion battery.
  • the battery discharges; when the generator set is running, the battery charges.
  • the charging current is equal to the current delivered by the charger Ch u , deducted from the current consumed by the BTS system.
  • the antenna is powered by a backup battery, for example a lead-acid battery.
  • a backup battery for example a lead-acid battery.
  • This emergency mode can be triggered when the electric generator is not able to supply the antenna while the Li-ion battery is discharged, for example in case of maintenance or failure of the electric generator.
  • the lead battery is sized to power the network antenna for up to several days. According to this embodiment, the transition from automatic mode to emergency mode is achieved by a switching step by means of the device according to the invention, as described above.
  • the device according to the invention allows fast and controlled switching between the two sources of DC voltage, that is to say between the Li-ion battery and the lead-acid battery in this embodiment.
  • the power supply device according to the invention is implemented in the relay antenna to switch between the Li-ion type battery and the lead battery.
  • the switching frequency may be between 10 kHz and 1000 kHz, preferably between 50 kHz and 500 kHz, more preferably between 50 and 200 kHz.
  • the coupling of voltage sources for supplying the relay antenna can also be envisaged with the device according to the invention.
  • Such a coupling can be interesting particularly in the context of the use of renewable energy sources.
  • the device according to the invention implemented so as to couple the sources then makes it possible to control the current discharged by each of these sources according to the availability of energy and the corresponding electricity production, in order to supply the antenna relay.
  • Such coupling can be implemented to couple at least one battery with a renewable energy source, or to couple at least two renewable energy sources.
  • the field of decentralized electricity production also known as the local electricity generation network ("microgrid” in English), and corresponding to the production of electrical energy using connected small capacity installations to the power grid at low voltage levels: low or medium voltage; the field of power in vehicles, for example the supply of vehicle starters with combustion engines, dashboard accessories, the power supply of one or more electrical traction machines of an electric or hybrid vehicle by one or more batteries and supercapacitors, etc.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Emergency Management (AREA)
  • Direct Current Feeding And Distribution (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

L'invention porte sur un dispositif d'alimentation d'un récepteur électrique (RE) comportant un circuit de commutation entre au moins deux sources de tension continue connectées en parallèle (S1,S2). Deux commutateurs commandés (C1,C2) permettent de commuter entre les deux sources (S1,S2) pour délivrer une tension de sortie continue Vs alimentant le récepteur (RE), qui est filtrée par des moyens de filtrage (F) et fonction de l'une et/ou l'autre source (S1,S2). Chaque source est branchée en série avec l'un des commutateurs, les moyens de filtrage et le récepteur pour former une boucle du circuit. L'invention porte également sur un procédé d'alimentation mettant en œuvre un tel dispositif, et s'applique avantageusement aux antennes relais de téléphonie mobile, alimentées par au moins une batterie de type Li-ion et une batterie au plomb.

Description

DISPOSITIF D'ALIMENTATION D'UN RECEPTEUR ELECTRIQUE AVEC COMMUTATION ENTRE DEUX SOURCES DE TENSION CONTINUE, ET PROCEDE D'ALIMENTATION
METTANT EN ŒUVRE UN TEL DISPOSITIF
Domaine de l'invention
La présente invention concerne le domaine de l'alimentation de dispositifs électriques par des sources de tension continue, en particulier l'alimentation d'antennes relais à partir de différentes sources d'énergies électriques.
Contexte général La téléphonie mobile, aussi appelée téléphonie cellulaire, est devenue en quelques décennies un moyen de communication incontournable. Les antennes relais de téléphonie mobile permettant ce type de communication, et constituant les bases de transmission des ondes radioélectriques vers le téléphone portable d'un utilisateur, sont réparties sur le territoire selon un schéma de cellules. Chaque cellule peut couvrir une zone de plusieurs dizaines de kilomètres de rayon.
Les antennes relais sont des récepteurs électriques, nécessitant une alimentation spécifique, en général une alimentation par une source de tension continue et répondant à des normes strictes.
L'alimentation des antennes relais peut poser un problème dans les zones isolées où un réseau électrique central n'est pas disponible. Typiquement, dans ce type de zones, l'antenne relais peut être alimentée par un groupe électrogène, lui permettant un fonctionnement en relative autonomie. Afin de pallier un défaut d'alimentation électrique par le groupe électrogène, par exemple en cas de panne ou lors d'une maintenance, il est généralement prévu une batterie au plomb permettant de prendre le relais pour alimenter l'antenne. Le groupe électrogène alimente alors un chargeur de batteries, qui maintient la batterie en charge dès lors que le groupe électrogène fonctionne. Le système comporte un unique « bus DC », sur lequel sont reliés le chargeur, la batterie, et les consommateurs contenus dans la baie télécom. La capacité de la batterie plomb est alors choisie pour permettre un temps d'alimentation nécessaire à la maintenance du groupe électrogène. Cependant ce type de batterie comporte des limites importantes, et ne tolère notamment pas un nombre important de cycles de charge/décharge.
Une tendance est à l'utilisation de batteries au plomb de dimensions plus imposantes, qui permettent non seulement une plus grande autonomie de fonctionnement en cas d'arrêt obligatoire du groupe électrogène (défaillance ou maintenance), mais qui permet également une alimentation de l'antenne en fonctionnement normal selon une alternance entre le groupe électrogène et la batterie au plomb. On rappelle en effet que l'avantage premier d'une batterie de technologie plomb se situe principalement dans sa rentabilité pour assurer la fonction de maintenance du groupe électrogène, ce qui peut représenter une durée de plusieurs jours dans le cas de sites très isolés. Afin d'économiser le carburant fourni au moteur thermique du groupe électrogène, il est prévu des cycles d'alimentation comprenant une première phase pendant laquelle le groupe électrogène fonctionne pour charger la batterie au plomb et alimenter l'antenne, et une deuxième phase pendant laquelle l'antenne est uniquement alimentée par la batterie au plomb et le groupe électrogène éteint. Pendant la première phase, le groupe électrogène fonctionne à une puissance plus élevée comparativement à un fonctionnement plus traditionnel où l'antenne est alimentée en continue par le groupe électrogène. Dans ce mode d'alimentation de l'antenne en deux temps, la phase de fonctionnement du groupe électrogène est limitée dans le temps, et on peut ainsi réduire jusqu'à environ 25% la consommation moyenne de carburant par le groupe électrogène. Malgré une économie substantielle de carburant, la technologie de batterie employée constitue encore une fois un problème relativement au nombre de cycles de charge/décharge supporté, et implique surtout un coût pouvant devenir prohibitif, ainsi que des problèmes de poids et d'encombrement du dispositif global d'alimentation de l'antenne. II peut être envisagé d'utiliser d'autres sources de production électrique en remplacement ou comme alternatives du groupe électrogène, telles que des sources d'énergie renouvelables permettant la production d'électricité du type systèmes photovoltaïques ou éoliennes, qui peuvent être bien adaptées à l'alimentation des antennes relais dans des environnements isolés. La demande de brevet WO 2009/141651 A1 décrit ainsi l'alimentation d'une antenne relais à partir de plusieurs sources électriques : groupe électrogène, panneaux photovoltaïques et éoliennes. Un système de contrôle général permet notamment de gérer l'interconnexion entre les sources de production d'électricité, les éléments de stockage d'électricité, i.e. un ensemble de batteries, et l'antenne relais et ses accessoires à alimenter. En fonctionnement normal, les éoliennes et/ou les panneaux photovoltaïques alimentent l'antenne et rechargent les batteries, lesquelles sont associées à un système de dissipation en cas de surplus d'électricité. Lorsque les sources d'énergies renouvelables ne sont plus disponibles, les batteries prennent le relais pour alimenter l'antenne. Le groupe électrogène vient se substituer aux éoliennes et aux panneaux photovoltaïques dans le cas où l'énergie renouvelable n'est pas disponible sur du long terme. Dans ce cas, le groupe électrogène alimente les batteries et l'antenne, et une fois les batteries chargées, le groupe électrogène est éteint pour économiser le carburant. Cependant le document WO 2009/141651 A1 ne donne aucun détail sur le dispositif pour commuter entre les différentes sources électriques afin d'alimenter l'antenne, ni entre les batteries elles-mêmes. Or, la manière d'alimenter l'antenne, à partir d'une source donnée, et le passage d'une source à l'autre, sont des éléments critiques en termes d'efficacité énergétique et pour assurer un bon fonctionnement de l'antenne, dans le respect des contraintes imposées par les spécifications du domaine. En outre, le système ne comporte pas la possibilité de coupler les batteries à une autre source d'électricité, e.g. les panneaux photovoltaïques, les éoliennes ou le groupe électrogène, pour alimenter l'antenne. Cette configuration peut être avantageuse, par exemple lorsqu'une source seule ne peut subvenir aux besoins d'alimentation de l'antenne. II existe ainsi un besoin de fournir un dispositif d'alimentation d'une antenne relais qui permette d'opérer une commutation rapide entre différentes sources électriques, et qui soit performant énergétiquement, c'est-à-dire qu'il présente un bon rendement énergétique. Par rendement énergétique, on entend le rapport entre l'énergie en sortie d'un système, c'est-à- dire l'énergie utile fournie par le système, et l'énergie en entrée du système, c'est-à-dire l'énergie totale consommée par le système. Ce rapport est équivalent au rapport entre la puissance en sortie et la puissance en entrée.
Par ailleurs, il existe un besoin de fournir un système d'alimentation d'une antenne relais comprenant plusieurs sources de tension continue, qui soit peu encombrant, et qui permette de minimiser la consommation en carburant d'un groupe électrogène utilisé comme l'une des sources de tension continue, tout en restant fiable.
Plus généralement il existe un besoin de fournir un dispositif et une méthode permettant le passage d'une source de tension continue à une autre de façon maîtrisée, c'est-à-dire répondant à un cahier des charges issus des normes d'alimentation du domaine, et en minimisant les pertes énergétiques liées à la commutation.
Il existe également un besoin de fournir un dispositif permettant de coupler différentes sources de tension continue tout en contrôlant la contribution de chacune des sources au courant de sortie et en maîtrisant le niveau de tension de sortie et la tension résiduelle, que ce soit dans le cadre de l'alimentation d'antennes-relais ou dans un cadre plus général, pour d'autres types d'applications.
Objectifs et résumé de l'invention
La présente invention a pour objectif de surmonter au moins en partie les limitations de l'art antérieur présentées et de répondre aux besoins mentionnés ci-dessus, parmi d'autres.
La présente invention propose ainsi, selon un premier aspect, un dispositif d'alimentation d'un récepteur électrique comprenant un circuit électrique reliant au moins deux sources de tension continue connectées en parallèle et le récepteur électrique. Le circuit comprend au moins deux commutateurs commandés et des moyens de filtrage. Chaque source de tension continue est branchée en série avec l'un des commutateurs commandés, les moyens de filtrage et le récepteur électrique de manière à former une boucle du circuit électrique. Les commutateurs commandés permettent de commuter entre les au moins deux sources de tension continue pour délivrer une tension de sortie continue Vs alimentant le récepteur électrique, la tension de sortie continue Vs étant filtrée par les moyens de filtrage et étant fonction de l'une et/ou l'autre source de tension continue.
De préférence, les commutateurs sont aptes à commuter à une fréquence de découpage comprise entre 10 kHz et 1000 kHz, de préférence entre 50 kHz et 500 KHz, plus préférentiellement entre 50 kHz et 200 KHz.
Les commutateurs commandés peuvent être des interrupteurs de type transistors bipolaires, transistors bipolaires à grille isolée, ou MOSFET.
Avantageusement, les commutateurs commandés sont formés par des paires d'interrupteurs de type MOSFET en série, les deux interrupteurs de type MOSFET de chaque commutateur étant disposés côte à côte et tête bêche, et étant de préférence commandés simultanément de manière à s'ouvrir et se fermer simultanément. De préférence, le dispositif comprend en outre au moins un pilote par commutateur, et des moyens de contrôle pour contrôler chaque pilote, les moyens de contrôle comportant un logiciel de pilotage des pilotes et un microcontrôleur pour mettre en œuvre le logiciel de pilotage. De préférence, les moyens de filtrage comprennent une inductance et une capacité.
Le circuit électrique peut en outre comprendre un transistor, de préférence de type MOSFET, positionné dans le circuit électrique et commandé de manière à contrôler la tension de sortie Vs lorsque les commutateurs sont en position ouverte.
Le dispositif selon l'invention peut également comprendre des moyens de mesure comportant au moins un circuit de mesure de la tension de sortie continue Vs, et éventuellement un circuit de mesure du courant consommé par le récepteur électrique ou un circuit de mesure de la tension en entrée des commutateurs ou les deux (circuit de mesure du courant consommé et circuit de mesure de la tension en entrée).
Avantageusement, le dispositif comporte au moins deux sources de tension continue choisies parmi les batteries, les supercondensateurs, les groupes électrogènes, les systèmes photovoltaïques, les systèmes aérogénérateurs.
De manière préférée, le dispositif comprend une première source de tension continue comportant une batterie Li-ion, et une deuxième source de tension comportant une batterie au plomb, pour alimenter une antenne-relais de téléphonie mobile et des accessoires de l'antenne relais.
Selon un deuxième aspect, la présente invention propose un procédé d'alimentation d'un récepteur électrique par au moins deux sources de tension continue mettant en œuvre le dispositif selon l'invention, dans lequel :
- on effectue une étape de commutation entre les au moins deux sources de tension continue, ladite commutation étant réalisée par la fermeture alternée des deux commutateurs de manière à fournir une tension de sortie non filtrée fonction des deux sources de tension continue;
- on filtre la tension de sortie non filtrée par les moyens de filtrage ; et
- on alimente le récepteur électrique avec la tension de sortie filtrée Vs. La commutation est avantageusement réalisée avec une fréquence de découpage comprise entre 10 kHz et 1000 kHz, de préférence entre 50 kHz et 500 KHz, plus préférentiellement entre 50 kHz et 200 KHz.
Selon une mise en œuvre, on réalise :
- une première phase pendant laquelle on effectue l'étape de commutation pour alimenter le récepteur électrique en une première tension de sortie continue filtrée
- une deuxième phase pendant laquelle :
- on maintient un seul commutateur en position fermée pour fournir une deuxième tension de sortie continue fonction d'une seule des au moins deux sources de tension continue ;
- on filtre ladite deuxième tension continue par les moyens de filtrage ; et
- on alimente le récepteur électrique avec la deuxième tension de sortie filtrée VS2.
Selon une autre mise en œuvre, le mode principal d'alimentation du récepteur électrique est réalisé par l'étape de commutation permettant le couplage desdites sources de tension continue pour alimenter le récepteur électrique.
Selon cette mise en œuvre, on peut déterminer une valeur de rapport cyclique pour chaque commutateur, et on peut faire varier la valeur du rapport cyclique pour chacun des commutateurs afin de contrôler la contribution de chacune des sources de tension continue pour générer la tension de sortie filtrée Vs.
De préférence, le rapport cyclique de chaque commutateur varie de 0% à 100%, et on contrôle la tension de sortie filtrée Vs lorsque la somme des rapports cycliques des commutateurs est inférieure à 1 au moyen d'un transistor commandé en position fermée lorsque les commutateurs sont en position ouverte, ou au moyen d'un logiciel régulant la tension de sortie filtrée Vs à partir d'au moins une mesure de la tension de sortie, et éventuellement à partir de la mesure du courant consommé par le récepteur électrique.
Avantageusement le procédé est mis en œuvre pour alimenter une antenne-relais de téléphonie mobile et ses accessoires, en réalisant une étape de commutation entre une première source de tension continue comportant une batterie Li-ion, et une deuxième source de tension comportant une batterie au plomb.
Selon un troisième aspect, la présente invention propose une antenne relais de téléphonie mobile comprenant un dispositif d'alimentation selon l'invention ou alimentée par un procédé selon l'invention, l'antenne relais étant de préférence alimentée par au moins une batterie Li- ion et une batterie au plomb en tant que sources de tension continue.
D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation particuliers de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, la description étant faite en référence aux figures annexées décrites ci-après. Brève description des figures
La figure 1 illustre un dispositif d'alimentation selon l'invention.
La figure 2 représente un dispositif d'alimentation selon un mode de réalisation de l'invention avec des commutateurs de type MOSFET.
La figure 3 représente un exemple d'architecture électronique d'un dispositif d'alimentation selon l'invention.
La figure 4 représente un autre exemple d'architecture électronique d'un dispositif d'alimentation selon l'invention.
La figure 5 est un schéma illustrant l'application d'un dispositif selon l'invention à l'alimentation d'une antenne relais de téléphonie mobile. Sur les figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou analogues.
Description détaillée de l'invention
Dispositif d'alimentation selon l'invention
Le dispositif d'alimentation selon l'invention est illustré schématiquement à la figure 1 .
Le dispositif alimente un récepteur électrique RE avec une tension continue, c'est-à-dire une tension qui ne varie pas dans le temps. Le dispositif d'alimentation comprend un circuit électrique 10 reliant le récepteur électrique RE et deux sources de tension continue (Si , S2) connectées en parallèle. Le circuit 10 comprenant au moins deux commutateurs commandés Cmi et Cm2 et des moyens de filtrage F. La source de tension continue Si est branchée en série avec le commutateur commandé Cm1 , les moyens de filtrage F et le récepteur électrique RE de manière à former une boucle du circuit électrique 10. Il en est de même pour la source S2 formant une boucle du circuit électrique en étant branchée en série avec le commutateur commandé Cm2, les moyens de filtrage F et le récepteur électrique RE. Les commutateurs Cm1 et Cm2 permettent de commuter entre les deux sources Si et S2 pour délivrer une tension de sortie continue Vs qui alimente le récepteur RE. Les commutateurs Cm1 et Cm2 sont symbolisés par des interrupteurs sur la figure 1 , illustrant leur fonction d'ouverture et de fermeture de la boucle du circuit formée respectivement avec la source de tension continue correspondante. Les commutateurs Cmi et Cm2 sont par exemple positionnés sur la branche basse du circuit 10, tel que représenté à la figure 1 . Cette configuration est préférée pour une application aux antennes relais car la masse est reliée au potentiel positif des batteries selon les conventions du domaine des télécommunications. D'autres configurations sont possibles, selon les conventions des domaines d'applications visés. Ainsi chaque commutateur pourrait être positionné sur la ligne reliant le pôle positif d'une source de tension continue au récepteur électrique, si c'était le pôle négatif de la source de tension continue qui était relié à la masse, comme c'est le cas le plus commun.
La tension de sortie continue Vs est filtrée par les moyens de filtrage F.
Selon l'invention, la tension de sortie Vs est fonction de la source Si ou de la source S2. Elle peut également être fonction des deux sources Si et S2.
La tension de sortie Vs est fonction soit de la source Si lorsque le commutateur Cm1 est activé pour permettre le passage du courant (fonction d'interrupteur en position fermée) et que le deuxième commutateur Cm2 est activé pour bloquer le passage du courant (fonction d'interrupteur en position ouverte) sur une période de temps donnée t, soit de la source S2 quand le fonctionnement décrit des commutateurs est inversé. La tension de sortie Vs peut être fonction des deux sources à la fois lorsque les commutateurs sont alternativement fermés sur une même période de temps donnée t : sur cette période de temps donnée t, les deux commutateurs sont chacun fermés à tour de rôle. Lorsque l'un des commutateurs est fermé, l'autre est nécessairement ouvert. On désignera cette alternance de fermeture des commutateurs pendant une plage de temps donnée D comme une phase dite de commutation dans la présente description.
La phase de commutation est réalisée à une fréquence de découpage donnée. La période correspond à l'unité de temps t mentionnée ci-dessus. Ainsi, à une fréquence de découpage de 100 kHz par exemple, la période de fermeture alternée des deux commutateurs est de 10 με. On définit un rapport cyclique τ, pour chaque commutateur Cmi comme étant le taux de fermeture du commutateur, c'est-à-dire la durée de fermeture du commutateur Cmi sur la période t.
La tension de sortie générée Vs est égale à la somme des produits « tension d'entrée d'une source de tension /' x rapport cyclique τ, du commutateur Cmi associé » comme écrit dans la relation (I) suivante
Vs =∑i Vei. Ti (I)
Selon un mode de réalisation, la somme des rapports cycliques est égale à 1 . A titre d'exemple, considérant une période de 10 με, un rapport cyclique de 30% pour le premier commutateur signifie que le premier commutateur est fermé pendant 3 με et que le deuxième commutateur a un rapport cyclique de 70%, c'est-à-dire est fermé le temps restant, c'est-à-dire pendant 7 με.
Selon un autre mode de réalisation, la somme des rapports cycliques est inférieure à 1 . Dans ce cas, sur la période t, les commutateurs peuvent être simultanément ouverts. Par exemple, sur une période de 10 με, on pourra avoir un rapport cyclique de 30% pour le premier commutateur Cmi , et un rapport cyclique τ2 de 50% pour le deuxième commutateur Cm2, les deux commutateurs étant ouverts simultanément pendant 2 με.
Une somme des rapports cycliques inférieure à 1 peut être envisagée dans le cas où l'on souhaite fournir une tension de sortie qui soit inférieure à la valeur donné par la relation (I). Dans ce cas, différents moyens peuvent être mis en œuvre pour maîtriser la tension de sortie. Ces moyens sont décrits plus bas en relation avec la figure 4. Les commutateurs Cmi et Cm2 sont commandés de manière à laisser passer le courant (fonctionnement en fermeture) ou bloquer le courant comme décrit ci-dessus. A chaque commutateur est associé de préférence un pilote (« driver » en anglais) qui commande le commutateur. L'ordre de commuter provient d'un organe extérieur (non représenté dans les figures). Le dispositif d'alimentation comprend ainsi en outre des moyens de contrôle pour contrôler chaque pilote, ces moyens de contrôle comportant un logiciel de pilotage des pilotes et un microcontrôleur pour mettre en œuvre du logiciel de pilotage.
Selon l'invention, les commutateurs Cm1 et Cm2 sont aptes à commuter à une fréquence de découpage telle que la tension résiduelle est limitée. La gamme de fréquence est déterminée en fonction de la performance souhaitée et du coût envisagé. Les commutateurs Cm1 et Cm2 sont aptes à commuter suffisamment vite pour limiter la tension résiduelle. Les commutateurs Cm1 et Cm2 sont aptes à fonctionner à une fréquence de découpage de préférence comprise entre 10 kHz et 1000 kHz, et plus préférentiellement comprise entre 50 kHz et 500 KHz, et encore plus préférentiellement entre 50 et 200 KHz. L'utilisation d'une fréquence élevée permet avantageusement de ne pas imposer de contraintes trop importantes sur le dimensionnement des moyens de filtrage F.
De préférence, les commutateurs commandés Cmi et Cm2 sont des interrupteurs de type transistors bipolaires, transistors bipolaires à grille isolée, ou MOSFET.
Les moyens de filtrage F comprennent typiquement une inductance et une capacité, comme illustré aux figures 3 et 4 et décrits plus bas. Les moyens de filtrage ont pour objectif de limiter les résidus haute fréquence, particulièrement critique par exemple pour le respect des normes dans le domaine des télécommunications.
Le nombre de sources de tension continue peut être supérieur à deux, les sources étant toujours connectées en parallèle. Dans ce cas, le nombre de commutateurs sera également supérieur à deux. Il y a autant de commutateurs Cmi que de sources de tension continue S,, chaque source de tension continue formant avec un commutateur dédié et le récepteur électrique une boucle du circuit électrique 10.
Les sources de tension continue peuvent être, à titre d'exemples non limitatifs, des batteries, pouvant être de technologie similaire ou différente et/ou dans un état de santé identique ou différent (ex : batterie « neuve » et batterie « vieillie »), des systèmes de production d'électricité à partir d'énergie renouvelables, tels que des systèmes de panneaux photovoltaïques ou des systèmes aérogénérateurs (éoliennes), des supercondensateurs, des groupes électrogènes.
Par exemple le dispositif d'alimentation selon l'invention peut permettre la commutation entre deux sources de tension différentes ou similaires, par exemple entre deux batteries, tel qu'entre une batterie au plomb et une batterie de type Li-ion, entre deux batteries de technologie similaire mais d'état de santé différents, entre une batterie et un système photovoltaïque ou un système aérogénérateur ou un groupe électrogène, ou entre plus de deux de ces sources de tension continue. Toute combinaison est envisageable en fonction du type de récepteur électrique à alimenter. Une batterie désigne traditionnellement une "batterie d'accumulateurs" connectés en série et/ou en parallèle. Un accumulateur est un générateur électrochimique rechargeable. Ses réactions redox sont réversibles en branchant une source d'alimentation électrique à ses bornes créant un courant inverse au sens de la décharge. Dans la présente description, le terme batterie est utilisé pour désigner des générateurs électrochimiques d'énergie réversibles, qu'ils soient unitaires (élément) ou sous forme d'un ensemble d'éléments connectés, comme un pack. Il s'agit donc ici des systèmes rechargeables électriquement au sens large.
Le récepteur électrique RE alimenté par une tension continue fonctionne classiquement dans une gamme de tension spécifiée généralement par des normes constructeurs ou des normes d'utilisation liées à un domaine particulier. Les contraintes d'alimentation prises en compte par la présente invention peuvent être diverses : pente maximale de variation de tension, ondulation de la tension etc.
Le récepteur électrique RE peut être, de manière non limitative, une antenne relais de téléphonie mobile, un démarreur de véhicule pouvant être alimenté par la batterie principale du véhicule ou une batterie auxiliaire, des équipements accessoires d'un véhicule, une ou plusieurs machines électriques de traction d'un véhicule électrique ou hybride alimentées par une ou plusieurs batteries et des supercapacités, etc.
Le dispositif d'alimentation d'un récepteur électrique selon l'invention permet de commuter entre plusieurs sources de tension continue, et ainsi permet notamment de sélectionner la source la plus adaptée selon les circonstances : par exemple en fonction de la disponibilité de la source, ou choix de la source pour améliorer l'efficacité d'une chaîne énergétique. Dans le cas d'une alimentation par au moins deux batteries, la présente invention permet par exemple de choisir la batterie la plus adaptée pour réduire la consommation énergétique ou subvenir à un besoin d'autonomie accru, ou ralentir le vieillissement en limitant le nombre de cycles d'une ou de plusieurs batteries. Selon un mode de réalisation, le dispositif d'alimentation comprend une batterie Li-ion et une batterie au plomb pour alimenter une antenne-relais de téléphonie mobile et ses accessoires. La description d'un exemple d'une telle antenne relais est réalisée plus bas en relation avec la figure 5.
La figure 2 représente un exemple de réalisation non limitatif du dispositif selon l'invention avec des commutateurs formés par des paires de MOSFET commandés, de préférence simultanément. Le schéma de la figure 2 est identique en tout point à celui de la figure 1 à l'exception de la représentation des commutateurs Cm1 et Cm2. La description du circuit 20 identique à celle du circuit 10, ainsi que les sources de tension continue et du récepteur électrique, et n'est pas répétée ci-dessous. Des interrupteurs de type MOSFET (Mti , Mt2, Mt3, Mt4), c'est-à-dire des transistors à effet de champ à grille isolée, MOSFET étant l'acronyme anglais de Métal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, sont utilisés pour former les commutateurs Cmi et Cm2.
Pour former un commutateur, deux MOSFET (Mti/Mt2; Mt3/Mt4) sont placés en série tête bêche, c'est-à-dire en sens inverse l'un de l'autre comme représenté sur la figure 2. Les MOSFET de chaque paire (Mti/Mt2; Mt3/Mt4) sont de préférence commandés simultanément de manière à s'ouvrir et se fermer simultanément.
La commande des deux MOSFET, connectés aux moyens de filtrage F, est alors référencée à ce point flottant par construction. L'alimentation de leurs circuits de commande ne peut donc pas se faire à partir d'un potentiel fixe par rapport à la masse du système, et doit se faire à partir d'un potentiel fixe à partir du point d'interconnexion, qui est flottant. Ceci peut être réalisé en employant par exemple un convertisseur de tension statique à sortie isolée.
Le commutateur formé par une paire de MOSFET ainsi disposés forme une boucle avec une source de tension donnée. Le circuit 20 comprend donc deux boucles : chaque boucle du circuit est formée par une source de tension continue (Si ou S2), un commutateur (Cm1 ou Cm2) constitué par une paire de MOSFET, le filtre F et le récepteur électrique RE. Ce mode de réalisation permet avantageusement d'alimenter un récepteur électrique RE avec n'importe quelle paire de sources de tension continue en mesure d'alimenter ledit récepteur, par exemple entre deux batteries quelconques qui peuvent être dans des états de charge différents pour alimenter une antenne relais. Selon cette réalisation, il est possible de connecter ou déconnecter librement chaque source de tension individuellement, et ce, quel que soit leur niveau de tension.
La mise en œuvre de MOSFET est avantageuse car ces derniers fonctionnent avec de faibles tensions, un fort courant, et permettent une commutation rapide. Ainsi, ce mode de réalisation est par exemple très bien adapté à l'alimentation des antennes relais. L'utilisation d'interrupteurs de type MOSFET est possible grâce à la disposition particulière des MOSFET, en série et positionnés tête bêche. En effet, cette disposition permet d'éviter que le courant circule dans une boucle du circuit de manière non désirée, par l'entrée en conduction de la diode interne d'un MOSFET. Par exemple lorsqu'on commute sur la source de tension continue ayant la tension la plus forte, la diode du MOSFET dans la branche opposée entre en conduction. Un deuxième MOSFET associé en sens inverse au premier MOSFET, et de préférence commandé simultanément, permet de faire barrage au courant dans ce cas de figure.
La figure 3 est un schéma d'un circuit 30 plus détaillé représentant un exemple d'architecture électronique d'un dispositif d'alimentation selon l'invention. Les sources et récepteurs électriques sont identiques à ce qui a été décrit plus haut. Le récepteur électrique RE est représenté par une résistance.
Chaque commutateur est commandé par un ou plusieurs pilotes, selon que le commutateur est constitué par un ou plusieurs composants susceptibles de nécessiter chacun un pilotage qui lui soit propre. Les pilotes sont eux-mêmes contrôlés par des moyens de contrôle (non représenté) comprenant typiquement un microcontrôleur et un logiciel de pilotage desdits drivers mis en œuvre par le microcontrôleur. Sur la figure 3, les commutateurs Cm1 et Cm2 sont des paires de MOSFET (T3/T4 ; T1/T2) tels que décrit en relation avec la figure 2.
Chaque MOSFET est commandé via un pilote Dr contrôlé par des moyens de contrôle non représentés dans la figure 3. Les MOSFET de chaque paire constituant le commutateur peuvent être commandés simultanément de manière à s'ouvrir ou se fermer de manière simultanée. Des capacités d'entrée C3 et C4 sont prévues. Par exemple, ces capacités sont utiles dans le cas d'utilisation de batteries en tant que sources de tension continue qui peuvent être massives et distantes, impliquant alors les inductances de câblage importantes. Ces capacités d'entrée permettent de protéger les MOSFET des surtensions à l'ouverture. Les moyens de filtrage F comprennent une inductance L, afin de créer la cellule de commutation, et une capacité de filtrage C1 en sortie (on commute un courant entre deux sources de tensions, via une inductance).
Le circuit 30 comprend également une diode de roue libre D1 , imposée par la présence de l'inductance L. Le circuit 30 comprend en outre une deuxième diode roue libre D2. Dans certains cas de fonctionnement, le courant dans l'inductance peut se trouver inversé. Dans ce cas précis, la diode de roue libre D1 n'entrera pas en conduction lors de l'ouverture des MOSFET. Une solution consiste à placer une diode D2 avec une polarité opposée, reliée à un potentiel créé par la capacité C2, inférieur ou égal au potentiel le plus faible de toutes les sources d'alimentation. Ce potentiel est créé par les diodes D3 et D4, auxquelles la capacité C2 est reliée par une résistance de précharge. La diode Zener Dz permet de décharger lentement la capacité C2 lorsque sa tension est trop élevée.
Les MOSFET sont de préférence connectés par le drain, ce qui permet de faciliter la commande. Sans cela, il faudrait référencer la commande au point milieu entre les deux transistors, ce qui n'est pas correct.
Un circuit reliant plus de deux sources en parallèle peut être envisagé. Dans ce cas, le circuit comprendra autant de commutateur que de sources, ainsi que des drivers pour chaque commutateur et une capacité d'entrée pour chaque source.
La figure 4 représente un autre exemple d'architecture électronique d'un dispositif d'alimentation selon l'invention.
Le circuit 40 est en tout point identique au circuit 30 de la figure 3, à l'exception de la présence d'un transistor supplémentaire T0, de préférence de type MOSFET, positionné dans le circuit électrique et commandé de manière à contrôler la tension de sortie Vs lorsque les commutateurs (Cm1 ,Cm2) sont en position ouverte. Le transistor T0 est positionné en parallèle de la diode de roue libre D1 . Ce mode de réalisation correspond par exemple au cas où l'on souhaite fournir une tension de sortie qui soit inférieure à la valeur donnée par la relation (I), donnée plus haut, en déterminant des rapports cycliques tels que leur somme soit inférieure à 1 .
En effet, si l'on souhaite générer une tension de sortie inférieure à cette valeur, on réduit d'autant le rapport cyclique dans l'ensemble des boucles, et on commande le transistor T0 en fermeture pendant les phases où aucune des boucles n'est fermée (commutateurs ouverts). La relation (I) reste alors valide.
Dans le cas de l'emploi de transistors MOSFET, la diode D1 peut éventuellement être supprimée. Le courant passe par la diode interne au transistor. Selon un mode de réalisation, le dispositif d'alimentation comprend en outre des moyens de mesure (non représentés) comportant au moins un circuit de mesure de la tension de sortie continue Vs, et éventuellement un circuit de mesure du courant consommé par le récepteur électrique ou un circuit de mesure de la tension en entrée des commutateurs (Cm1 ,Cm2) ou les deux. Ces moyens de mesure peuvent être utilisés pour le pilotage des commutateurs, notamment fournir des données utilisées dans le logiciel de pilotage des commutateurs.
Ces moyens de mesure, notamment le circuit de mesure de la tension de sortie, et éventuellement un circuit de mesure du courant consommé en sortie, peuvent intervenir pour contrôler la tension de sortie, au moyen d'un logiciel de régulation de la tension de sortie dans le cas où la somme des rapports cycliques inférieure à 1 et où le circuit électrique ne comprend un interrupteur T0 tel qu'illustré à la figure 4. Cette configuration correspond au cas où l'on souhaite fournir une tension de sortie qui soit inférieure aux tensions d'entrées.
Le logiciel de régulation permet d'ajuster les rapports cycliques afin de respecter la consigne de tension désirée. Procédé d'alimentation selon l'invention
L'invention porte également sur un procédé d'alimentation d'un récepteur électrique RE par au moins deux sources de tension continue (S1 ; S2) mettant en œuvre le dispositif selon l'invention. Le procédé d'alimentation selon l'invention comporte les étapes suivantes :
- une étape de commutation entre les deux sources de tension continue, la commutation étant réalisée par la fermeture alternée des deux commutateurs Cmi et Cm2 de manière à fournir une tension de sortie non filtrée fonction des deux sources de tension continue (Si , S2);
- une étape de filtrage de la tension de sortie en sortie des commutateurs par les moyens de filtrage F ; et
- l'alimentation du récepteur électrique RE avec tension de sortie filtrée Vs.
De préférence la commutation est réalisée avec une fréquence de découpage comprise 10 kHz et 1000 kHz, de préférence entre 50 kHz et 500 KHz, et encore plus préférentiellement entre 50 kHz et 200 KHz.
Selon une mise en œuvre, le procédé comprend au moins les deux phases ci-dessous.
Une première phase est opérée pendant laquelle on effectue l'étape de commutation pour alimenter le récepteur électrique RE en une tension de sortie continue VSi filtrée par les moyens de filtrage F. Lors de cette phase la tension de sortie VSi est fonction des deux sources Si et S2. C'est la phase de commutation proprement dite, qui est opérée sur une plage de temps donnée D généralement très courte. Par exemple, dans la cadre de l'application aux antennes relais de téléphonie mobile, une telle phase de commutation peut durer environ 1 s. Lors d'une deuxième phase, on maintient un seul commutateur (Cmi ou Cm2) en position fermée pour fournir une tension continue en sortie du commutateur fonction d'une seule des deux sources de tension continue. Lors de cette deuxième phase, on filtre également la tension continue en sortie du commutateur continue par les moyens de filtrage F, pour alimenter le récepteur électrique RE avec une tension de sortie filtrée VS2- Selon cette mise en œuvre, l'alimentation peut comporter une succession d'alternances de ces deux phases, qui permettent de basculer d'une source à une autre.
Selon cette mise en œuvre, la deuxième phase pendant laquelle la tension délivrée est fonction d'une seule source peut être assimilée au fonctionnement normal d'alimentation du récepteur, c'est-à-dire le fonctionnement pendant la grande majorité du temps. On peut par exemple alimenter de cette manière une antenne relais de téléphonie mobile et des accessoires, avec une étape de commutation réalisée entre une batterie Li-ion et une batterie au plomb. Ce type d'alimentation est décrit plus loin.
Selon une autre mise en œuvre, le procédé comporte un mode principal d'alimentation du récepteur électrique qui est réalisé par l'étape de commutation permettant le couplage des deux sources de tension continue Si et S2 pour alimenter le récepteur électrique RE. Le couplage des deux sources constitue alors le fonctionnement normal d'alimentation du récepteur. Dans ce cas mode de fonctionnement, on réalise du découpage la plupart du temps. Le rapport cyclique τ, affecté à chaque boucle i du circuit, comprenant le commutateur Cmi et la source i en série, permet de contrôler le courant débité : en reprenant l'exemple donné plus haut dans la description, si on affecte un rapport de 30% sur la boucle 1 (commutateur Cmi et source Si) et le complémentaire sur la boucle 2 (commutateur Cm2 et source S2), le courant débité par la source Si sera de 30% du courant de sortie, et celui débité par la source S2 sera de 70% du courant de sortie.
Il est possible de faire varier le rapport cyclique à chaque instant pour ajuster le courant débité par chaque source. Ainsi, on peut déterminer une valeur de rapport cyclique pour chaque commutateur, et faire varier cette valeur du rapport cyclique pour chacun des commutateurs afin de contrôler la contribution de chacune des sources de tension continue pour générer la tension de sortie filtrée Vs.
Les rapports cycliques peuvent avantageusement varier de 0% à 100% tout en contrôlant la tension de sortie, et en maîtrisant la tension résiduelle.
On peut ainsi faire varier le rapport cyclique de chaque commutateur entre 0% et 100%, et contrôler la tension de sortie filtrée Vs lorsque la somme des rapports cycliques des commutateurs (Cm1 ,Cm2) est inférieure à 1 au moyen du transistor T0 commandé en position fermée lorsque les commutateurs (Cm1 ,Cm2) sont en position ouverte, ou au moyen d'un logiciel régulant la tension de sortie filtrée VS à partir d'au moins une mesure de la tension de sortie, et éventuellement à partir de la mesure du courant consommé par le récepteur électrique. Le dispositif selon l'invention permet donc avantageusement le couplage de différentes sources de tension continue, tel que, sans être limitatif, un couplage batterie/supercapacités (aussi appelés supercondensateurs), un couplage entre batteries présentent différents états de santé, ou un couplage batterie/panneaux photovoltaïques. Dans ce dernier cas de figure, un tel mode permet par exemple de maîtriser le courant débité par les panneaux, afin de maximiser la puissance électrique ainsi générée. Dans certains domaines d'applications, il est intéressant de réaliser le couplage permis par le dispositif et le procédé selon l'invention entre une batterie et une source de tension continue telle qu'un système photovoltaïque, un aérogénérateur, un groupe électrogène.
Applications
La présente invention s'applique avantageusement, sans s'y limiter, à l'alimentation des antennes relais de téléphonie mobile.
Par antenne relais, on entend une station de base émettrice-réceptrice, qui convertit les signaux électriques en ondes électromagnétiques, et réciproquement, pour les communications mobiles. Cette définition couvre différents types d'antenne relais telles que les stations de transmission de base, dites BTS (« Base Transceiver Station ») en anglais, des réseaux GSM (Global System for mobile communications), les antennes relais de type Node B des réseaux mobiles UMTS (Universal Mobile Télécommunication System).
Les normes liées au fonctionnement de ces antennes relais, qui diffèrent selon le type de réseau mobile, imposent des spécifications très strictes, notamment en ce qui concerne l'alimentation des antennes. Ainsi, la norme européenne ETSI EN 300 132-2 V2 4 6 concernant l'alimentation des équipements de télécommunication de type BTS spécifie une alimentation avec une tension continue nominale de - 48 V, avec une gamme de tension de service nominale de - 40,5 V à - 57 V, et une tension résiduelle (« residual voltage » en anglais) maximum de 2 mV psophométrique.
Dans le cadre de l'application aux antennes relais, le dispositif et le procédé d'alimentation à partir d'au moins deux sources de tension continue selon l'invention permettent de maîtriser la tension de sortie du système d'alimentation de l'antenne relais, c'est-à-dire de délivrer une tension dans la gamme de fonctionnement spécifiée avec une tension résiduelle inférieure à la norme sévère spécifiée, tout en assurant un excellent rendement énergétique, notamment lors des phases hors commutation, comme expliqué plus loin dans la description. L'antenne relais peut être alimentée de différentes manières et par différentes sources électriques.
Selon l'invention, l'antenne relais de téléphonie mobile comprend un dispositif d'alimentation tel que décrit précédemment. L'antenne relais est alimentée selon le procédé d'alimentation décrit plus haut dans lequel on effectue une étape de commutation entre au moins deux sources de tension continue, la commutation étant réalisée par la fermeture alternée des deux commutateurs de manière à fournir une tension de sortie non filtrée fonction des deux sources de tension continue, on filtre la tension en sortie des commutateurs par les moyens de filtrage, et on alimente l'antenne avec la tension de sortie filtrée Vs.
De préférence, l'antenne est alimentée par au moins une batterie Li-ion et une batterie au plomb en tant que sources de tension continue (S^).
A titre d'exemple non limitatif, l'antenne relais est alimentée par un système de batterie(s) et un générateur électrique, tel qu'illustré à la figure 5. Dans la présente description, on désignera par l'expression système BTS (« Base Transceiver Station » en anglais) l'antenne relais en tant que telle, c'est-à-dire la station émettrice-réceptrice de base, qui convertit les signaux électriques en ondes électromagnétiques pour les communications mobiles, ainsi que ses accessoires, par exemple des dispositifs lumineux de prévention pour les avions, un équipement de réseau de backhaul, un éventuel dispositif de refroidissement des systèmes électroniques constituant l'antenne-relais, des équipements de maintenance (outils) qui peuvent être raccordés par l'opérateur sur le bus d'alimentation, etc., alimentés selon l'invention.
Selon ce mode de réalisation, le système BTS comprend un dispositif d'alimentation comportant un circuit commutateur Cs pour la commutation entre une batterie principale et une batterie de secours. Bien que non représenté à la figure 5, il peut être envisagé dans d'autres modes de réalisation un circuit commutateur Cs pour la commutation entre la batterie principale, ou la batterie de secours, et un générateur électrique, ou encore un commutateur entre 3 sources : batterie principale, batterie de secours et générateur électrique. Le circuit commutateur correspond au circuit électrique décrit précédemment pour la commutation entre les deux sources de tension continue.
La batterie principale est de type lithium-ion, aussi communément appelée Li-ion. La batterie principale est chargée par le groupe électrogène GE par l'intermédiaire d'un premier chargeur Chu. On considère alors qu'une première source de tension continue est formée par la batterie de type Li-ion et le chargeur ChLi.
La batterie de secours est de type batterie au plomb. La batterie de secours peut être chargée par le groupe électrogène GE par l'intermédiaire d'un deuxième chargeur ChPb. On considère alors qu'une deuxième source de tension continue est formée par la batterie au plomb et le chargeur ChPb.
Le générateur électrique GE est typiquement un groupe électrogène. Il peut également être une source d'énergie renouvelable telle qu'un système photovoltaïque ou une éolienne génératrice d'électricité, ou une combinaison de ces différents types de sources électriques.
Les chargeurs, les batteries, le circuit commutateur Cs et le système BTS sont reliés par des DC bus. Par DC bus on entend une ligne conductrice d'électricité, typiquement en cuivre ou en aluminium, pouvant comporter un nombre quelconque de conducteurs, qui peut relier plus de deux appareils ou dispositifs, caractérisée par le passage d'un courant électrique de tension continue.
Le circuit commutateur Cs est relié au système BTS par l'intermédiaire d'un premier DC bus B1 . Le premier chargeur Chu et la batterie principale sont reliées au circuit commutateur Cs par un deuxième DC bus B2. Le deuxième chargeur ChPb et la batterie de secours sont reliées au circuit commutateur Cs par un troisième DC bus B3.
Le niveau de tension dans les bus B1 , B2 et B3 est compris de préférence entre - 40,5 V à - 57 V, et de préférence égal à -48 V, afin de respecter les normes d'alimentation du système BTS. Selon ce mode de réalisation, l'alimentation de l'antenne est réalisée de la manière suivante :
Dans un mode dit « automatique », l'antenne est alimentée par une batterie de type Li-ion, qui constitue la batterie principale, c'est-à-dire que c'est elle qui détermine le niveau de tension de la sortie du bus DC alimentant l'antenne réseau.
Dans ce mode, la batterie de type Li-ion se décharge pour alimenter l'antenne, avec le groupe électrogène éteint.
Une fois un seuil de décharge critique atteint, cette batterie est rechargée par le générateur électrique, c'est-à-dire par le groupe électrogène. Bien que non représenté à la figure 5, le générateur électrique peut également être une source d'énergie renouvelable tel qu'un système photovoltaïque ou une éolienne génératrice d'électricité, ou une combinaison de ces différentes sources (groupe électrogène, système photovoltaïque, aérogénérateur).
Lors de la phase de charge de la batterie de type Li-ion, l'antenne est alimentée par le générateur électrique. Une fois la batterie de type Li-ion rechargée, on bascule à nouveau dans un mode de fonctionnement où l'antenne est alimentée par la batterie Li-ion.
Les phases de charge/décharge sont déterminées par l'état du groupe électrogène et du chargeur Chu de la batterie Li-ion. Lorsque le groupe électrogène est arrêté, la batterie se décharge ; lorsque le groupe électrogène est en marche, la batterie se charge. Le courant de charge est égal au courant débité par le chargeur Chu, retranché du courant consommé par le système BTS.
Dans un mode dit de « secours », l'antenne est alimentée par une batterie de secours, par exemple une batterie au plomb. Ce mode de secours peut être déclenché lorsque le générateur électrique n'est pas en mesure d'alimenter l'antenne alors que la batterie Li-ion est déchargée, par exemple en cas de maintenance ou de défaillance du générateur électrique. La batterie plomb est dimensionnée pour alimenter l'antenne réseau sur une durée pouvant atteindre plusieurs jours. Selon ce mode de réalisation, le passage du mode automatique au mode de secours est réalisé par une étape de commutation au moyen du dispositif selon l'invention, tel que décrit précédemment.
Le dispositif selon l'invention permet la commutation rapide et contrôlée entre les deux sources de tension continue, c'est-à-dire entre la batterie Li-ion et la batterie au plomb dans ce mode de réalisation.
De préférence, le dispositif d'alimentation selon l'invention est mis en œuvre dans l'antenne relais pour commuter entre la batterie de type Li-ion et la batterie au plomb.
Selon le mode de réalisation décrit, avec une alimentation « automatique » à l'aide d'une batterie Li-ion qui alimente l'antenne alors que le groupe électrogène est éteint, il est avantageusement possible de réduire jusqu'à environ 40% la consommation moyenne de carburant par le groupe électrogène comparativement à un mode où le groupe électrogène fonctionnerait en permanence.
La fréquence de découpage peut être comprise entre 10 kHz et 1000 kHz, de préférence entre 50 kHz et 500 KHz, plus préférentiellement encore entre 50 et 200 KHz.
Le couplage de sources de tension pour alimenter l'antenne relais peut également être envisagé avec le dispositif selon l'invention. Un tel couplage peut être intéressant notamment dans le cadre de l'emploi de sources d'énergies renouvelables. En effet, le dispositif selon l'invention mis en œuvre de manière à coupler les sources permet alors de maîtriser le courant débité par chacune de ces sources selon la disponibilité de l'énergie et la production d'électricité correspondante, pour alimenter l'antenne relais. Un tel couplage peut être mis en œuvre pour coupler au moins une batterie avec une source d'énergie renouvelable, ou pour coupler au moins deux sources d'énergie renouvelables.
D'autres applications peuvent être envisagées. Sans limitation aucune, on peut citer les domaines d'application suivants :
- le domaine de la production électrique décentralisée, connu également sous le nom de réseau de production locale d'électricité (« microgrid » en anglais), et correspondant à la production d'énergie électrique à l'aide d'installations de petite capacité raccordées au réseau électrique à des niveaux de tension peu élevée : basse ou moyenne tension ; le domaine de l'alimentation à bord des véhicules, par exemple l'alimentation de démarreurs de véhicules avec moteurs à combustion, accessoires de tableau de bord, l'alimentation d'une ou plusieurs machines électriques de traction d'un véhicule électrique ou hybride par une ou plusieurs batteries et des supercapacités, etc.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif d'alimentation d'un récepteur électrique (RE), ledit dispositif comprenant un circuit électrique reliant au moins deux sources de tension continue (Si , S2) connectées en parallèle et ledit récepteur électrique (RE),
ledit circuit comprenant au moins deux commutateurs commandés (Ci ,C2) et des moyens de filtrage (F),
chaque source de tension continue étant branchée en série avec l'un des commutateurs commandés, les moyens de filtrage (F) et le récepteur électrique (RE) de manière à former une boucle du circuit électrique,
lesdits commutateurs commandés permettant de commuter entre lesdites au moins deux sources de tension continue pour délivrer une tension de sortie continue Vs alimentant ledit récepteur électrique (RE), ladite tension de sortie continue Vs étant filtrée par lesdits moyens de filtrage (F) et étant fonction de l'une et/ou l'autre source de tension continue (S1 ; S2).
2. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel les commutateurs sont aptes à commuter à une fréquence de découpage comprise entre 10 kHz et 1000 kHz, de préférence entre 50 kHz et 500 KHz, plus préférentiellement entre 50 kHz et 200 KHz.
3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les commutateurs commandés (Ci ,C2) sont des interrupteurs de type transistors bipolaires, transistors bipolaires à grille isolée, ou MOSFET.
4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel les commutateurs commandés (Ci ,C2) sont formés par des paires d'interrupteurs de type MOSFET en série (Mti/Mt2; Mt3/Mt4), les deux interrupteurs de type MOSFET de chaque commutateur étant disposés côte à côte et tête bêche, et étant de préférence commandés simultanément de manière à s'ouvrir et se fermer simultanément.
5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre au moins un pilote (Dr) par commutateur, et des moyens de contrôle pour contrôler chaque pilote, lesdits moyens de contrôle comportant un logiciel de pilotage desdits pilotes (Dr) et un microcontrôleur pour mettre en œuvre ledit logiciel de pilotage.
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les moyens de filtrage (F) comprennent une inductance (L) et une capacité (C1 ).
7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le circuit électrique comprend en outre un transistor (T0), de préférence de type MOSFET, positionné dans le circuit électrique et commandé de manière à contrôler la tension de sortie Vs lorsque les commutateurs (C C2) sont en position ouverte.
8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre des moyens de mesure comportant au moins un circuit de mesure de la tension de sortie continue Vs, et éventuellement un circuit de mesure du courant consommé par le récepteur électrique ou un circuit de mesure de la tension en entrée des commutateurs (C C2) ou les deux.
9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant au moins deux sources de tension continue choisies parmi les batteries, les supercondensateurs, les groupes électrogènes, les systèmes photovoltaïques, les systèmes aérogénérateurs.
10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant une première source de tension continue Si comportant une batterie Li-ion, et une deuxième source de tension S2 comportant une batterie au plomb, pour alimenter une antenne relais de téléphonie mobile (BTS) et des accessoires de ladite antenne relais.
1 1 . Procédé d'alimentation d'un récepteur électrique (RE) par au moins deux sources de tension continue (Si , S2) mettant en œuvre le dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
- on effectue une étape de commutation entre lesdites au moins deux sources de tension continue (Si , S2), ladite commutation étant réalisée par la fermeture alternée des deux commutateurs (C C2) de manière à fournir une tension de sortie non filtrée fonction des deux sources de tension continue (S1 ; S2);
- on filtre ladite tension de sortie non filtrée par les moyens de filtrage (F) ; et
- on alimente le récepteur électrique (RE) avec ladite tension de sortie filtrée Vs.
12. Procédé selon la revendication 1 1 , dans lequel la commutation est réalisée avec une fréquence de découpage comprise entre 10 kHz et 1000 kHz, de préférence entre 50 kHz et 500 KHz, plus préférentiellement entre 50 kHz et 200 KHz.
13. Procédé selon l'une des revendications 1 1 ou 12, comprenant au moins :
- une première phase pendant laquelle on effectue l'étape de commutation pour alimenter le récepteur électrique (RE) en une première tension de sortie continue filtrée VS
- une deuxième phase pendant laquelle :
- on maintient un seul commutateur (C C2) en position fermée pour fournir une deuxième tension de sortie continue fonction d'une seule desdites au moins deux sources de tension continue ;
- on filtre ladite deuxième tension continue par les moyens de filtrage (F) ; et
- on alimente le récepteur électrique (RE) avec ladite deuxième tension de sortie filtrée VS2-
14. Procédé selon l'une des revendications 1 1 ou 12, dans lequel le mode principal d'alimentation du récepteur électrique (RE) est réalisé par l'étape de commutation permettant le couplage desdites sources de tension continue pour alimenter le récepteur électrique (RE).
15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel :
- on détermine une valeur de rapport cyclique pour chaque commutateur ;
- on fait varier ladite valeur du rapport cyclique pour chacun des commutateurs afin de contrôler la contribution de chacune des sources de tension continue pour générer la tension de sortie filtrée Vs.
16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel le rapport cyclique de chaque commutateur varie de 0% à 100%, et dans lequel on contrôle la tension de sortie filtrée Vs lorsque la somme des rapports cycliques des commutateurs (Ci ,C2) est inférieure à 1 au moyen d'un transistor (T0) commandé en position fermée lorsque les commutateurs (C C2) sont en position ouverte, ou au moyen d'un logiciel régulant la tension de sortie filtrée Vs à partir d'au moins une mesure de la tension de sortie, et éventuellement à partir de la mesure du courant consommé par le récepteur électrique (RE).
17. Procédé selon l'une des revendications 1 1 à 13 pour alimenter une antenne-relais de téléphonie mobile et ses accessoires, dans lequel l'étape de commutation est réalisée entre une première source de tension continue (Si) comportant une batterie Li-ion, et une deuxième source de tension (S2) comportant une batterie au plomb.
18. Antenne relais de téléphonie mobile comprenant un dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 1 à 1 0 ou alimentée par un procédé selon l'une des revendications 1 1 à 17, ladite antenne relais étant de préférence alimentée par au moins une batterie Li-ion et une batterie au plomb en tant que sources de tension continue (S^).
PCT/EP2016/061745 2015-05-29 2016-05-25 Dispositif d'alimentation d'un recepteur electrique avec commutation entre deux sources de tension continue, et procede d'alimentation mettant en oeuvre un tel dispositif Ceased WO2016193080A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1554886A FR3036867B1 (fr) 2015-05-29 2015-05-29 Dispositif d'alimentation d'un recepteur electrique avec commutation entre deux sources de tension continue, et procede d'alimentation mettant en œuvre un tel dispositif
FR1554886 2015-05-29

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016193080A1 true WO2016193080A1 (fr) 2016-12-08

Family

ID=54066022

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2016/061745 Ceased WO2016193080A1 (fr) 2015-05-29 2016-05-25 Dispositif d'alimentation d'un recepteur electrique avec commutation entre deux sources de tension continue, et procede d'alimentation mettant en oeuvre un tel dispositif

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR3036867B1 (fr)
WO (1) WO2016193080A1 (fr)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5784626A (en) * 1994-07-26 1998-07-21 International Business Machines Battery connecting device for a computer system and a method of switching batteries
US20070241732A1 (en) * 2006-04-12 2007-10-18 Luyang Luo Power management system with multiple power sources
US20070262755A1 (en) * 2006-01-02 2007-11-15 Asustek Computer Inc. Buck converter
US20080048500A1 (en) * 2006-08-11 2008-02-28 Hideyuki Kihara Switching device
WO2009141651A2 (fr) 2008-05-21 2009-11-26 Poweroasis Ltd Contrôleur de système superviseur pour une utilisation avec un site de télécommunications radio alimenté par énergie renouvelable
US20100066431A1 (en) * 2008-09-12 2010-03-18 Nellcor Puritan Bennett Llc Low power isolation design for a multiple sourced power bus
US20120086275A1 (en) * 2010-10-12 2012-04-12 Manjirnath Chatterjee Control circuitry for receiving power on electronic devices and computers
FR2983006A1 (fr) * 2011-11-22 2013-05-24 Thales Sa Systeme d'alimentation continue securisee et regulee a entrees multiples
US20150084424A1 (en) * 2012-05-03 2015-03-26 Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg Energy supply module as a two-port network, use of a separating device in such an energy supply module, and method for operating such an energy supply module

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5784626A (en) * 1994-07-26 1998-07-21 International Business Machines Battery connecting device for a computer system and a method of switching batteries
US20070262755A1 (en) * 2006-01-02 2007-11-15 Asustek Computer Inc. Buck converter
US20070241732A1 (en) * 2006-04-12 2007-10-18 Luyang Luo Power management system with multiple power sources
US20080048500A1 (en) * 2006-08-11 2008-02-28 Hideyuki Kihara Switching device
WO2009141651A2 (fr) 2008-05-21 2009-11-26 Poweroasis Ltd Contrôleur de système superviseur pour une utilisation avec un site de télécommunications radio alimenté par énergie renouvelable
US20100066431A1 (en) * 2008-09-12 2010-03-18 Nellcor Puritan Bennett Llc Low power isolation design for a multiple sourced power bus
US20120086275A1 (en) * 2010-10-12 2012-04-12 Manjirnath Chatterjee Control circuitry for receiving power on electronic devices and computers
FR2983006A1 (fr) * 2011-11-22 2013-05-24 Thales Sa Systeme d'alimentation continue securisee et regulee a entrees multiples
US20150084424A1 (en) * 2012-05-03 2015-03-26 Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg Energy supply module as a two-port network, use of a separating device in such an energy supply module, and method for operating such an energy supply module

Also Published As

Publication number Publication date
FR3036867B1 (fr) 2018-07-27
FR3036867A1 (fr) 2016-12-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2695279B1 (fr) Dispositif de transfert de charge et procédé de gestion associé
EP3105845B1 (fr) Systeme d'alimentation a tension continue configure pour precharger un condensateur de filtrage avant l'alimentation d'une charge
EP2079148B1 (fr) Circuit electrique
EP2781001B1 (fr) Source de tension continue incluant des cellules electrochimiques a niveau de tension adaptatif
FR2961972A1 (fr) Dispositif electrique d'entrainement d'un equipement mecanique et procede associe
FR2784517A1 (fr) Circuit d'alimentation en energie pour un reseau de bord de vehicule automobile a deux branches d'alimentation de tensions differentes
EP3227137B1 (fr) Dispositif d'alimentation et convertisseur de tension continue ameliore
EP2819873B1 (fr) Gestion combinee de deux sources de tension
FR2987512B1 (fr) Circuit de charge d'une installation d'alimentation en energie et son procede d'application
FR2925784A1 (fr) Systeme d'alimentation electrique pour satellite.
WO2010063913A2 (fr) Dispositif d'alimentation électrique, et installation de commande d'un sectionneur incluant un tel dispositif
FR2916914A1 (fr) Dispositif d'inferface de compensation de tension a base de stockage de l'energie sous forme capacitive et reseau electrique comprenant ce dispositif.
EP2801150B1 (fr) Systeme d'alimentation d'une charge alternative par plusieurs sources de tension continue
EP3721543A1 (fr) Convertisseur continu-continu avec pre-charge d'un premier reseau electrique a partir d'un deuxieme reseau electrique
EP0549743A1 (fr) Dispositif d'optimisation de la decharge d'au moins deux generateurs electrochimiques.
WO2016193080A1 (fr) Dispositif d'alimentation d'un recepteur electrique avec commutation entre deux sources de tension continue, et procede d'alimentation mettant en oeuvre un tel dispositif
WO2022180346A1 (fr) Dispositif de stockage et de génération concomitante d'au moins une tension électrique, et procédé de gestion associé
EP3289691B1 (fr) Procédé d'échange de données entre deux dispositifs électromécaniques
EP2916426B1 (fr) Dispositif d'éclairage tel qu'un bloc autonome d'éclairage de sécurité et procédé d'alimentation électrique d'un microcontrôleur dans un tel dispositif d'éclairage
EP4387079A1 (fr) Système de commande d'un convertisseur de tension
WO2025215308A1 (fr) Systeme electrique comprenant une batterie de puissance adaptee pour activer un mode de court-circuit d'une machine electrique
FR3049408A1 (fr) Procede et systeme de conversion electrique continu-continu entre reseaux d'alimentation electrique relies a une machine electrique tournante de vehicule automobile
FR2650129A1 (fr) Dispositif d'alimentation autonome a sortie de tension alternative pour appareillage electrique
FR2987944A1 (fr) Dispositif et procede d'alimentation electrique a partir de l'energie solaire
EP2417698A1 (fr) Système de commande d'une charge électrique alimenté par des sources continues

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16725124

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16725124

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1