WO2021136887A1 - Système de gestion multifonction de bandes electriques chauffantes et d'appareils electriques - Google Patents

Système de gestion multifonction de bandes electriques chauffantes et d'appareils electriques Download PDF

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WO2021136887A1
WO2021136887A1 PCT/FR2020/000281 FR2020000281W WO2021136887A1 WO 2021136887 A1 WO2021136887 A1 WO 2021136887A1 FR 2020000281 W FR2020000281 W FR 2020000281W WO 2021136887 A1 WO2021136887 A1 WO 2021136887A1
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WO
WIPO (PCT)
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electrical
control unit
primary
antenna
multifunction system
Prior art date
Application number
PCT/FR2020/000281
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Inventor
Jerome Tonin
Mathieu TURELIER
Stephane Semori
Original Assignee
Smart Packaging Solutions
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Publication date
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    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J50/80—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving the exchange of data, concerning supply or distribution of electric power, between transmitting devices and receiving devices
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    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
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    • H05B1/0275—Heating of spaces, e.g. rooms, wardrobes
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    • H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/54—Heating elements having the shape of rods or tubes flexible
    • 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
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]

Definitions

  • TITLE Multifunctional management system for electric heating strips and electrical appliances
  • the present invention relates to a system comprising a control unit connected on the one hand to a set of modular electrical strips intended for Joule heating and on the other hand to a set of electrical devices supplied with energy or data by induction.
  • the system according to the invention is particularly suitable for use in buildings, but it can easily be adapted to other fields of application, such as transport vehicles, clothing or others.
  • the first application targeted by the invention is that of heating parts of a building and of supplying electricity to the devices therein.
  • the invention will therefore be mainly described in the context of this application, without however limiting the generality of the invention.
  • radiators In the building industry, conventional heating solutions based on radiators, whether electric or not, are known. Radiators using an electrical resistance are known for their low comfort of use, because due to their absence of thermal inertia, they generate strong local temperature disparities. In addition, they are supplied at medium voltage (220 Volts in Europe) and are never completely free from the risk of electrocution or fire in the event of an insulation fault.
  • Underfloor heating systems are also known, in which a heating source is directly integrated into the floor of a room. This makes it possible to obtain a higher level of thermal comfort than that of point radiant sources, but at the cost of other disadvantages.
  • underfloor heating systems by circulation in the slab of a heat transfer fluid involve the laying of a network of pipes which long term there is a risk of leakage or clogging, which leads to high maintenance work.
  • the location of the pipes in the screed being a posteriori unknown, any punching or drilling in the ground to install equipment is prohibited.
  • document EP 3,209,092 A1 has proposed a multilayer structure for the production of a floor covering or a heating wall, which incorporates flexible strips provided with longitudinal electrodes between which are distributed electrically conductive particles which heat up by the Joule effect when an electric current flows between the electrodes of a strip.
  • This device allows after laying the coating to locally pierce the heating floor without affecting the operation of the heating system in the non-pierced areas.
  • the proposed structure is limited to the heating of a floor or a wall, and does not make it possible to face new home automation needs inside buildings, such as the localized and flexible supply of electrical equipment placed in the building. a piece.
  • a document US 2010/219693 A1 (Azancot Yossi) is also known which describes an inductive power supply system intended for humid premises. Sealed electrical outlets are supplied with electrical energy and inductively coupled to secondary circuits which supply electrical devices constituting loads. In this way, the secondary circuits do not have a galvanic connection with the supply voltage, which minimizes the risk of electrocution. In addition, the primary windings are disconnected from their power supply when no secondary circuit is detected.
  • the system according to this document is entirely analog, insofar as the loads of the devices connected to the secondary are not identified or identifiable, but detected by analog presence detectors.
  • a device When a device is detected, it is supplied by an alternating voltage, which can optionally be rectified into direct voltage by the device if it uses a direct voltage.
  • This arrangement does not provide good energy efficiency, and does not does not allow to feed in a specific way antennas intended for heating (which should receive a voltage having a DC component), and antennas intended for the transfer of energy by inductive coupling, for example towards devices intended for the communication of information , which should receive alternate signals.
  • a first problem lies in the diversity of the impedance of the loads supplied by the secondary antennas, which adversely affects the energy efficiency of the transfer of energy by induction between the primary antennas supplied by the mains, and the secondary antennas connected to loads having disparate electrical characteristics.
  • Another problem lies in the complexity of the electrical wiring required between the system control unit, which houses or controls an electrical generator, and the primary antennas which feed secondary antennas connected to the loads.
  • the primary antennas being equivalent to dipoles
  • the number of power cables to be pulled to supply all the primary antennas on demand is typically equal to twice the number of primary antennas to be fed in a room, which represents a significant cost and complexity.
  • One of the aims of the invention is therefore to simultaneously remedy all of the aforementioned drawbacks.
  • a specific aim of the invention is to provide a system making it possible to supply power only to the primary antennas on which a load to be supplied is actually placed, in order to eliminate waste of electrical energy.
  • Another specific aim of the invention is to propose a device making it possible to optimize the efficiency of the transfer of energy by induction between the primary antennas and the secondary antennas connected to a load, independently of the nature and of the impedance of the connected load.
  • Another object of the invention is to provide a system provided with simplified wiring and easy to install even in rooms where there is a significant number of electrical appliances to be supplied.
  • a first solution according to the invention consists in connecting between the secondary antennas and the real loads to be supplied (for example a television set, a lamp, etc.) an impedance matching circuit, so that the generator electrical sees a substantially constant impedance, whatever the electrical devices to be supplied by induction.
  • the real loads to be supplied for example a television set, a lamp, etc.
  • Another principle of the invention consists in supplying them in time-sharing, the cyclic power supply ratio devoted to a given device being all the higher than the power. he needs is high.
  • the power requirements of the various devices to be supplied can be communicated to the control unit either in advance of phase or in real time by means of a radiofrequency communication channel between the devices and the control unit.
  • a time-sharing power supply makes it possible to use matrix cabling which minimizes the number of cables and which only feeds the primary antennas which are associated with a secondary antenna effectively connected to a load.
  • the invention provides for the use of matrix cabling making it possible to successively power the various primary antennas, but only one antenna at a time, namely that positioned on a node of the matrix cabling.
  • the subject of the invention is therefore a multifunction system for heating a medium and for transferring energy or data between, on the one hand, a plurality of primary antennas located on said medium and controlled by a control unit capable of controlling them.
  • supplying electrical energy or digital data and on the other hand a set of electrical devices capable of being supplied with electrical energy or data by inductive coupling between the primary antennas and secondary antennas connected to the electrical devices, each electrical device being associated with a unique digital identifier representative of its identity and of a type of device, and the control unit being configured on the one hand to supply the primary antennas with an electrical voltage capable of causing them to heat up by the Joule effect, and on the other hand to supply a given electrical device with a specific electrical voltage corresponding to a transfer of energy or data to this device according to its digital identifier, characterized in that the control unit is configured to successively supply the various primary and secondary antennas according to a time-sharing scheme, the power supply duty cycle of each primary antenna being a function of the electrical power required for each electrical device
  • the electrical power required for each device is communicated to the control unit when the system is powered on.
  • the system includes a radiofrequency communication channel between the electrical devices and the control unit through which the electrical devices communicate to the control unit in real time their electrical energy requirements to operate.
  • the supply duty cycle of each device is adjusted in real time according to the needs of the device.
  • the power supply duration of each primary antenna is chosen by the control unit so that the electric charge seen at the terminals of each primary antenna by the electric generator is substantially constant.
  • each electrical device is connected to a secondary antenna via a charge compensation circuit, configured so that the electrical charge seen by the generator of the control unit at the terminals of the various secondary antennas is substantially constant, whatever the real values of the impedance of the various electrical devices.
  • Said charge compensation circuit comprises an electric energy accumulator connected to the terminals of the electrical apparatus, a battery management circuit supplied by a rectifier bridge supplied by the secondary antenna via an adaptation circuit.
  • the primary antennas are connected to the electric generator of the control unit by means of a matrix cabling network of conductors in rows and columns, a given primary antenna being connected between a specific row and a specific column. of the cabling network.
  • said communication channel is configured to transmit to the control unit a unique digital identifier of each switch and each electrical appliance.
  • each electrical device has a stage for measuring the instantaneous electrical power that it consumes.
  • each electrical device is configured to communicate to the control unit via said radiofrequency communication channel the instantaneous electrical power that it consumes.
  • each electrical device includes an alert device for signaling to a user if the instantaneous electrical power that he consumes is less than a predetermined threshold.
  • control unit comprises:
  • a power supply unit connected at the input to the mains supply and connected directly or indirectly to the other modules of the control unit so as to supply them with voltage;
  • a radiofrequency module connected to switches and to electrical devices via said radiofrequency communication channel;
  • a user interface for exchanging data or commands with a user
  • each switch comprises a radiofrequency module powered by a battery or by a radiofrequency energy recovery circuit connected in series with a push button for switching an electrical device on or off.
  • each electrical device comprises an electronic module comprising:
  • a battery connected directly or indirectly to the other modules of the electrical appliance so as to supply them with voltage
  • a radiofrequency module connected to the radiofrequency module of the control unit via said radiofrequency communication channel;
  • a circuit for switching the secondary antenna between a calibration resistor and a real load the calibration resistor being used to check whether the position of the secondary antenna in relation to a primary antenna allows sufficient electrical power to be obtained at the terminals of the secondary antenna for supplying power to said actual load;
  • a first energy conversion module connected on the one hand to said secondary antenna from which it receives electrical energy and on the other hand to said switching circuit;
  • a second energy conversion module connected on the one hand to said real load and on the other hand to said switching circuit;
  • a microcontroller connected to the radiofrequency module, to the power measurement module, to the switching circuit and to a visual or audible indicator indicating to a user of the electrical device whether the quantity of energy received by induction by the device by means of of a secondary antenna is lower or higher than a predetermined threshold.
  • control unit, the switches and the electrical devices comprise a secure microcontroller containing an identifier unique and configured to allow mutual identification of control unit, switches and electrical devices.
  • the firmware of the control unit is configured to disconnect a primary antenna coupled to the secondary antenna of a device when the electrical power received by the latter is below a predetermined threshold.
  • the firmware of the control unit is configured to disconnect a primary antenna coupled to the secondary antenna of an electrical device when the latter does not have an identifier previously authorized by the multifunction system.
  • the primary antennas have a unique address or identification in the control unit so that the control unit can supply them individually and selectively with an electrical voltage corresponding to Joule heating, transfer of energy. electrical energy by induction, or an exchange of digital data with an electrical device.
  • the switches are identified in the system by an individual identification number, so that the unique identifier of each electrical device can be logically associated on the one hand with the individual identification number of at least one switch capable of controlling the activation or deactivation of said electrical device and, on the other hand, with the address or identification of at least one primary antenna of the system.
  • control unit is configured to detect a load variation at the terminals of a primary antenna when an electrical device is turned on or off in the system in the vicinity of said primary antenna.
  • control unit is configured to detect a load variation across a first primary antenna number i and a second primary antenna number j when an electrical device is moved from the primary antenna. number i to the primary antenna number j.
  • the secondary antenna connected to an electrical appliance and the primary antennas of the device are configured so that the secondary antenna embraces the electromagnetic flux of at least one primary antenna, whatever the position of the electrical device on the support.
  • the system comprises an interface for communication with the outside, configured to allow monitoring and control of the system from a communicating portable object, in particular a portable telephone or an electronic tablet.
  • FIG. 1 represents a functional flowchart of a system to which the invention applies
  • FIG. 2 schematically represents a “strip” integrating several electrical functions in a same strip device
  • FIG. 3 represents an example of arrangements of several bands or strips containing primary antennas and juxtaposed on a floor and a wall;
  • FIG. 4 represents the equivalent electric diagram of part of the system according to the invention.
  • FIG. 5 schematically represents the principle of the electric power supply and of the control of an item of equipment, for example a lamp, using the system according to the invention
  • FIG. 6 illustrates the use of a system according to the invention in the context of equipping a room in a building.
  • FIG. 7 represents a block diagram of the system according to the invention showing a radiofrequency communication channel between the components of the system
  • Figure 8 is a block diagram of the control unit of the system of Figure 7;
  • Figure 9 is a block diagram of an electrical apparatus used in the system of Figure 7;
  • FIG. 10 represents a functional diagram of an electrical interface connected to an electrical apparatus of the system according to the invention.
  • Figure 11 shows a block diagram of a switch of the system of Figure 7, powered by a battery
  • FIG. 12 represents a functional diagram of a switch of the system of FIG. 7, supplied by a radiofrequency energy recovery circuit
  • FIG. 13 represents a diagram of the association between the control box, an electrical appliance and a switch of the system according to the invention
  • FIG. 14 represents an electrical diagram of the electrical circuit of an electrical device connected to a secondary antenna of the system according to the invention.
  • FIG. 15 represents the block diagram of an impedance matching circuit connected between a secondary antenna of the system according to the invention and a load;
  • FIG. 16 represents the powers and voltages implemented within the framework of a time-sharing supply of two electrical devices by the system according to the invention.
  • FIG. 17 represents a first wiring diagram between the electric generator and the primary antennas of the system according to the invention.
  • FIG. 18 schematically represents a first cabling system for supplying the primary antennas of the system according to the invention.
  • FIG. 19 represents a second wiring diagram between the electric generator and the primary antennas of the system according to the invention.
  • FIG. 1 shows the overall architecture of the system 1 according to the invention.
  • the system 1 mainly comprises a set of circuits 13 which will be detailed later and which include resistive characteristics to generate a Joule effect of heating when they are supplied, and inductive and capacitive characteristics to generate an inductive effect and a capacitive effect.
  • the circuits 13 are distributed over a set of strips 21 making it possible to cover more easily a surface of the floor, of a wall or of another equivalent support depending on the intended application.
  • the tracks of the circuits 13 lead to buses 12 located on the strips 21 and which connect the various circuits 13 to a control unit 3 via a control unit 11. addressing and a bus 9.
  • circuits 13 are only used for a heating function, while others are inductively coupled to power or data converters 14, which then serve to supply devices with electrical energy (not shown in this figure) in energy, or to exchange data with these devices.
  • the control unit 3 comprises several components, namely in particular an energy converter 4 which receives as input the current from the electrical network, namely for example 220 volts alternating at 50 Hz in Europe, and which outputs a voltage d 'safety power supply, for example 12 volts, which makes it possible to supply the other components of the control unit 3, namely a unit 5 for managing the heating, a unit 6 for managing and transmitting electrical energy by induction , a unit 7 for transmitting / receiving data, and an interface 8 for communicating the system with its external environment, for example for programming or remote control purposes.
  • an energy converter 4 which receives as input the current from the electrical network, namely for example 220 volts alternating at 50 Hz in Europe, and which outputs a voltage d 'safety power supply, for example 12 volts, which makes it possible to supply the other components of the control unit 3, namely a unit 5 for managing the heating, a unit 6 for managing and transmitting electrical energy by induction , a unit 7 for transmitting
  • a resistive circuit 15 is formed by resistors in parallel which, as is used in electric heaters, make it possible to dissipate by the Joule effect a thermal power proportional, with the conversion efficiency close, to the electrical resistance and to the square of the intensity of the current.
  • An inductive circuit 16 comprises a coil making it possible to transfer, as known per se, an energy electric by induction.
  • a set of appropriately dimensioned coils 17 allow, when supplied by an alternating current and placed in front of receiver coils (not shown), to exchange data with these coils.
  • a set of capacitors 18 make it possible to detect by capacitive effect an electric circuit or an object placed opposite one of the capacitors.
  • one aspect of the system according to the invention consists in designing circuits 13 in the form of primary antennas combining electrical characteristics of resistance, inductance and capacitance chosen in order to be able to simultaneously produce several effects, taken from:
  • Joule effect heating effect having sufficient performance to heat a support such as a floor or a wall;
  • a capacitive effect capable of detecting in the vicinity of a primary antenna 13 the presence of a load or of a circuit such as a switch.
  • a plurality of primary antenna circuits 13 juxtaposed on the same device 21 in band, or “strip”, are advantageously integrated.
  • circuits 13 in the form of hexagonal coils make it possible to optimally cover a web surface.
  • the supply tracks of the various coils 13 are brought back to a bus 12 which connects each strip 21 to the address management unit 11, which is itself connected to the control unit 3.
  • FIG. 3 is shown the detail of a strip 21 comprising several circuits 13 in the form of hexagonal antennas, as well as an enlarged view of an antenna circuit. primary 13.
  • the figure also shows a roll carrying primary antennas 13 and allowing to cut strips 21 of the required length, and an example of arrangement of strips 21 on a horizontal surface such as a floor, and on a vertical surface such as the wall of a building.
  • the characteristics of the strips are as follows: they are made from a roll of flexible plastic material acting as a dielectric, for example of PET, PVC, polycarbonate, polyurethane or equivalent, having a thickness of 10 to 50 ⁇ m and a width of 100 to 600 mm.
  • the geometry of the circuits 13 is not just any, but optimized to achieve the best compromise between the various desired effects.
  • the circuits 13 constitute primary antennas which can inductively transfer electrical energy and / or data to secondary antennas 26 connected to electrical devices 25 acting as a load, as will be detailed below.
  • the conductive turns of the circuits 13 are arranged on one side or on both sides of the dielectric layer of the strips 21.
  • the turns of the circuits 13 have, for example, a thickness of 10 to 30 ⁇ m, a width of 200 ⁇ m to 3 mm, and a width. 200pm inter-track distance at 3mm.
  • the conductive tracks are for example made of aluminum, copper, silver or any other suitable metal, and they are obtained by chemical or laser etching from a thin metal layer. They can also be of electrically conductive ink.
  • Each primary transmit / receive antenna 13 comprises for example between 2 and 20 turns, circular, polygonal, for example hexagonal, and of external dimensions ranging for example between 50 mm and 500 mm.
  • primary antennas 13 having an electrical resistance of 1 to 10 ohms, and an inductance of 1 to 50 pH.
  • In transfer mode of electric power by induction can be transferred up to 1000 W / M 2 in a yield of 70% from a primary transmission coil 13 and a secondary receiving coil 26 (corresponding for example to a coil placed on an appliance 25 to be supplied, such as an electric lamp).
  • bidirectional messages with a size of the order of one kilobyte per second, sufficient to send messages, can be transferred using an AC signal with a frequency of between 50 and 500 kHz. control to home automation devices connected to the system according to the invention.
  • FIG. 4 there is shown the equivalent electric diagram corresponding to a primary antenna 13 feeding an apparatus 25 via a secondary antenna 26.
  • the left part of FIG. 4 represents the voltage converter 4 which feeds a primary antenna 13 through a resistive circuit. R corresponding to the wires of the buses 9, 12 (figure 1).
  • the right-hand part of FIG. 4 corresponds to the load supplied by the primary antenna 13, namely an electrical device 25.
  • the appliance in question for example a lamp
  • reception 26 or secondary antenna inductively coupled with at least one primary antenna 13 of the system.
  • the amount of electrical energy transferred to the device 25, or the amount of data exchanged with it will depend on the quality of the inductive coupling between the primary antenna 13 of the system and the secondary antenna 26 of the device. .
  • the secondary antenna 26 of the device 25 and the primary antennas 13 of the heater are configured so that the secondary antenna 26 of the device to be fed embraces the flow. electromagnetic of at least one primary antenna 13 of the device, regardless of the position of the device 25 on the device.
  • the size of the receiving antenna 26 is greater than that of the transmitting antenna 13, for example 5 times greater, which will ensure that, whatever the position of the device 25 to be fed on a surface equipped with primary antennas 13, this device will receive, via its secondary antenna 26, the electrical energy from several primary antennas 13 of the system.
  • the device 25, for example an electric lamp can be operated at any point in a room equipped with primary antennas 13, without a wired connection being necessary. , because the lamp will always be powered by at least one primary antenna 13 of the system.
  • FIG. 6 there is shown a room of a building, all of the walls and the floor of which have been covered with strips 21 comprising primary antenna circuits 13 described above.
  • any area of the floor or walls can be used to heat the room, locally supply electrical energy by induction to a compatible appliance 25, or receive a control device 27, in case those -this would not include a battery and would also need to be powered by the primary antennas 13.
  • switches Tl are non-contact operating devices capable of being inductively coupled with a primary antenna 13 of a wall strip to open or close the power supply circuit of one or more other primary antenna circuits 13 , so as to locally control an action of heating, energy transmission or data exchange.
  • the switches 27 can even be mobile identification objects, powered by a battery or an energy recovery system. They can integrate a contactless smart card memorizing personalized settings or switch positions. In this way, a given user will have access to personalized and programmable settings, such as, for example, a given lamp on by default, and a given floor area heated by default.
  • the control unit 3 of the system comprises a microprocessor and a memory.
  • the microprocessor executes a microprogram configured to send load measurement signals to the various primary antennas 13 of the system, and to store the results of the measurements in this memory.
  • the various primary antennas 13 of the system have a unique address in the system, the devices 25 have a unique numerical identifier, and their controllers 27 also have a unique individual identifier.
  • FIG. 7 is shown a block diagram of a preferred embodiment of the system according to the invention, in which the control unit 3, the electrical devices 25 and the switches 27 are connected to each other by a communication channel.
  • bidirectional radiofrequency 28 which makes it possible to manage the operation of the system with great flexibility without multiplying the wired connections.
  • This RF communication channel 28 is in particular configured to transmit to the control unit 3 the unique digital identifier of each switch 27 and of each electrical device 25.
  • the control unit 3 can detect an action by the user on the switch 27, supply the primary antenna 13 on which the secondary antenna 26 of the electrical device 25 is placed, and consequently supply the electrical device 25 with energy, or cut its power supply.
  • control unit 3 is also connected to another more conventional heating circuit 33, different from the primary antennas 13 arranged on strips 21. This makes it possible in particular to control a heating function of a room. partly using conventional electric heaters 33, and partly heating circuits in the form of primary antennas 13.
  • control unit 3 comprises:
  • a power supply unit 31 connected at the input to a mains supply plug 32 and connected directly or indirectly to the other modules or circuits of the control unit 3 so as to supply them with voltage;
  • a heating circuit 5 connected at the input to the power supply unit 31 and connected at the output to heating resistors 33, or to primary antennas 13 of the multifunction system;
  • a radiofrequency module 36 connected to switches 27 and to remote electrical devices 25, via the radiofrequency communication channel 28 mentioned above;
  • a user interface 38 typically a screen and a keyboard for exchanging data or commands with a user
  • microcontroller 39 provided with an on-board firmware for the management of the multifunction system. This microcontroller 39 is connected to the user interface 38, to the radiofrequency module 36, to the power measurement module 37, to the electric power converter 34 and to the circuit 35 for switching primary antennas 13 so as to exchange data or control signals with them.
  • the microcontroller 39 is also connected to a security circuit 40, or integrates such a security circuit, allowing mutual authentication of the various components of the system.
  • FIG. 9 is shown a more detailed functional diagram of an electrical device 25 capable of being used in the system according to the invention.
  • Each electrical appliance 25 comprises:
  • a battery 41 connected directly or indirectly to the other modules or circuits of the electrical apparatus 25 so as to supply them with voltage;
  • a radiofrequency module 42 connected to the radiofrequency module 36 of the control unit 3 via the radiofrequency communication channel 28 mentioned above;
  • a first energy conversion module 44 connected at the input to a secondary antenna 26 from which it receives electrical energy.
  • the first energy conversion module 44 supplies at the output a circuit 45 for managing the battery charge, which makes it possible to recharge the battery 41 of the electrical device thanks to the energy received by induction via the secondary antenna. 26.
  • the switching circuit 47 is also connected via a second energy conversion module 48 which produces a DC or AC voltage adapted to the needs of an actual electrical load 49, which can be any conventional electrical device, as per example a lamp or a television.
  • a microcontroller 50 connected to the radiofrequency module 42 of the electrical appliance 25, to the power measurement module 43, to the switching circuit 47 and to a visual or audible indicator 30 indicating to a user of the electrical appliance 25 whether the quantity energy received by induction by the device by means of a secondary antenna 26 is less than or greater than a predetermined threshold.
  • the microcontroller 50 is also connected as input to a push button 51 which can be actuated by the user of the device for its switching on or off, and for its logical association with one or more switches 27 and a primary antenna 13.
  • the microcontroller 50 of the electrical appliance 25 is also connected to a safety circuit 40, or integrates such a safety circuit, allowing the mutual authentication of the various components of the system.
  • each electrical device 25 is configured to communicate to the control unit 3 via said radiofrequency communication channel 28 the electrical power that it consumes.
  • the alert device 30 (visual, sound, etc.) of each electrical appliance 25 makes it possible to signal to a user if the instantaneous power that he consumes is below a predetermined threshold (depending on the position of the device). the device 25 on the primary antenna array 13) so that the user can move the electrical device 25 and optimize the power that it receives.
  • the electrical device 25 within the meaning of the present patent application can also consist of an electrical interface 25 ′ or a “roller” to be placed in the system and to be connected via a socket 52,53 to a traditional electrical appliance 54 not originally designed for use in the system.
  • This will allow any type of traditional electrical device 54 to be easily connected to the system according to the invention, via an electrical interface 25 'such as that shown in FIG.
  • FIG. 11 and 12 there is shown a functional diagram of a switch 27 usable in the system according to the invention. It has a 55 microcontroller connected at the output to a radiofrequency module 56 which makes it possible to communicate with the radiofrequency modules 42, 36 of the electrical devices 25 and of the control unit 3.
  • the circuits of the radiofrequency switch 27 are supplied either by a battery 57 as shown in FIG. 11, or by a radiofrequency energy recovery circuit 58 as shown in FIG. 12.
  • the battery 57 or the energy recovery circuit 58 is connected in series with a push button 59 for the activation or deactivation of an electrical appliance 25 by a user.
  • each switch 27 can be equipped with a secure microcontroller 40 allowing mutual authentication of the various components connected to each other by radio frequency in the system according to the invention.
  • FIG. 13 schematically illustrates the process of logical association between the control unit 3, a switch 27, a primary antenna 13 and an electrical device 25 in inductive coupling with this primary antenna 13. Thanks to the radiofrequency link 28 between the various components of the system, the electrical appliance 25 A communicates its unique identifier to the control unit 3.
  • the switch 27 does the same when it is actuated.
  • the control unit 3 scans the primary antennas 13 and notes the unique identifier of the primary antenna 13 on which the device 25-A is positioned. From there, the control unit 3 can build an association table 60, in which it logically associates (association number 2) the electrical device 25-A, the primary antenna 13 on which it is placed.
  • association number 2 means that an authenticated load (device 25-A) is correctly placed on primary antenna number 14.
  • Control unit 3 can therefore power up in complete safety. the primary antenna number 14 when the user actuates the associated switch 27.
  • FIG. 14 is shown a more detailed diagram of an embodiment of the power supply circuit of an electrical device 25 connected to a secondary antenna 26 of the system according to the invention.
  • a secondary coil or antenna 26 of the electrical device supplies a matching circuit 61 connected at the output to a diode bridge 62 which outputs a DC voltage. Part of this energy is stored in a capacitor 63, the rest feeds a DC / DC converter 64 whose output voltage is applied by the switch 47 or to a calibrated load 48 (in the form of a calibrated shunt resistor) , or to a real load 49 constituted by an electrical device 25.
  • an initialization operation is carried out, for which the first step is to cut off the power supply to the system and to remove all the devices which constitute electric charges. Then when the system starts up, a load detection signal is sent to the terminals of all the primary antennas 13 of the system, in order to measure and memorize the voltage at the terminals of all the antennas 13 at the start of the system, which will then make it possible to detect the load variations at the terminals of the antennas 13 in front of which a load will be positioned, namely a device 25 provided with a secondary antenna 26 and put into service by a control member 27.
  • the devices 25 can be installed by positioning the secondary antenna 26 of each of them. 'them in front of a particular antenna or group of primary antennas 13.
  • the control unit 3 will send to this antenna an alternating voltage capable of generating by induction in the secondary antenna 26 of the 'device 25 the supply voltage required for device 25.
  • a first problem resides in the fact that the electrical devices 25 to be supplied will have very variable average power requirements and will present equally variable impedances. If under these conditions each electrical device 25 is supplied continuously from the generator, the average efficiency of the transfer of energy by induction will be low because of the variability of the impedance seen by the generator.
  • the invention therefore provides for ensuring that the electric charge seen at the terminals of each primary antenna 13 by the electric generator of the control unit 3 is substantially constant. As shown diagrammatically in FIG. 15, this consists in inserting between the secondary antenna 26 and the actual load 49 of an apparatus 25, an adaptation circuit 70 making it possible to ensure that the load 49 is seen by the electric generator of the device. 'control unit as a constant impedance, which allows to work at the best efficiency of energy transfer.
  • the impedance matching circuit 70 comprises for example a voltage matching circuit 71, in series with a rectifier 72 which supplies a battery management system BMS 73 (acronym for “Battery Management System” in English terminology. ). The latter is connected to the terminals of an electrical energy reserve 74, for example in the form of a battery, in parallel with the load 49.
  • BMS 73 battery management system
  • the role of the BMS 73 is to supply the accumulator 74 with a constant voltage making it possible to supply its load 49 without danger.
  • the current supplied by the BMS 73 circuit varies according to the charge level of the accumulator 74, if the charge and discharge levels are controlled then the current variations supplied by the BMS 73 circuit will be low and it will be seen as a fixed and constant charge by the secondary (and consequently by the electric generator which supplies the secondary antenna 26 by induction from the primary antenna 13).
  • the fact that the different devices 25 require different powers can then be managed by supplying them in time-sharing, with a constant output.
  • the power supply duty cycle of the different devices becomes an adjustment variable to adapt to the power required for each device 25. While a device is powered, energy is stored in the energy reserve 74 which is connected to it in parallel. But when the power supply to a secondary antenna 26 is cut, the corresponding device 25 is powered by the energy accumulator which is connected to its terminals, until the power cycle of the secondary antenna 26 considered resumes.
  • the principle of the sequential power supply of the devices 25 in time-sharing means that the duration of the power supply of the secondary antenna 26 to which each device is connected will depend on the average power required for each device. More precisely, the duty cycle devoted to a given device will be all the higher the greater the power it needs.
  • FIG. 16 illustrates this principle applied to two devices 25.
  • Curve 80 represents as a function of time the electrical power which is supplied to the secondary antenna 26 which supplies a first device 25.
  • Curve 81 represents the evolution of the voltage which is available at the terminals of the first device 25 due to the power supply of its secondary antenna 26. It can be seen that the power injected into the first secondary antenna is such that the supply voltage available for the first device 25 always remains greater than one. minimum power threshold 84 to ensure the operation of this device.
  • the curve 82 represents as a function of time the electrical power which is supplied to the secondary antenna 26 which supplies a second device 25. This power is supplied in time-sharing, that is to say during periods. time during which power is not supplied to the secondary antenna 26 supplying the first electrical device.
  • Curve 83 represents the evolution of the voltage which is available at the terminals of the second device 25 due to the supply of its secondary antenna.
  • the power injected into the second secondary antenna 26 is such that the supply voltage 83 available for the second device 25 always remains above a minimum power threshold 85 making it possible to ensure the operation of this device.
  • each device can include an energy reserve in the form of a battery 74 or a super capacitor or equivalent connected to its terminals, which makes it possible to conserve an energy reserve while its secondary antenna is not running. not powered.
  • the power supply duty cycle of each device can be determined in a fixed manner and sufficient to power all the devices. But preferably it can be adapted to each of the devices. For this, the power requirements of the various devices can be communicated to the control unit 3 either in advance of the system initialization, or in real time by means of a radiofrequency communication channel established between the devices 25. and the control unit 3, in particular of the bluetooth type.
  • Another problem lies in the fact that with a matrix cabling of the primary antennas 13 as shown schematically in FIG. 17, supplying several devices 25 at the same time instead of successively, leads to the supply of unused primary antennas 13, which can entail risks in terms of safety and consumption of the electric generator.
  • the primary antennas 13 denoted B1, B2 and B3 each receive an apparatus 25, symbolized by a circle with the intersection of the feeder tracks.
  • the antenna B4 necessarily is too, like a phantom antenna, because it is at the intersection of the line L1 and the column C2 which are both powered. As the antenna B4 does not receive any device 25 connected to a secondary antenna 26, there is an unnecessary consumption of power.
  • the primary antennas 13 are dipoles, it is therefore necessary to connect two electrical conductors per antenna.
  • the deployment of a large number of primary antennas on a given surface poses the problem of the large number of wires to be connected to the control box.
  • the invention provides for the use of matrix wiring such as that shown in FIG. 19.
  • the primary antennas 13 are connected to the electric generator of the control unit 3 by means of a matrix cabling network of conductors in rows and columns, a given primary antenna 13 being connected between a specific common line U and a specific common column Q of the cabling network, which in the example shown makes it possible to reduce the number of connections to 8 instead of 32 previously.
  • the invention meets the objectives set and makes it possible to produce at low cost a multifunction system making it possible both to heat a surface or a volume contiguous to this surface, but also to supply electricity to attached equipment, such as lampposts, wall lights. or others, and to exchange data with them, without requiring an electrical outlet near the device to be powered, or a wired connection between the devices.
  • the invention provides a particularly economical and elegant solution, since the same medium easy to industrialize at low cost (the primary antenna 13) makes it possible to provide a set of functions, in particular heating, lighting, presence detection, visual and sound markup, or other functions.
  • the proposed device makes it possible to transfer electrical energy by induction to specific electrical devices with good energy efficiency, without suffering from performance losses due to the variability of the electrical charges.
  • the system is energy efficient, since only the necessary zones are supplied.
  • the power supply to the primary antennas coupled to de-energized devices can be completely cut off by the control unit, which makes it possible not to feed the primary antennas unnecessarily.

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Abstract

L'invention concerne un système multifonction chauffage ou de transfert d'énergie ou de données entre d'une part une unité de commande (3) connectée à un générateur électrique pour alimenter des antennes primaires (13) en énergie électrique à des fins de chauffage d'un support, de transfert d'énergie électrique vers des appareils électriques ou d'échange de données numériques avec eux par couplage inductif entre lesdites antennes primaires (13) et des antennes secondaires (26) connectées aux appareils électriques (25), caractérisé en ce que l'unité de commande (3) est configurée pour alimenter successivement les différentes antennes primaires (13) et secondaires (26) selon un schéma de temps partagé, le rapport cyclique d'alimentation de chaque antenne primaire (13) étant fonction de la puissance électrique nécessaire à l'appareil électrique (25) alimenté par cette antenne primaire (13) pour fonctionner.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Système de gestion multifonction de bandes électriques chauffantes et d'appareils électriques
La présente invention concerne un système comprenant une unité de commande connectée d'une part à un ensemble de bandes électriques modulaires destinées au chauffage par effet Joule et d'autre part à un ensemble d'appareils électriques alimentés en énergie ou en données par induction.
Le système selon l'invention est particulièrement adapté pour un usage dans les bâtiments, mais il peut aisément être adapté à d'autres domaines d'application, tels que les véhicules de transport, les vêtements ou autres.
ETAT DE LA TECHNIQUE
La première application visée par l'invention est celle du chauffage des pièces d'un bâtiment et de l'alimentation électrique des appareils qui s'y trouvent. L'invention sera donc principalement décrite dans le cadre de cette application, sans pour autant limiter la généralité de l'invention.
Dans le domaine du bâtiment, on connaît les solutions classiques de chauffage à base de radiateurs, électriques ou non. Les radiateurs utilisant une résistance électrique sont connus pour leur faible confort d'utilisation, car du fait de leur absence d'inertie thermique, ils génèrent de fortes disparités locales de température. En outre ils sont alimentés en moyenne tension (220 Volts en Europe) et ne sont jamais totalement exempts d'un risque d'électrocution ou d'incendie en cas de défaut d'isolation.
On connaît aussi les systèmes de chauffage par le sol, dans lesquels une source chauffante est directement intégrée au sol d'une pièce. Cela permet d'obtenir un niveau de confort thermique supérieur à celui des sources radiantes ponctuelles, mais au prix d'autres inconvénients. Ainsi, les systèmes de chauffage au sol par circulation dans la dalle d'un fluide caloporteur impliquent la pose d'un réseau de tuyaux qui à long terme présentent un risque de fuite ou de bouchage, ce qui entraîne des travaux de maintenance élevés. En outre, la localisation des tuyaux dans la chape étant à postériori inconnue, tout poinçonnement ou perçage dans le sol pour installer un équipement est proscrit.
Pour remédier à certains de ces inconvénients, le document EP 3 209 092 Al (Gerflor) a proposé une structure multicouche pour la réalisation d'un revêtement de sol ou de mur chauffant, qui intègre des bandes flexibles pourvues d'électrodes longitudinales entre lesquelles sont réparties des particules électriquement conductrices qui s'échauffent par effet Joule lorsqu'un courant électrique circule entre les électrodes d'une bande.
Ce dispositif permet après la pose du revêtement de percer localement le plancher chauffant sans affecter le fonctionnement du système de chauffage dans les zones non percées. Mais la structure proposée est limitée au chauffage d'un sol ou d'un mur, et ne permet pas de faire face à de nouveaux besoins domotiques à l'intérieur des bâtiments, comme l'alimentation localisée et flexible d'équipements électriques disposés dans une pièce.
On connaît par ailleurs un document US 2010/219693 Al (Azancot Yossi) qui décrit un système d'alimentation électrique par voie inductive destiné à des locaux humides. Des prises électriques étanches sont alimentées en énergie électrique et couplées par voie inductive à des circuits secondaires qui alimentent des dispositifs électriques constituant des charges. De cette façon, les circuits secondaires n'ont pas de liaison galvanique avec la tension d'alimentation, ce qui minimise les risques d'électrocution. En outre, les enroulements primaires sont déconnectés de leur alimentation électrique lorsque aucun circuit secondaire n'est détecté.
Cependant le système selon ce document est entièrement analogique, dans la mesure où les charges des appareils connectés au secondaire ne sont pas identifiées ou identifiables, mais détectées par des détecteurs de présence analogiques. Lorsqu'un appareil est détecté, il est alimenté par une tension alternative, qui peut éventuellement être redressée en tension continue par l'appareil si celui-ci utilise une tension continue. Cette disposition n'offre pas un bon rendement énergétique, et ne permet pas d'alimenter de façon spécifique des antennes destinées au chauffage (qui devraient recevoir une tension ayant une composante continue), et des antennes destinées au transfert d'énergie par couplage inductif, par exemple vers des appareils destinés à la communication d'informations, qui devraient recevoir des signaux alternatifs.
Plusieurs problèmes techniques apparaissent dans les systèmes domotiques connus devant gérer à la fois l'alimentation par induction d'organes de chauffage et de diverses autres charges telles que des appareils électriques domestiques (téléviseurs, lampes, ...).
Un premier problème réside dans la diversité de l'impédance des charges alimentées par les antennes secondaires, qui nuit au rendement énergétique du transfert d'énergie par induction entre les antennes primaires alimentées par le secteur, et les antennes secondaires connectées à des charges ayant des caractéristiques électriques disparates.
Un autre problème réside dans la complexité du câblage électrique nécessaire entre l'unité de commande du système, qui abrite ou commande un générateur électrique, et les antennes primaires qui alimentent des antennes secondaires connectées aux charges. En effet, les antennes primaires étant équivalentes à des dipôles, le nombre de câbles d'alimentation à tirer pour alimenter à la demande toutes les antennes primaires est typiquement égal à deux fois le nombre d'antennes primaires à alimenter dans une pièce, ce qui représente un coût et une complexité importants.
En outre, si pour simplifier le câblage on essaie d'adopter un câblage matriciel des antennes primaires, de façon à placer plusieurs antennes primaires sur une ligne d'alimentation commune, il devient impossible dans l'état de la technique d'alimenter de façon sélective une antenne primaire unique donnée, ce qui signifie qu'on alimente également des antennes primaires sur lesquelles n'est positionnée aucune antenne secondaire. Cela conduit à consommer de l'énergie inutilement, voire à créer des risques de sécurité. BUTS DE L'INVENTION
L'un des buts de l'invention est donc de remédier simultanément à l'ensemble des inconvénients précités.
Un but spécifique de l'invention est de proposer un système permettant d'alimenter uniquement les antennes primaires sur lesquelles est effectivement placée une charge à alimenter, afin d'éliminer les gaspillages d'énergie électrique.
Un autre but spécifique de l'invention est de proposer un dispositif permettant d'optimiser le rendement du transfert d'énergie par induction entre les antennes primaires et les antennes secondaires connectées à une charge, indépendamment de la nature et de l'impédance de la charge connectée.
Un autre but de l'invention est de proposer un système pourvu d'un câblage simplifié et facile à installer même dans des pièces où il y a un nombre significatif d'appareils électriques à alimenter.
OBJET DE L'INVENTION
Dans son principe, une première solution selon l'invention consiste à connecter entre les antennes secondaires et les charges réelles à alimenter (par exemple un téléviseur, une lampe, etc.) un circuit d'adaptation d'impédance, de sorte que le générateur électrique voie une impédance sensiblement constante, quels que soient les appareils électriques à alimenter par induction.
Comme les appareils électriques à alimenter vont avoir des besoins de puissance très variables, un autre principe de l'invention consiste à les alimenter en temps partagé, le rapport cyclique d'alimentation consacré à un appareil donné étant d'autant plus élevé que la puissance dont il a besoin est élevée. Les besoins de puissance des différents appareils à alimenter peuvent être communiqués à l'unité de commande soit en avance de phase, soit en temps réel au moyen d'un canal de communication radiofréquence entre les appareils et l'unité de commande.
Enfin, afin de simplifier le câblage, une alimentation en temps partagé permet d'utiliser un câblage matriciel qui minimise le nombre de câbles et qui n'alimente que les antennes primaires qui sont associées à une antenne secondaire effectivement connectée à une charge. L'invention prévoit d'utiliser un câblage matriciel permettant d'alimenter successivement les différentes antennes primaires, mais uniquement une antenne à la fois, à savoir celle positionnée sur un nœud du câblage matriciel.
L'invention a donc pour objet un système multifonction de chauffage d'un support et de transfert d'énergie ou de données entre d'une part une pluralité d'antennes primaires situées sur ledit support et pilotées par une unité de commande susceptible de les alimenter en énergie électrique ou en données numériques, et d'autre part un ensemble d'appareils électriques aptes à être alimentés en énergie électrique ou en données par couplage inductif entre les antennes primaires et des antennes secondaires connectées aux appareils électriques, chaque appareil électrique étant associé à un identifiant numérique unique représentatif de son identité et d'un type d'appareil, et l'unité de commande étant configurée d'une part pour alimenter les antennes primaires avec une tension électrique apte à provoquer leur échauffement par effet Joule, et d'autre part pour-alimenter un appareil électrique donné avec une tension électrique spécifique correspondant à un transfert d'énergie ou de données à cet appareil en fonction de son identifiant numérique, caractérisé en ce que l'unité de commande est configurée pour alimenter successivement les différentes antennes primaires et secondaires selon un schéma de temps partagé, le rapport cyclique d'alimentation de chaque antenne primaire étant fonction de la puissance électrique nécessaire à chaque appareil électrique pour fonctionner.
Selon un mode de réalisation du système, la puissance électrique nécessaire à chaque appareil est communiquée à l'unité de commande à la mise sous tension du système. En variante, le système comporte un canal de communication radiofréquence entre les appareils électriques et l'unité de commande par lequel les appareils électriques communiquent à l'unité de commande en temps réel leurs besoins en énergie électrique pour fonctionner.
Selon un mode de réalisation avantageux, le rapport cyclique d'alimentation de chaque appareil est ajusté en temps réel en fonction des besoins de l'appareil.
De préférence, la durée d'alimentation de chaque antenne primaire est choisie par l'unité de commande de manière que la charge électrique vue aux bornes de chaque antenne primaire par le générateur électrique soit sensiblement constante.
Selon un mode de réalisation, chaque appareil électrique est connecté à une antenne secondaire via un circuit de compensation de charge, configuré de manière que la charge électrique vue par le générateur de l'unité de commande aux bornes des différentes antennes secondaires soit sensiblement constante, quelles que soient les valeurs réelles de l'impédance des différents appareils électriques. Ledit circuit de compensation de charge comporte un accumulateur d'énergie électrique connecté aux bornes de l'appareil électrique, un circuit de gestion de batterie alimenté par un pont redresseur alimenté par l'antenne secondaire via un circuit d'adaptation.
Selon un mode de réalisation, les antennes primaires sont connectées au générateur électrique de l'unité de commande au moyen d'un réseau de câblage matriciel de conducteurs en lignes et colonnes, une antenne primaire donnée étant connectée entre une ligne spécifique et une colonne spécifique du réseau de câblage.
Selon d'autres caractéristiques du système multifonction selon l'invention : ledit canal de communication est configuré pour transmettre à l'unité de commande un identifiant numérique unique de chaque interrupteur et de chaque appareil électrique. chaque appareil électrique comporte un étage de mesure de la puissance électrique instantanée qu'il consomme. chaque appareil électrique est configuré pour communiquer à l'unité de commande via ledit canal de communication radiofréquence la puissance électrique instantanée qu'il consomme.
- chaque appareil électrique comporte un dispositif d'alerte pour signaler à un utilisateur si la puissance électrique instantanée qu'il consomme est inférieure à un seuil prédéterminé.
- l'unité de commande comporte :
- Un bloc d'alimentation connecté en entrée à l'alimentation secteur et connecté directement ou indirectement aux autres modules de l'unité de commande de façon à les alimenter en tension ;
- Un convertisseur d'énergie électrique alimenté par le bloc d'alimentation et connecté en sortie à un circuit de commutation d'antennes primaires ;
- Un circuit de commutation d'antennes primaires ;
- Un module radiofréquence connecté à des interrupteurs et à des appareils électriques via ledit canal de communication radiofréquence ;
- Un module de mesure de la puissance consommée par l'ensemble des appareils électriques, connecté au convertisseur d'énergie électrique ;
- Une interface utilisateur pour l'échange de données ou de commandes avec un utilisateur ;
- Un microcontrôleur pourvu d'un microprogramme embarqué pour la gestion du système multifonction, connecté à l'interface utilisateur, au module radiofréquence, au module de mesure de puissance, au convertisseur d'énergie électrique et au circuit de commutation d'antennes primaires de manière à échanger avec eux des données ou des signaux de commande. Selon un mode de réalisation, chaque interrupteur comporte un module radiofréquence alimenté par une batterie ou par un circuit de récupération d'énergie radiofréquence connecté(e) en série avec un bouton poussoir pour la mise en service ou hors service d'un appareil électrique.
Selon un mode de réalisation, chaque appareil électrique comporte un module électronique comportant :
- Une batterie connectée directement ou indirectement aux autres modules de l'appareil électrique de façon à les alimenter en tension ;
- Un module radiofréquence connecté au module radiofréquence de l'unité de commande via ledit canal de communication radiofréquence ;
- Un module de mesure de la puissance électrique consommée en temps réel par l'appareil électrique ;
- Un circuit de commutation de l'antenne secondaire entre une résistance de calibration et une charge réelle, la résistance de calibration servant à vérifier si la position de l'antenne secondaire par rapport à une antenne primaire permet d'obtenir suffisamment de puissance électrique aux bornes de l'antenne secondaire pour alimenter ladite charge réelle ;
- Un premier module de conversion d'énergie connecté d'une part à ladite antenne secondaire dont il reçoit de l'énergie électrique et d'autre part audit circuit de commutation ;
- Un second module de conversion d'énergie connecté d'une part à ladite charge réelle et d'autre part audit circuit de commutation ;
- Un microcontrôleur connecté au module radiofréquence, au module de mesure de puissance, au circuit de commutation et à un indicateur visuel ou sonore indiquant à un utilisateur de l'appareil électrique si la quantité d'énergie reçue par induction par l'appareil au moyen d'une antenne secondaire est inférieure ou supérieure à un seuil prédéterminé.
Selon un mode de réalisation, l'unité de commande, les interrupteurs et les appareils électriques comportent un microcontrôleur sécurisé contenant un identifiant unique et configuré pour permettre l'identification mutuelle de l'unité de commande, des interrupteurs et des appareils électriques.
Selon un mode de réalisation, le microprogramme de l'unité de commande est configuré pour déconnecter une antenne primaire couplée à l'antenne secondaire d'un appareil lorsque la puissance électrique reçue par celui-ci est inférieure à un seuil prédéterminé.
Selon un mode de réalisation, le microprogramme de l'unité de commande est configuré pour déconnecter une antenne primaire couplée à l'antenne secondaire d'un appareil électrique lorsque celui-ci ne possède pas un identifiant préalablement autorisé par le système multifonction.
De préférence, les antennes primaires possèdent une adresse ou une identification unique dans l'unité de commande de sorte que l'unité de commande peut les alimenter individuellement et sélectivement avec une tension électrique correspondant à un chauffage par effet Joule, à un transfert d'énergie électrique par induction, ou à un échange de données numériques avec un appareil électrique.
Selon un mode de réalisation, les interrupteurs sont identifiés dans le système par un numéro d'identification individuel, de façon que l'identifiant unique de chaque appareil électrique puisse être logiquement associé d'une part avec le numéro d'identification individuel d'au moins un interrupteur susceptible de commander la mise en service ou hors service dudit appareil électrique et d'autre part avec l'adresse ou l'identification d'au moins une antenne primaire du système.
Selon un mode de réalisation, l'unité de commande est configurée pour détecter une variation de charge aux bornes d'une antenne primaire lorsqu'un appareil électrique est mis en service ou hors service dans le système au voisinage de ladite antenne primaire.
Selon un mode de réalisation, l'unité de commande est configurée pour détecter une variation de charge aux bornes d'une première antenne primaire numéro i et d'une seconde antenne primaire numéro j lorsqu'un appareil électrique est déplacé de l'antenne primaire numéro i vers l'antenne primaire numéro j.
Selon un mode de réalisation, l'antenne secondaire connectée à un appareil électrique et les antennes primaires du dispositif sont configurées de manière que l'antenne secondaire embrasse le flux électromagnétique d'au moins une antenne primaire, quelle que soit la position de l'appareil électrique sur le support.
Selon un mode de réalisation, le système comporte une interface de communication avec l'extérieur, configurée pour permettre la surveillance et le pilotage du système à partir d'un objet portable communicant, en particulier un téléphone portable ou une tablette électronique.
DESCRIPTION DETAILLEE
L'invention sera décrite plus en détail en référence aux figures ci-jointes dans lesquelles :
La figure 1 représente un organigramme fonctionnel d'un système auquel s'applique l'invention ;
La figure 2 représente de façon schématique un « lé » intégrant plusieurs fonctions électriques dans un même dispositif en bande ;
La figure 3 représente un exemple de dispositions de plusieurs bandes ou lés contenant des antennes primaires et juxtaposés sur un sol et un mur ;
La figure 4 représente le schéma électrique équivalent d'une partie du système selon l'invention ;
La figure 5 représente de façon schématique le principe de l'alimentation électrique et de la commande d'un équipement, par exemple une lampe, à l'aide du système selon l'invention ;
La figure 6 illustre l'utilisation d'un système selon l'invention dans le cadre de l'équipement d'une pièce d'un bâtiment.
La figure 7 représente un schéma de principe du système selon l'invention faisant apparaître un canal de communication radiofréquence entre les composants du système ;
La figure 8 représente un schéma fonctionnel de l'unité de commande du système de la figure 7 ; La figure 9 représente un schéma fonctionnel d'un appareil électrique utilisé dans le système de la figure 7 ;
La figure 10 représente un schéma fonctionnel d'une interface électrique connectée à un appareil électrique du système selon l'invention ;
La figure 11 représente un schéma fonctionnel d'un interrupteur du système de la figure 7, alimenté par une batterie ;
La figure 12 représente un schéma fonctionnel d'un interrupteur du système de la figure 7, alimenté par un circuit de récupération d'énergie radiofréquence ;
La figure 13 représente un schéma de l'association entre le boîtier de commande, un appareil électrique et un interrupteur du système selon l'invention ;
La figure 14 représente un schéma électrique du circuit électrique d'un appareil électrique connecté à une antenne secondaire du système selon l'invention ;
La figure 15 représente le schéma de principe d'un circuit d'adaptation d'impédance connecté entre une antenne secondaire du système selon l'invention et une charge ;
La figure 16 représente les puissances et tensions mises en œuvre dans le cadre d'une alimentation en temps partagé de deux appareils électriques par le système selon l'invention ;
La figure 17 représente un premier schéma de câblage entre le générateur électrique et les antennes primaires du système selon l'invention ;
La figure 18 représente de façon schématique un premier système de câblage pour alimenter les antennes primaires du système selon l'invention ;
La figure 19 représente un second schéma de câblage entre le générateur électrique et les antennes primaires du système selon l'invention.
On se réfère à la figure 1 qui montre l'architecture d'ensemble du système 1 selon l'invention. Le système 1 comporte principalement un ensemble de circuits 13 qui seront détaillés plus loin et qui comportent des caractéristiques résistives pour générer un effet de chauffage par effet Joule lorsqu'ils sont alimentés, et des caractéristiques inductives et capacitives pour générer un effet inductif et un effet capacitif. Les circuits 13 sont répartis sur un ensemble de lés 21 permettant de recouvrir plus facilement une surface de sol, de mur ou d'un autre support équivalent en fonction de l'application visée. Afin de pouvoir alimenter sélectivement tel ou tel circuit particulier sur un lé, les pistes des circuits 13 aboutissent à des bus 12 situés sur les lés 21 et qui connectent les différents circuits 13 à une unité de commande 3 via une unité 11 de gestion d'adressage et un bus 9.
Certains des circuits 13 ne sont utilisés que pour une fonction de chauffage, alors que d'autres sont couplés inductivement à des convertisseurs 14 de puissance ou de données, qui servent alors à alimenter des appareils en énergie électrique (non représentés dans cette figure) en énergie, ou alors à échanger des données avec ces appareils.
L'unité de commande 3 comporte plusieurs composantes, à savoir notamment un convertisseur d'énergie 4 qui reçoit en entrée le courant du réseau électrique, à savoir par exemple 220 Volts alternatifs à 50 Hz en Europe, et qui distribue en sortie une tension d'alimentation de sécurité, par exemple 12 volts, qui permet d'alimenter les autres composantes de l'unité de commande 3, à savoir une unité 5 de gestion du chauffage, une unité 6 de gestion et de transmission d'énergie électrique par induction, une unité 7 d'émission/réception de données, et une interface 8 de communication du système avec son environnement externe, par exemple à des fins de programmation ou de télécommande.
En figure 2 on a représenté le principe de constitution des lés portant les circuits 13 présents sur les lés 21.
A gauche de la figure 2 on a représenté des circuits 15, 16, 17, 18 correspondants à des fonctionnalités distinctes et dissociées, comme cela existe dans l'état de la technique. Un circuit résistif 15 est constitué par des résistances en parallèle qui comme cela est utilisé dans les radiateurs électriques, permettent de dissiper par effet Joule une puissance thermique proportionnelle, au rendement de conversion près, à la résistance électrique et au carré de l'intensité du courant. Un circuit inductif 16 comporte une bobine permettant de transférer, comme connu en soi, une énergie électrique par induction. Un ensemble de bobines 17 dimensionnées de façon appropriée permettent, lorsqu'elles sont alimentées par un courant alternatif et placées en face de bobines réceptrices (non représentées), d'échanger des données avec ces bobines. Un ensemble de capacités 18 permettent de détecter par effet capacitif un circuit électrique ou un objet placé en regard de l'une des capacités.
Tous ces circuits pris individuellement sont bien connus dans l'état de la technique.
Comme représenté en partie droite de la figure 2, un aspect du système selon l'invention consiste à concevoir des circuits 13 sous la forme d'antennes primaires combinant des caractéristiques électriques de résistance, d'inductance et de capacité choisies pour pouvoir réaliser simultanément plusieurs effets, pris parmi :
- un effet de chauffage par effet Joule, ayant des performances suffisantes pour chauffer un support tel qu'un sol ou un mur ;
- un effet inductif adéquat pour transférer suffisamment d'énergie électrique par induction pour pouvoir alimenter des dispositifs électriques tels que des lampes, ou d'autres équipements domotiques ; un effet de d'échange de données avec des appareils, par induction électromagnétique;
- Un effet capacitif apte à détecter au voisinage d'une antenne primaire 13 la présence d'une charge ou d'un circuit tel qu'un interrupteur.
A cet effet, on intègre de façon avantageuse une pluralité de circuits d'antennes primaires 13 juxtaposés sur un même dispositif 21 en bande, ou « lé ».
On a constaté que des circuits 13 en forme de bobines hexagonales permettent de couvrir de façon optimale une surface de lé. Les pistes d'alimentation des différentes bobines 13 sont ramenées en un bus 12 qui connecte chaque lé 21 à l'unité 11 de gestion des adresses, qui est elle-même connectée à l'unité de commande 3.
En figure 3 est représenté le détail d'un lé 21 comportant plusieurs circuits 13 en forme d'antennes hexagonales, ainsi qu'une vue agrandie d'un circuit d'antenne primaire 13. La figure montre en outre un rouleau portant des antennes primaires 13 et permettant de découper des lés 21 de la longueur requise, et un exemple d'agencement de lés 21 sur une surface horizontale comme un sol, et sur une surface verticale comme le mur d'un bâtiment.
Selon un mode de réalisation avantageux, les caractéristiques des lés sont les suivantes : ils sont réalisés à partir d'un rouleau en matière plastique flexible faisant office de diélectrique, par exemple en PET, PVC, polycarbonate, polyuréthane ou équivalent, ayant une épaisseur de 10 à 50 pm et une largeur de 100 à 600 mm.
Afin de pouvoir obtenir à l'aide d'un unique circuit 13 les différents effets mentionnés précédemment, la géométrie des circuits 13 n'est pas quelconque, mais optimisée pour réaliser le meilleur compromis entre les différents effets recherchés.
Les circuits 13 constituent des antennes primaires qui peuvent transférer par induction de l'énergie électrique et/ou des données à des antennes secondaires 26 connectées à des appareils électriques 25 faisant office de charge, comme cela sera détaillé plus loin.
Les spires conductrices des circuits 13 sont disposées sur une face ou sur les deux faces de la couche diélectrique des lés 21. Les spires des circuits 13 ont par exemple une épaisseur 10 à 30 pm, une largeur de 200 pm à 3 mm, et une distance inter-piste de 200pm à 3 mm. Les pistes conductrices sont par exemple en aluminium, en cuivre, en argent ou tout autre métal approprié, et elles sont obtenues par gravure chimique ou laser à partir d'une couche mince métallique. Elles peuvent également être en encre électriquement conductrice. Chaque antenne primaire 13 d'émission / réception comporte par exemple entre 2 et 20 spires, circulaires, polygonales, par exemple hexagonales, et de dimensions externes comprises par exemple entre 50 mm et 500 mm.
Avec ces dimensions, on obtient des antennes primaires 13 ayant une résistance électrique de 1 à 10 ohms, et une inductance de 1 à 50 pH.
Ces caractéristiques permettent d'obtenir les performances suivantes : En mode chauffage par effet Joule, on génère au niveau des bobines primaires 13 une puissance électrique allant jusqu'à 150 W/M2 avec un rendement de 95 %.
En mode de transfert d'énergie électrique par induction, on peut transférer jusqu'à 1000 W/M2 avec un rendement de 70 % entre une bobine d'émission primaire 13 et une bobine de réception secondaire 26 (correspondant par exemple à une bobine placée sur un appareil 25 à alimenter, comme une lampe électrique).
En mode de transfert de données, on peut transférer à l'aide d'un signal alternatif de fréquence comprise entre 50 à 500 kHz, des messages bidirectionnels ayant une taille de l'ordre du kilo-octet par seconde, suffisante pour envoyer des messages de commande à des dispositifs domotiques connectés au système selon l'invention.
En figure 4 on a représenté le schéma électrique équivalent correspondant à une antenne primaire 13 alimentant un appareil 25 via une antenne secondaire 26. La partie gauche de la figure 4 représente le convertisseur de tension 4 qui alimente une antenne primaire 13 à travers un circuit résistif R correspondant aux fils des bus 9, 12 (figure 1). La partie droite de la figure 4 correspond à la charge alimentée par l'antenne primaire 13, à savoir un appareil électrique 25.
Il est à noter que pour alimenter par induction un dispositif ou appareil électrique 25 à l'aide du système selon l'invention, il est utile que l'appareil en question, par exemple une lampe, soit pourvu à sa base d'une antenne de réception 26 ou antenne secondaire, couplée inductivement avec au moins une antenne primaire 13 du système. Bien entendu, la quantité d'énergie électrique transférée à l'appareil 25, ou la quantité de données échangées avec lui, dépendra de la qualité du couplage inductif entre l'antenne primaire 13 du système et l'antenne secondaire 26 de l'appareil.
En particulier, comme représenté en figure 5, il est utile que l'antenne secondaire 26 de l'appareil 25 et les antennes primaires 13 du dispositif chauffant soient configurées de manière que l'antenne secondaire 26 de l'appareil à alimenter embrasse le flux électromagnétique d'au moins une antenne primaire 13 du dispositif, quelle que soit la position de l'appareil 25 sur le dispositif. Pour cela, dans un mode de réalisation avantageux, la taille de l'antenne de réception 26 est supérieure à celle de l'antenne d'émission 13, par exemple 5 fois supérieure, ce qui garantira que, quelle que soit la position du dispositif 25 à alimenter sur une surface équipée d'antennes primaires 13, ce dispositif recevra via son antenne secondaire 26 l'énergie électrique de plusieurs antennes primaires 13 du système. Cela entraîne également la conséquence avantageuse que l'on pourra faire fonctionner l'appareil 25, par exemple une lampe électrique, à n'importe quel point d'une pièce équipée d'antennes primaires 13, sans qu'une connexion filaire ne soit nécessaire, car la lampe sera toujours alimentée par au moins une antenne primaire 13 du système.
En ce qui concerne l'alimentation électrique des différents circuits 13 d'un lé 21, plusieurs solutions sont théoriquement possibles, par exemple la commande individuelle, par un ou plusieurs interrupteurs dédiés à une antenne primaire 13 ou à un ensemble d'antennes primaires 13 connectées en parallèle. Mais cette méthode deviendrait très lourde à gérer lorsque le nombre d'antennes primaires 13 et le nombre d'appareils 25 à gérer augmente. Il vaut mieux dans ce cas donner à chaque appareil 25 et à chaque interrupteur 27 un identifiant numérique unique, et associer logiquement les identifiants de manière qu'un interrupteur 27 donné commande la mise en service ou hors service d'un ou de plusieurs appareils 25 préalablement identifiés, via une ou plusieurs antennes primaires identifiées par un index ou une adresse. Cette gestion est effectuée à l'aide d'un microprogramme de l'unité de commande 3.
En figure 6 on a représenté une pièce d'un bâtiment dont l'intégralité des murs et du sol ont été recouverts avec des lés 21 comprenant des circuits d'antennes primaires 13 décrits précédemment. Dans ce cas, n'importe quelle zone du sol ou des murs peut être utilisée pour chauffer la pièce, fournir localement de l'énergie électrique par induction à un appareil 25 compatible, ou recevoir un dispositif de commande 27, pour le cas où ceux-ci ne comporteraient pas de batterie et nécessiteraient d'être également alimentés par les antennes primaires 13.
Par ailleurs, si des lés pourvus d'antennes primaires 13 sont également positionnés à la fois sur le sol et les murs d'une pièce, il peut être avantageux que les interrupteurs Tl soient des dispositifs à fonctionnement sans contact, capables d'être couplés par induction avec une antenne primaire 13 d'un lé mural pour ouvrir ou fermer le circuit d'alimentation électrique d'un ou de plusieurs autres circuits d'antenne primaire 13, de manière à commander localement une action de chauffage, de transmission d'énergie ou d'échange de données.
Selon une variante, les interrupteurs 27 peuvent même être des objets mobiles d'identification, alimentés par une batterie ou un système de récupération d'énergie. Ils peuvent intégrer une carte à puce sans contact mémorisant des réglages ou des positionnements d'interrupteurs personnalisés. De cette façon, un utilisateur donné aura accès à des réglages personnalisés et programmables, comme par exemple telle lampe allumée par défaut, et telle zone de surface au sol chauffée par défaut.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'unité de commande 3 du système comporte un microprocesseur et une mémoire. Le microprocesseur exécute un microprogramme configuré pour envoyer des signaux de mesure de charge aux différentes antennes primaires 13 du système, et pour mémoriser dans cette mémoire les résultats des mesures. Les différentes antennes primaires 13 du système ont une adresse unique dans le système, les appareils 25 ont un identifiant numérique unique, et leurs organes de commande 27 sont également assortis d'un identifiant individuel unique.
En figure 7 on a représenté un schéma de principe d'un mode de réalisation préférentiel du système selon l'invention, dans lequel l'unité de commande 3, les appareils électriques 25 et les interrupteurs 27 sont connectés entre eux par un canal de communication radiofréquence bidirectionnel 28, qui permet de gérer le fonctionnement du système avec une grande flexibilité sans multiplier les connexions filaires. Ce canal de communication RF 28 est notamment configuré pour transmettre à l'unité de commande 3 l'identifiant numérique unique de chaque interrupteur 27 et de chaque appareil électrique 25. Lorsqu'un interrupteur 27 et un appareil électrique 25 sont connectés par voie radiofréquence à l'unité de commande 3 et identifiés par elle comme étant associés logiquement, l'unité de commande 3 peut détecter une action de l'utilisateur sur l'interrupteur 27, alimenter l'antenne primaire 13 sur laquelle l'antenne secondaire 26 de l'appareil électrique 25 est posée, et par conséquent alimenter l'appareil électrique 25 en énergie, ou couper son alimentation.
Dans le mode de réalisation représenté, l'unité de commande 3 est également connectée à un autre circuit de chauffage 33 plus classique, différent des antennes primaires 13 disposées sur des lés 21. Cela permet notamment de piloter une fonction de chauffage d'une pièce utilisant en partie des radiateurs électriques classiques 33, et en partie des circuits de chauffage sous la forme d'antennes primaires 13.
En figure 8 on a représenté un schéma fonctionnel plus détaillé d'un mode de réalisation de l'unité de commande 3. Dans ce mode de réalisation, l'unité de commande 3 comporte :
- Un bloc d'alimentation 31 connecté en entrée à une fiche 32 d'alimentation secteur et connecté directement ou indirectement aux autres modules ou circuits de l'unité de commande 3 de façon à les alimenter en tension ;
- Un circuit de chauffage 5 connecté en entrée au bloc d'alimentation 31 et connecté en sortie à des résistances chauffantes 33, ou à des antennes primaires 13 du système multifonction ;
- Un convertisseur d'énergie électrique 34 alimenté par le bloc d'alimentation 31 et connecté en sortie à un circuit 35 de commutation d'antennes alimentant les bobines primaires 13 ;
- Un module radiofréquence 36 connecté à des interrupteurs 27 et à des appareils électriques 25 distants, via le canal de communication radiofréquence 28 mentionné précédemment ;
- Un module 37 de mesure de la puissance consommée par l'ensemble des appareils électriques 25, connecté au convertisseur d'énergie électrique 34 ;
- Une interface utilisateur 38, typiquement un écran et un clavier pour l'échange de données ou de commandes avec un utilisateur ;
- Un microcontrôleur 39 pourvu d'un microprogramme embarqué pour la gestion du système multifonction. Ce microcontrôleur 39 est connecté à l'interface utilisateur 38, au module radiofréquence 36, au module de mesure de puissance 37, au convertisseur d'énergie électrique 34 et au circuit 35 de commutation d'antennes primaires 13 de manière à échanger avec eux des données ou des signaux de commande.
De préférence, le microcontrôleur 39 est aussi connecté à un circuit de sécurité 40, ou intègre un tel circuit de sécurité, permettant l'authentification mutuelle des différents composants du système.
En figure 9 on a représenté un schéma fonctionnel plus détaillé d'un appareil électrique 25 susceptible d'être utilisé dans le système selon l'invention. Chaque appareil électrique 25 comporte :
- Une batterie 41 connectée directement ou indirectement aux autres modules ou circuits de l'appareil électrique 25 de façon à les alimenter en tension ;
- Un module radiofréquence 42 connecté au module radiofréquence 36 de l'unité de commande 3 via le canal de communication radiofréquence 28 mentionné précédemment ;
- Un module 43 de mesure de la puissance électrique consommée en temps réel par l'appareil électrique 25 ;
- Un premier module 44 de conversion d'énergie connecté en entrée à une antenne secondaire 26 dont il reçoit de l'énergie électrique. Le premier module de conversion d'énergie 44 alimente en sortie un circuit 45 de gestion de la charge de la batterie, ce qui permet de recharger la batterie 41 de l'appareil électrique grâce à l'énergie reçue par induction via l'antenne secondaire 26.
- Une résistance de calibration 46 alimentée par le premier module de conversion d'énergie 44 via un circuit de commutation 47.
- Le circuit de commutation 47 est également connecté via un second module 48 de conversion d'énergie qui produit une tension continue ou alternative adaptée aux besoins d'une charge électrique réelle 49, qui peut être n'importe quel appareil électrique conventionnel, comme par exemple une lampe ou un téléviseur. - Un microcontrôleur 50 connecté au module radiofréquence 42 de l'appareil électrique 25, au module 43 de mesure de puissance, au circuit de commutation 47 et à un indicateur 30 visuel ou sonore indiquant à un utilisateur de l'appareil électrique 25 si la quantité d'énergie reçue par induction par l'appareil au moyen d'une antenne secondaire 26 est inférieure ou supérieure à un seuil prédéterminé.
Le microcontrôleur 50 est encore connecté en entrée à un bouton poussoir 51 qui est susceptible d'être actionné par l'utilisateur de l'appareil pour sa mise sous tension ou hors tension, et pour son association logique avec un ou plusieurs interrupteurs 27 et une antenne primaire 13.
Comme pour l'unité de commande 3, le microcontrôleur 50 de l'appareil électrique 25 est aussi connecté à un circuit de sécurité 40, ou intègre un tel circuit de sécurité, permettant l'authentification mutuelle des différents composants du système.
Grâce à cette structure, chaque appareil électrique 25 est configuré pour communiquer à l'unité de commande 3 via ledit canal de communication radiofréquence 28 la puissance électrique qu'il consomme. En outre, le dispositif d'alerte 30 (visuel, sonore, ...) de chaque appareil électrique 25 permet de signaler à un utilisateur si la puissance instantanée qu'il consomme est inférieure à un seuil prédéterminé (en fonction de la position de l'appareil 25 sur le réseau d'antennes primaires 13) pour que l'utilisateur puisse déplacer l'appareil électrique 25 et optimiser la puissance qu'il reçoit.
Comme représenté en figure 10, l'appareil électrique 25 au sens de la présente demande de brevet peut aussi être constitué par une interface électrique 25' ou un « galet » à disposer dans le système et à connecter via une prise de courant 52,53 à un appareil électrique traditionnel 54 non conçu à la base pour être utilisé dans le système. Cela permettra de connecter aisément au système selon l'invention tout type d'appareil électrique traditionnel 54, via une interface électrique 25' telle que celle représentée en figure 10.
En figures 11 et 12 on a représenté un schéma fonctionnel d'un interrupteur 27 utilisable dans le système selon l'invention. Il comporte un microcontrôleur 55 connecté en sortie à un module radiofréquence 56 qui permet de communiquer avec les modules radiofréquence 42, 36 des appareils électriques 25 et de l'unité de commande 3. Les circuits de l'interrupteur radiofréquence 27 sont alimentés soit par une batterie 57 comme représenté en figure 11, soit par un circuit 58 de récupération d'énergie radiofréquence comme représenté en figure 12. La batterie 57 ou le circuit de récupération d'énergie 58 est connecté en série avec un bouton poussoir 59 pour la mise en service ou hors service d'un appareil électrique 25 par un utilisateur. Là encore, comme l'unité de commande 3 et les appareils électriques 25, chaque interrupteur 27 peut être équipé d'un microcontrôleur sécurisé 40 permettant l'authentification mutuelle des différents composants connectés entre eux par voie radiofréquence dans le système selon l'invention.
La figure 13 illustre de façon schématique le processus d'association logique entre l'unité de commande 3, un interrupteur 27, une antenne primaire 13 et un appareil électrique 25 en couplage inductif avec cette antenne primaire 13. Grâce à la liaison radiofréquence 28 entre les différents composants du système, l'appareil électrique 25 A communique son identifiant unique à l'unité de commande 3. L'interrupteur 27 fait de même lorsqu'il est actionné. Par ailleurs l'unité de commande 3 balaie les antennes primaires 13 et relève l'identifiant unique de l'antenne primaire 13 sur laquelle est positionné l'appareil 25-A. A partir de là, l'unité de commande 3 peut construire une table d'association 60, dans laquelle elle associe logiquement (numéro d'association 2) l'appareil électrique 25-A, l'antenne primaire 13 sur laquelle il est posé, et l'interrupteur 27 qui doit commander la mise en service ou hors service de l'appareil électrique 25-A par un utilisateur. Dans l'exemple représenté, l'association numéro 2 signifie qu'une charge authentifiée (l'appareil 25-A) est bien posée sur l'antenne primaire numéro 14. L'unité de commande 3 peut donc mettre sous tension en toute sécurité l'antenne primaire numéro 14 lorsque l'utilisateur actionne l'interrupteur 27 associé.
En figure 14 on a représenté un schéma plus détaillé d'un mode de réalisation du circuit d'alimentation d'un appareil électrique 25 connecté à une antenne secondaire 26 du système selon l'invention. Une bobine ou antenne secondaire 26 de l'appareil électrique alimente un circuit d'adaptation 61 connecté en sortie à un pont de diodes 62 qui délivre en sortie une tension continue. Une partie de cette énergie est stockée dans un condensateur 63, le reste alimente un convertisseur 64 continu/continu dont la tension de sortie est appliquée par le commutateur 47 soit à une charge calibrée 48 (sous la forme d'une résistance de shunt calibrée), soit à une charge réelle 49 constituée par un appareil électrique 25. Un circuit de mesure de tension 65 couplé à un comparateur 66 alimentant un voyant lumineux (ou une alarme sonore) pilote la commutation de l'alimentation sur la charge réelle 49 dès lors que la tension aux bornes de la charge calibrée 48 atteint un seuil prédéterminé, signifiant que l'antenne secondaire 26 est correctement alimentée par induction par une antenne primaire 13.
Préalablement à l'utilisation du système selon l'invention, on effectue une opération d'initialisation, pour laquelle on commence par couper l'alimentation électrique du système et par le retrait de tous les appareils 25 qui constituent des charges électriques. Puis au démarrage du système, on envoie un signal de détection de charge aux bornes de toutes les antennes primaires 13 du système, afin de mesurer et de mémoriser la tension aux bornes de toutes les antennes 13 au démarrage du système, ce qui permettra ensuite de détecter les variations de charge aux bornes des antennes 13 en face desquelles on positionnera une charge, à savoir un appareil 25 pourvu d'une antenne secondaire 26 et mis en service par un organe de commande 27.
Lorsque le système a été initialisé et que les tensions aux bornes de toutes les antennes primaires 13 individuelles ont été mémorisées par l'unité de commande 3, on peut procéder à l'installation des appareils 25 en positionnant l'antenne secondaire 26 de chacun d'eux en face de telle ou telle antenne ou groupe d'antennes primaires 13. On positionne également les organes de commande 27 des appareils 25, qui possèdent un état fermé (par exemple un interrupteur fermé) et un état ouvert, en face d'une autre antenne primaire 13 du système. On peut alors procéder à l'association logique entre un appareil 25 donné, un (ou plusieurs) organe(s) de commande 27 (par exemple un interrupteur simple, deux interrupteurs va-et-vient, ...), et une ou plusieurs antennes primaires 13. Si l'usage prévu pour une antenne primaire 13 consiste à alimenter par induction un appareil 25 posé sur ladite antenne primaire, l'unité de commande 3 enverra à cette antenne une tension alternative apte à générer par induction dans l'antenne secondaire 26 de l'appareil 25 la tension d'alimentation nécessaire à l'appareil 25.
Mais le système tel que décrit précédemment et schématisé en figure 14 peut présenter des problèmes résiduels, en fonction de la nature et de l'impédance des charges connectées aux antennes secondaires 26, et en fonction du type de câblage utilisé pour connecter le générateur électrique aux antennes primaires du système.
Un premier problème réside dans le fait que les appareils électriques 25 à alimenter vont avoir des besoins de puissance moyenne très variables et vont présenter des impédances également variables. Si dans ces conditions on alimente chaque appareil électrique 25 en permanence à partir du générateur, le rendement moyen du transfert d'énergie par induction sera faible à cause de la variabilité de l'impédance vue par le générateur.
L'invention prévoit donc de faire en sorte que la charge électrique vue aux bornes de chaque antenne primaire 13 par le générateur électrique de l'unité de commande 3 soit sensiblement constante. Comme schématisé en figure 15, cela consiste à intercaler entre l'antenne secondaire 26 et la charge réelle 49 d'un appareil 25, un circuit d'adaptation 70 permettant de faire en sorte que la charge 49 soit vue par le générateur électrique de l'unité de commande comme une impédance constante, ce qui permet de travailler au meilleur rendement de transfert d'énergie.
Le circuit d'adaptation d'impédance 70 comporte par exemple un circuit 71 d'adaptation de tension, en série avec un redresseur 72 qui alimente un système de gestion de batterie BMS 73 (acronyme pour « Battery Management System » en terminologie anglo-saxonne). Ce dernier est connecté aux bornes d'une réserve d'énergie électrique 74, par exemple sous la forme d'une batterie, en parallèle avec la charge 49.
Ainsi il est possible de donner au secondaire l'impédance de charge que l'on désire. En effet, le rôle du BMS 73 est de fournir à l'accumulateur 74 une tension constante permettant d'alimenter sa charge 49 sans danger. Le courant fourni par le circuit BMS 73 varie en fonction du niveau de charge de l'accumulateur 74, si les niveaux de charges et décharges sont contrôlées alors les variations de courant fournis par le circuit BMS 73 seront faibles et celui-ci sera vu comme une charge fixe et constante par le secondaire (et par conséquent par le générateur électrique qui alimente l'antenne secondaire 26 par induction à partir de l'antenne primaire 13).
Le fait que les différents appareils 25 demandent des puissances différentes peut alors être géré en les alimentant en temps partagé, avec un rendement constant. Le rapport cyclique d'alimentation des différents appareils devient une variable d'ajustement pour s'adapter à la puissance nécessaire à chaque appareil 25. Pendant qu'un appareil est alimenté, de l'énergie est stockée dans la réserve d'énergie 74 qui lui est connectée en parallèle. Mais lorsque l'alimentation d'une antenne secondaire 26 est coupée, l'appareil 25 correspondant est alimenté par l'accumulateur d'énergie qui est connecté à ses bornes, jusqu'à ce que le cycle d'alimentation de l'antenne secondaire 26 considérée reprenne.
Le principe de l'alimentation séquentielle des appareils 25 en temps partagé signifie que la durée d'alimentation de l'antenne secondaire 26 à laquelle est connecté chaque appareil dépendra de la puissance moyenne nécessaire à chaque appareil. Plus précisément, le rapport cyclique consacré à un appareil 25 donné sera d'autant plus élevé que la puissance dont il a besoin est importante.
La figure 16 illustre ce principe appliqué à deux appareils 25. La courbe 80 représente en fonction du temps la puissance électrique qui est fournie à l'antenne secondaire 26 qui alimente un premier appareil 25. La courbe 81 représente l'évolution de la tension qui est disponible aux bornes du premier appareil 25 du fait de l'alimentation de son antenne secondaire 26. On voit que la puissance injectée dans la première antenne secondaire est telle que la tension d'alimentation disponible pour le premier appareil 25 reste toujours supérieure à un seuil de puissance minimal 84 permettant d'assurer le fonctionnement de cet appareil.
De façon similaire, la courbe 82 représente en fonction du temps la puissance électrique qui est fournie à l'antenne secondaire 26 qui alimente un second appareil 25. Cette puissance est fournie en temps partagé, c'est-à-dire pendant des périodes de temps pendant lesquelles on ne fournit pas de puissance à l'antenne secondaire 26 alimentant le premier appareil électrique.
La courbe 83 représente l'évolution de la tension qui est disponible aux bornes du second appareil 25 du fait de l'alimentation de son antenne secondaire. Là encore, la puissance injectée dans la seconde antenne secondaire 26 est telle que la tension d'alimentation 83 disponible pour le second appareil 25 reste toujours supérieure à un seuil de puissance minimal 85 permettant d'assurer le fonctionnement de cet appareil.
En définitive, l'alimentation des antennes secondaires 26 en temps partagé permet d'attribuer successivement et individuellement une durée d'alimentation et une quantité d'énergie à chaque antenne secondaire alimentant un appareil 25. L'appareil électrique alimenté ne reçoit que la quantité d'énergie dont il a besoin pour fonctionner et pour stocker l'énergie dont il a besoin pour fonctionner pendant que l'antenne primaire 13 avec laquelle il est couplé n'est plus alimentée. De préférence chaque appareil peut comporter une réserve d'énergie sous la forme d'une batterie 74 ou d'un super condensateur ou équivalent connecté à ses bornes, ce qui permet de conserver une réserve d'énergie pendant que son antenne secondaire n'est pas alimentée.
Le rapport cyclique d'alimentation de chaque appareil peut être déterminé de manière fixe et suffisante pour alimenter tous les appareils. Mais de préférence il peut être adapté à chacun des appareils. Pour cela, les besoins de puissance des différents appareils peuvent être communiqués à l'unité de commande 3 soit en avance de phase à l'initialisation du système, soit en temps réel au moyen d'un canal de communication radiofréquence établi entre les appareils 25 et l'unité de commande 3, notamment de type bluetooth.
Un autre problème réside dans le fait qu'avec un câblage matriciel des antennes primaires 13 comme représenté de façon schématique en figure 17, alimenter plusieurs appareils 25 en même temps au lieu de successivement, entraîne l'alimentation d'antennes primaires 13 non utilisées, ce qui peut entraîner des risques en termes de sécurité et de consommation du générateur électrique.
Plus précisément, dans le schéma de la figure 17, les antennes primaires 13 notées Bl, B2 et B3 reçoivent chacune un appareil 25, symbolisé par un cercle à l'intersection des pistes d'alimentation. Lorsque les antennes B1 et B2 sont toutes deux alimentées, l'antenne B4 l'est nécessairement aussi, comme une antenne fantôme, car elle se trouve à l'intersection de la ligne L1 et de la colonne C2 qui sont toutes deux alimentées. Comme l'antenne B4 ne reçoit aucun appareil 25 connecté à une antenne secondaire 26, il y a une consommation inutile d'énergie.
Au même titre qu'on ne sait pas alimenter une antenne primaire 13 de manière sélective avec le câblage représenté en figure 17, on ne saura pas non plus couper l'alimentation d'une antenne primaire de manière sélective.
En outre, lorsqu'il y a un grand nombre d'appareils 25 à alimenter dans une pièce, un câblage comme celui représenté en figure 18 est également problématique. En effet, les antennes primaires 13 sont des dipôles, il est donc nécessaire de connecter deux conducteurs électriques par antenne. Le déploiement d'un grand nombre de d'antennes primaires sur une surface donnée pose le problème du grand nombre de fils à raccorder au boîtier de commande. Dans l'exemple représenté en figure 18, il y a 16 antennes primaires 13, ce qui conduit à raccorder 32 fils de câblage entre le boîtier de commande 3 et les antennes.
Afin de réduire cette problématique, l'invention prévoit d'utiliser un câblage matriciel tel que celui représenté en figure 19. Dans ce mode de connexion, les antennes primaires 13 sont connectées au générateur électrique de l'unité de commande 3 au moyen d'un réseau de câblage matriciel de conducteurs en lignes et colonnes, une antenne primaire 13 donnée étant connectée entre une ligne commune spécifique U et une colonne commune spécifique Q du réseau de câblage, ce qui dans l'exemple représenté permet de réduire le nombre de connexions à 8 au lieu de 32 précédemment.
Cette disposition serait problématique pour alimenter plusieurs antennes primaires 13 simultanément, mais devient possible grâce à l'alimentation des antennes primaires en temps partagé. Elle présente aussi l'avantage de n'alimenter que des antennes primaires spécifiques et évite le problème d'alimentation d'antennes fantômes mentionné plus haut. AVANTAGES DE L'INVENTION
L'invention répond aux buts fixés et permet de réaliser à faible coût un système multifonction permettant à la fois de chauffer une surface ou un volume contigu à cette surface, mais également d'alimenter en électricité des équipements rapportés, tels que des lampadaires, appliques ou autres, et d'échanger des données avec eux, sans nécessiter de prise électrique à proximité de l'appareil à alimenter, ni de connexion filaire entre les appareils.
L'invention fournit une solution particulièrement économique et élégante, puisqu'un même support facile à industrialiser à faible coût (l'antenne primaire 13) permet de fournir un ensemble de fonctions, notamment le chauffage, l'éclairage, la détection de présence, le balisage visuel et sonore, ou d'autres fonctions.
En outre, le dispositif proposé permet de transférer de l'énergie électrique par induction à des appareils électriques spécifiques avec un bon rendement énergétique, sans souffrir de pertes de rendement du fait de la variabilité des charges électriques. Le système est économe en énergie, puisque seules les zones nécessaires sont alimentées. En particulier, l'alimentation des antennes primaires couplées à des appareils mis hors tension peut être totalement coupée par l'unité de commande, ce qui permet de ne pas alimenter des antennes primaires inutilement.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système multifonction de chauffage d'un support et de transfert d'énergie ou de données entre d'une part une pluralité d'antennes primaires (13) situées sur ledit support et pilotées par une unité de commande (3) susceptible de les alimenter en énergie électrique ou en données numériques, et d'autre part un ensemble d'appareils électriques (25) aptes à être alimentés en énergie électrique ou en données par couplage inductif entre les antennes primaires (13) et des antennes secondaires (26) connectées aux appareils électriques (25), chaque appareil électrique (25) étant associé à un identifiant numérique unique représentatif de son identité et d'un type d'appareil, et l'unité de commande (3) étant configurée d'une part pour alimenter les antennes primaires (13) avec une tension électrique apte à provoquer leur échauffement par effet Joule, et d'autre part pour alimenter un appareil électrique (25) donné avec une tension électrique spécifique correspondant à un transfert d'énergie ou de données à cet appareil en fonction de son identifiant numérique, caractérisé en ce que l'unité de commande (3) est configurée pour alimenter successivement les différentes antennes primaires (13) et secondaires (26) selon un schéma de temps partagé, le rapport cyclique d'alimentation de chaque antenne primaire (13) étant fonction de la puissance électrique nécessaire à chaque appareil électrique (25) pour fonctionner.
2. Système multifonction selon la revendication 1, caractérisé en ce que la puissance électrique nécessaire à chaque appareil (25) est communiquée à l'unité de commande (3) à la mise sous tension du système.
3. Système multifonction selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un canal de communication radiofréquence entre les appareils électriques (25) et l'unité de commande (3) par lequel les appareils électriques (25) communiquent à l'unité de commande (3) en temps réel leurs besoins en énergie électrique pour fonctionner.
4. Système multifonction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport cyclique d'alimentation de chaque appareil est ajusté en temps réel en fonction des besoins de l'appareil (25).
5. Système multifonction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la durée d'alimentation de chaque antenne primaire (13) est choisie par l'unité de commande (3) de manière que la charge électrique vue aux bornes de chaque antenne primaire (13) par le générateur électrique soit sensiblement constante.
6. Système multifonction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque appareil électrique (25) est connecté à une antenne secondaire (26) via un circuit (70) de compensation de charge, configuré de manière que la charge électrique vue par le générateur de l'unité de commande (3) aux bornes des différentes antennes secondaires (26) soit sensiblement constante, quelles que soient les valeurs réelles de l'impédance des différents appareils électriques (25).
7. Système multifonction selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit circuit (70) de compensation de charge comporte un accumulateur d'énergie électrique (74) connecté aux bornes de l'appareil électrique (25), un circuit de gestion de batterie (73) alimenté par un pont redresseur (72) alimenté par l'antenne secondaire (26) via un circuit d'adaptation (71).
8. Système multifonction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les antennes primaires (13) sont connectées à un générateur électrique de l'unité de commande (3) au moyen d'un réseau de câblage matriciel de conducteurs agencés en lignes et colonnes, une antenne primaire (13) donnée étant connectée entre une ligne spécifique (U) et une colonne spécifique (Q) du réseau de câblage.
9. Système multifonction selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que ledit canal de communication est configuré pour transmettre à l'unité de commande (3) l'identifiant numérique unique de chaque interrupteur (27) et de chaque appareil électrique (25).
10. Système multifonction selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque appareil électrique (25) comporte un étage (43) de mesure de la puissance électrique instantanée qu'il consomme.
11. Système multifonction selon la revendication 10, caractérisé en ce que chaque appareil électrique (25) est configuré pour communiquer à l'unité de commande (3) via ledit canal de communication radiofréquence la puissance électrique instantanée qu'il consomme.
12. Système multifonction selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que chaque appareil électrique (25) comporte un dispositif d'alerte (30) pour signaler à un utilisateur si la puissance électrique instantanée qu'il consomme est inférieure à un seuil prédéterminé.
13. Système multifonction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité de commande (3) comporte :
- Un bloc d'alimentation (31) connecté en entrée à l'alimentation secteur et connecté directement ou indirectement aux autres modules de l'unité de commande de façon à les alimenter en tension ;
- Un convertisseur d'énergie électrique (34) alimenté par le bloc d'alimentation (31) et connecté en sortie à un circuit de commutation d'antennes primaires (13) ;
Un circuit (35) de commutation d'antennes primaires (13) ;
- un module radiofréquence (36) connecté à des interrupteurs (27) et à des appareils électriques (25) via ledit canal de communication radiofréquence ;
- un module (37) de mesure de la puissance consommée par l'ensemble des appareils électriques (25), connecté au convertisseur d'énergie électrique (34) ;
- une interface utilisateur (38) pour l'échange de données ou de commandes avec un utilisateur ;
- un microcontrôleur (39) pourvu d'un microprogramme embarqué pour la gestion du système multifonction, connecté à l'interface utilisateur, au module radiofréquence (36), au module de mesure de puissance (37), au convertisseur d'énergie électrique (34) et au circuit de commutation (35) d'antennes primaires (13) de manière à échanger avec eux des données ou des signaux de commande.
14. Système multifonction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque interrupteur (27) comporte un module radiofréquence (56) alimenté par une batterie (57) ou par un circuit (58) de récupération d'énergie radiofréquence connecté(e) en série avec un bouton poussoir (59) pour la mise en service ou hors service d'un appareil électrique (25).
15. Système multifonction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque appareil électrique (25) comporte un module électronique (250 comportant :
- Une batterie (41) connectée directement ou indirectement aux autres modules de l'appareil électrique (25) de façon à les alimenter en tension ;
- Un module radiofréquence (42) connecté au module radiofréquence (36) de l'unité de commande (3) via ledit canal de communication radiofréquence ;
- Un module (43) de mesure de la puissance électrique consommée en temps réel par l'appareil électrique (25) ;
- Un circuit de commutation (47) de l'antenne secondaire (26) entre une résistance de calibration (46) et une charge réelle (49), la résistance de calibration (46) servant à vérifier si la position de l'antenne secondaire (26) par rapport à une antenne primaire (13) permet d'obtenir suffisamment de puissance électrique aux bornes de l'antenne secondaire (26) pour alimenter ladite charge réelle ;
- Un premier module (44) de conversion d'énergie connecté d'une part à ladite antenne secondaire (26) dont il reçoit de l'énergie électrique et d'autre part audit circuit de commutation (47) ;
- Un second module (48) de conversion d'énergie connecté d'une part à ladite charge réelle (49) et d'autre part audit circuit de commutation (47) ;
- Un microcontrôleur (50) connecté au module radiofréquence (42), au module (43) de mesure de puissance, au circuit de commutation (47) et à un indicateur (30) visuel ou sonore indiquant à un utilisateur de l'appareil électrique (25) si la quantité d'énergie reçue par induction par l'appareil (25) au moyen d'une antenne secondaire (26) est inférieure ou supérieure à un seuil prédéterminé.
16. Système multifonction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité de commande (3), les interrupteurs (27) et les appareils électriques (25) comportent un microcontrôleur sécurisé (40) contenant un identifiant unique et configuré pour permettre l'identification mutuelle de l'unité de commande (3), des interrupteurs (27) et des appareils électriques (25).
17. Système multifonction selon l'une quelconque des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que le microprogramme de l'unité de commande (3) est configuré pour déconnecter une antenne primaire (13) couplée à l'antenne secondaire (26) d'un appareil (25) lorsque la puissance électrique reçue par celui-ci est inférieure à un seuil prédéterminé.
18. Système multifonction selon l'une quelconque des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que le microprogramme de l'unité de commande (3) est configuré pour déconnecter une antenne primaire (13) couplée à l'antenne secondaire (26) d'un appareil électrique (25) lorsque celui-ci ne possède pas un identifiant préalablement autorisé par le système multifonction.
19. Système multifonction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les antennes primaires (13) possèdent une adresse ou une identification unique dans l'unité de commande (3) de sorte que l'unité de commande (3) peut les alimenter individuellement et sélectivement avec une tension électrique correspondant à un chauffage par effet Joule, à un transfert d'énergie électrique par induction ou à un échange de données numériques avec un appareil électrique (25).
20. Système multifonction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les interrupteurs (27) sont identifiés dans le système par un numéro d'identification individuel, de façon que l'identifiant unique de chaque appareil électrique (25) puisse être logiquement associé d'une part avec le numéro d'identification individuel d'au moins un interrupteur (27) susceptible de commander la mise en service ou hors service dudit appareil électrique (25) et d'autre part avec l'adresse ou l'identification d'au moins une antenne primaire (13) du système.
21. Système multifonction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité de commande (3) est configurée pour détecter une variation de charge aux bornes d'une antenne primaire (13) lorsqu'un appareil électrique (25) est mis en service ou hors service dans le système au voisinage de ladite antenne primaire (13).
22. Système multifonction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité de commande (3) est configurée pour détecter une variation de charge aux bornes d'une première antenne primaire (13) numéro i et d'une seconde antenne primaire (13) numéro j lorsqu'un appareil électrique (25) est déplacé de l'antenne primaire numéro i vers l'antenne primaire numéro j.
23. Système multifonction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'antenne secondaire (26) connectée à un appareil électrique (25) et les antennes primaires (13) du dispositif sont configurées de manière que l'antenne secondaire (26) embrasse le flux électromagnétique d'au moins une antenne primaire (13), quelle que soit la position de l'appareil électrique (25) sur le support.
24. Système multifonction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une interface de communication (8) avec l'extérieur, configurée pour permettre la surveillance et le pilotage du système à partir d'un objet portable communicant, en particulier un téléphone portable ou une tablette électronique.
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