OA21983A

OA21983A - Battery or supercapacitor charger with one or more trap circuits.

Info

Publication number: OA21983A
Application number: OA1202400391
Authority: OA
Inventors: AMADOU CHEIKHOU SAKO ABDOUL-AZIZ Monsieur
Original assignee: AMADOU CHEIKHOU SAKO ABDOUL-AZIZ Monsieur
Filing date: 2024-09-19
Publication date: 2025-09-26

Abstract

L'invention est un dispositif permettant de charger une batterie ou un superconducteur, à partir d'une source de tension sinusoïdale et d'un ou plusieurs circuits bouchons. La cellule LC du circuit bouchon ou les cellules LC des circuits bouchons ont pour fréquence de résonnance la fréquence de la source de tension. Le mode de fonctionnementdu dispositif de l'invention consiste à pomper de l'energie réactive issue de la résonnance parallèle d'une ou plusieurs cellules LC puis à transferer cette energie à la batterie ou au superconducteur à charger, en cosommant un minimum de puissance active.The invention is a device for charging a battery or a superconductor, from a sinusoidal voltage source and one or more tank circuits. The LC cell of the tank circuit or the LC cells of the tank circuits have the resonance frequency of the voltage source. The operating mode of the device of the invention consists of pumping reactive energy from the parallel resonance of one or more LC cells and then transferring this energy to the battery or superconductor to be charged, while consuming a minimum of active power.

Description

II. DESCRIPTION :II. DESCRIPTION:

2.1 Introduction :2.1 Introduction:

Avec le développement de l’énergie solaire, des appareils munis de piles rechargeables, de batteries ou de supercondensateurs et surtout avec l’essor de la voiture électrique, de nombreuses recherches sont effectuées sur les batteries et les chargeurs. Beaucoup d’efforts sont déployés dans le but d’améliorer la capacité et le coût de fabrication des batteries et la rapidité de charge des chargeurs.With the development of solar energy, devices equipped with rechargeable batteries, batteries, or supercapacitors, and especially with the rise of electric cars, a lot of research is being carried out on batteries and chargers. Much effort is being made to improve the capacity and manufacturing cost of batteries and the charging speed of chargers.

2.2 Etat de la technique :2.2 State of the art:

De nos jours il existe une multitude de modèles de chargeurs de batteries ou de supercondensateurs. Certains de ces modèles intègrent, un circuit résonnant à transformateur, d’autres, un DAB (Dual Active Bridge) à résonance série, ou un convertisseur résonnant LLC. Tout ceci afin d’optimiser la puissance de charge.There are a multitude of battery charger and supercapacitor models available today. Some of these models incorporate a transformer resonant circuit, others a DAB (Dual Active Bridge) with series resonance, or an LLC resonant converter. All of this is done to optimize charging power.

La source d’alimentation des chargeurs de batteries ou de supercondensateurs est en général une source de tension sinusoïdale générée par un groupe électrogène et la charge s’effectue essentiellement par un transfert d’énergie active. Même si le rendement d’un chargeur est plus ou moins égal à 98 %, le rendement d’un groupe électrogène quant à lui, atteint difficilement 40%. Ceci donne un rendement global assez moyen.The power source for battery or supercapacitor chargers is generally a sinusoidal voltage source generated by a generator, and charging is primarily accomplished through active energy transfer. While the efficiency of a charger is roughly 98%, the efficiency of a generator barely reaches 40%. This results in a fairly average overall efficiency.

La présente invention permet d’utiliser l’énergie réactive avec un minimum d’énergie active ce qui donne la possibilité d’avoir un rendement global amélioré.The present invention makes it possible to use reactive energy with a minimum of active energy, which gives the possibility of having an improved overall efficiency.

L’invention permet d’envisager des dispositifs de charges, à la fois compacts, légers, écologiques, avec une consommation réduite du groupe électrogène, pouvant charger un plus grand nombre de batteries ou de supercondensateurs.The invention makes it possible to envisage charging devices that are compact, lightweight, and ecological, with reduced consumption of the generator set, and capable of charging a greater number of batteries or supercapacitors.

2.3 Description sommaire2.3 Summary description

La solution qu’apporte l’invention est de charger la batterie ou le supercondensateur, principalement par un transfert d’énergie réactive en consommant un minimum d’énergie active, avec pour source d’alimentation une source de tension sinusoïdale. Le dispositif de l’invention, pompe, dans un premier temps, de l’énergie réactive issue de la résonance parallèle d’une ou plusieurs cellules LC puis transfère cette énergie, à la batterie ou au supercondensateur à charger. Les cellules LC ayant une même fréquence de résonance identique à la fréquence de la source de tension, l’énergie réactive est extraite, en effectuant un travail négligeable. Précisons au passage, que cette énergie réactive est issue de la somme nulle des énergies réactives positives et négatives des capacités et inductances des cellules LC, en résonance.The solution provided by the invention is to charge the battery or supercapacitor, mainly by a transfer of reactive energy while consuming a minimum of active energy, with a sinusoidal voltage source as a power source. The device of the invention first pumps reactive energy from the parallel resonance of one or more LC cells and then transfers this energy to the battery or supercapacitor to be charged. Since the LC cells have the same resonance frequency identical to the frequency of the voltage source, the reactive energy is extracted, performing negligible work. It should be noted in passing that this reactive energy comes from the zero sum of the positive and negative reactive energies of the capacitances and inductances of the LC cells, in resonance.

Par ailleurs, l’énergie réactive transférable est déterminée, par la tension efficace de la source de tension et par la capacité du condensateur du circuit bouchon ou celles des condensateurs des circuits bouchons, qui alimentent en courant la charge capacitive. Autrement dit, pour une valeur donnée de la tension efficace de la source de tension, plus grandes sont les capacités des condensateurs mentionnés ci-dessus, plus grande sera la quantité d’énergie réactive transférable à la charge capacitive.Furthermore, the transferable reactive energy is determined by the effective voltage of the voltage source and the capacitance of the tank capacitor or the capacitors of the tank circuits, which supply current to the capacitive load. In other words, for a given value of the effective voltage of the voltage source, the greater the capacitances of the above-mentioned capacitors, the greater the amount of reactive energy that can be transferred to the capacitive load.

2.4 Description détaillée2.4 Detailed description

Le schéma d’un mode simplifié de réalisation du dispositif de l’invention est représenté sur la figure 1. Ce mode de réalisation est composé de 3 parties reliés par les contacts a5 et b5.The diagram of a simplified embodiment of the device of the invention is shown in Figure 1. This embodiment is composed of 3 parts connected by contacts a5 and b5.

Le contact a5 relie la source de tension sinusoïdale (1) et la cellule LiCi avec la cellule L2C2. Le contact b5 connecte la cellule L2C2 avec le pont redresseur (2), le condensateur ou le supercondensateur C3 et le régulateur de tension (3) dont deux des trois bornes sont connectées à l’unité capacitive à charger.Contact a5 connects the sinusoidal voltage source (1) and the LiCi cell with the L2C2 cell. Contact b5 connects the L2C2 cell with the rectifier bridge (2), the capacitor or supercapacitor C3 and the voltage regulator (3), two of the three terminals of which are connected to the capacitive unit to be charged.

Décrivons à présent le fonctionnement de cette version simplifiée du dispositif de l’invention.Let us now describe the operation of this simplified version of the device of the invention.

Dans une première phase les contacts a5 et b5 étant ouverts, la source de tension (1) est activée. Du fait de la résonance parallèle, le courant sortant de la source de tension est très faible tandis que le condensateur Ci et l’inductance L] sont traversés par des courants opposés élevés. Dans une seconde phase, le contact a5 est fermé. La cellule L2C2 est alors reliée à la source de tension (1) et à la cellule L1C1. Le courant sortant de la source de tension (1) reste faible comparativement aux courants traversant les 2 cellules LC. La tension aux bornes de ces deux cellules est la même que celle aux bornes de la source de tension (1). Le contact a5 est ensuite ouvert dans une troisième phase. Ceci entraîne la déconnexion de la cellule L2C2 à la source de tension (1) et à la cellule L|Cj. La cellule L2C2 est alors le siège d’oscillations permanentes. Dans une quatrième phase, le contact b5 est fermé, la cellule L2C2 est alors connectée au pont redresseur (2), au condensateur ou supercondensateur C3, au régulateur de tension (3) et à l’unité capacitive à charger. Ces derniers sont alors alimentés en courant et le supercondensateur ou la batterie à charger se charge progressivement. Dans une cinquième phase, lorsque la cellule L2C2 est suffisamment déchargée, le contact b5 est ouvert. Le contact a5 est ensuite fermé pour un nouveau cycle de charge puis de décharge.In a first phase, contacts a5 and b5 being open, the voltage source (1) is activated. Due to the parallel resonance, the current leaving the voltage source is very low while the capacitor Ci and the inductance L] are crossed by high opposite currents. In a second phase, contact a5 is closed. Cell L2C2 is then connected to the voltage source (1) and to cell L1C1. The current leaving the voltage source (1) remains low compared to the currents passing through the two LC cells. The voltage across these two cells is the same as that across the voltage source (1). Contact a5 is then opened in a third phase. This causes the disconnection of cell L2C2 from the voltage source (1) and from cell L|Cj. Cell L2C2 is then the seat of permanent oscillations. In a fourth phase, contact b5 is closed, cell L2C2 is then connected to the rectifier bridge (2), to the capacitor or supercapacitor C3, to the voltage regulator (3) and to the capacitive unit to be charged. These are then supplied with current and the supercapacitor or battery to be charged gradually charges. In a fifth phase, when cell L2C2 is sufficiently discharged, contact b5 is opened. Contact a5 is then closed for a new charge and discharge cycle.

Deux autres modes simplifiés de réalisation du dispositif de l’invention sont représentés sur les figures 2 et 3.Two other simplified embodiments of the device of the invention are shown in Figures 2 and 3.

Selon un autre mode de réalisation non illustré, le dispositif peut comporter des cellules LC supplémentaires et des gradateurs ou des relais à la place de contacts (5). L’unité capacitive à charger peut alors être alternativement chargée par ces cellules afin d’obtenir une tension constante et un courant de charge permanent.According to another embodiment not shown, the device may comprise additional LC cells and dimmers or relays instead of contacts (5). The capacitive unit to be charged can then be alternately charged by these cells in order to obtain a constant voltage and a permanent charging current.

Une simulation numérique a été réalisée avec le logiciel EveryCircuit sur le mode simplifiée de réalisation du dispositif illustré sur la figure 4. C3 est un supercondensateur à charger.A numerical simulation was carried out with the EveryCircuit software on the simplified embodiment of the device illustrated in figure 4. C3 is a supercapacitor to be charged.

Les données de la simulation sont les suivantes :The simulation data are as follows:

- Source de tension sinusoïdale (1) :- Sinusoidal voltage source (1):

Tension efficace U= 230V fréquence f= 50 Hz phase 0°Effective voltage U= 230V frequency f= 50 Hz phase 0°

- Résistance R- Resistance R

R = 20(1R = 20(1

Cellule L2C2L2C2 Cell

Inductance L2 = 17 mH Résistance R2 = 10 τηΏ Capacité C2 = 600 pFInductance L2 = 17 mH Resistance R2 = 10 τηΏ Capacitance C2 = 600 pF

- Supercondensateur C3 C₃ = lOmF- Supercapacitor C3 C ₃ = lOmF

NotationsRatings

Ir courant traversant la résistance RIr current through resistance R

U2 tension aux bornes du condensateur C2, b courant traversant le condensateur C2U2 voltage across capacitor C2, b current through capacitor C2

U3 tension aux bornes du supercondensateur C₃, I₃ courant traversant le supercondensateur C₃ U3 voltage across the supercapacitor C ₃ , I ₃ current flowing through the supercapacitor C ₃

Phase 1 ( figure 4.1) les résultats enregistrés au niveau de la résistance R sont Ir max = 506 Ir min = — 505 mA Au niveau du condensateur C2 on a noté U2 max - 322 V U2 min =—322 VPhase 1 (figure 4.1) the results recorded at the level of resistance R are Ir max = 506 Ir min = — 505 mA At the level of capacitor C2 we noted U2 max - 322 V U2 min =—322 V

I2 max = 60,8 A I2 min = —60,8 AI2 max = 60.8 A I2 min = —60.8 A

Phase 2 ( figure 4.2)Phase 2 (figure 4.2)

An niveau du condensateur C2 U2 max = 323 V U2 min =—320 VAt capacitor level C2 U2 max = 323 V U2 min =—320 V

I2 max = 60,2 A h min = —60,7 AI2 max = 60.2 A h min = —60.7 A

Phase 3 ( figure 4.3)Phase 3 (figure 4.3)

Entre le début et la fin de cette phase, les valeurs maximum et minimum de la tension U₃ aux bornes de C₃ et celles maximum et minimum de l’intensité I₃ du courant traversant C₃évoluent très rapidement. En effetBetween the beginning and the end of this phase, the maximum and minimum values of the voltage U ₃ at the terminals of C ₃ and the maximum and minimum values of the intensity I ₃ of the current flowing through C ₃ change very quickly. Indeed

Au début de cette phase nous avons : U₃ max = 0 V et U₃ min = — 17,7 VAt the beginning of this phase we have: U ₃ max = 0 V and U ₃ min = — 17.7 V

I₃ max = 0 A I₃ min = — 133 A.I ₃ max = 0 AI ₃ min = — 133 A.

A la fin de cette phase on a U₃ max = — 19,2 V U₃ min =— 19,3 VAt the end of this phase we have U ₃ max = — 19.2 VU ₃ min =— 19.3 V

I₃ max = 0 A I₃ min = — 469mA.I ₃ max = 0 AI ₃ min = — 469mA.

En résumé la tension aux bornes de C₃ se stabilise à —19,3 V tandis que I₃ tend vers 0 AIn summary, the voltage across C ₃ stabilizes at —19.3 V while I ₃ tends towards 0 A

Au niveau du condensateur C2 on observe l’évolution suivante:At the level of capacitor C2 we observe the following evolution:

au début de la phase 3at the beginning of phase 3

A la fin de la phase 3 :At the end of phase 3:

U2 max - 308 VU2 max - 308 V

I2 max = 128 AI2 max = 128 A

U2 max = 22 V b max — 4,04 AU2 max = 22 V b max — 4.04 A

U₂ min = -307 VU ₂ min = -307 V

I2 min = —57,8 AI2 min = —57.8 A

U2 min = -21,3 VU2 min = -21.3 V

I2 min = —3,98 A phase 4 (figure 4.4)I2 min = —3.98 A phase 4 (figure 4.4)

Le contact b5 étant ouvert ainsi que le contact a5, la cellule L2C2 peut entamer un nouveau cycle de charge puis de décharge.With contact b5 and contact a5 open, cell L2C2 can begin a new charge and discharge cycle.

phase 7 ( figure 4.7)phase 7 (figure 4.7)

DuplicataDuplicate

La cellule L2C2 chargée est à nouveau connectée au pont redresseur (2) et à C3. Vers la fin de cette phase, nous avons au niveau du supercondensateur C3 :The charged L2C2 cell is again connected to the rectifier bridge (2) and to C3. Towards the end of this phase, we have at the supercapacitor C3:

U₃ max = - 48 V U₃ min = - 48,2 VU ₃ max = - 48 VU ₃ min = - 48.2 V

I3 max =0A I3 min = -1,14 A.I3 max = 0A I3 min = -1.14 A.

Notons que durant ces cycles de décharges, à chaque fois que la cellule L2C2 est de nouveau connectée au supercondensateur C3, la tension aux bornes de C3 augmente encore progressivement et se stabilise à une nouvelle valeur supérieure à la précédente valeur.Note that during these discharge cycles, each time the L2C2 cell is connected again to the supercapacitor C3, the voltage across C3 increases again gradually and stabilizes at a new value higher than the previous value.

Les domaines d’applications possibles de l’invention sont assez variés.The possible fields of application of the invention are quite varied.

Dans le cas particulier d’une application de l’invention aux véhicules hybrides séries, l’autonomie de ces derniers peut être grandement accrue. En intégrant l’invention dans le domaine des installations solaires avec cellules photovoltaïque, l’énergie électrique produite à partir de l’énergie emmagasinée dans les batteries solaires peut être accrue. L’invention peut permettre d’envisager des unités de production d’énergie électrique totalement autonomes.In the particular case of an application of the invention to series hybrid vehicles, the autonomy of the latter can be greatly increased. By integrating the invention into the field of solar installations with photovoltaic cells, the electrical energy produced from the energy stored in the solar batteries can be increased. The invention can make it possible to envisage completely autonomous electrical energy production units.

Claims

l. Battery and supercapacitor charger with one or more trap circuits comprising: a circuit formed by a fixed frequency sinusoidal alternating voltage source (l), one or more trap circuits or LC cells (LiCi, L2C2, L3C3,......), a minimum of two contacts, relays or dimmers (5), a rectifier bridge (2) and possibly a voltage regulator (3) or a DC-DC voltage converter (4).

2. Battery and supercapacitor charger with one or more tank circuits according to claim no. 1, characterized in that, beyond one tank circuit, the LC cells are connected in parallel.

3. Battery and supercapacitor charger with one or more tank circuits according to claims 1 and 2, characterized in that the LC cell or LC cells of the device resonate at the same frequency as that of the alternating voltage source.

4. Battery and supercapacitor charger with one or more tank circuits according to claims 1, 2 and 3, characterized in that one LC cell or several LC cells are connected to the voltage source and then disconnected from it and then connected to the supercapacitor or to the battery to be charged.

5. Battery and supercapacitor charger with one or more tank circuits according to claims 1, 2, 3 and 4, characterized in that no LC cell is simultaneously connected to the voltage source and to the battery or supercapacitor to be charged.