OA21983A - Chargeur de batteries ou de supercondensateurs à un ou plusieurs circuits bouchons. - Google Patents

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.

Description

II. DESCRIPTION :

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.

2.2 Etat de la technique :

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.

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.

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.

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.

2.3 Description sommaire

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.

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.

2.4 Description détaillée

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.

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.

Décrivons à présent le fonctionnement de cette version simplifiée du dispositif de l’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.

Deux autres modes simplifiés de réalisation du dispositif de l’invention sont représentés sur les figures 2 et 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.

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.

Les données de la simulation sont les suivantes :

- Source de tension sinusoïdale (1) :

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

- Résistance R

R = 20(1

Cellule L2C2

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

- Supercondensateur C3 C₃ = lOmF

Notations

Ir courant traversant la résistance R

U2 tension aux bornes du condensateur C2, b courant traversant le condensateur C2

U3 tension aux bornes du supercondensateur C₃, I₃ courant traversant le supercondensateur C₃

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 V

I2 max = 60,8 A I2 min = —60,8 A

Phase 2 ( figure 4.2)

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

I2 max = 60,2 A h min = —60,7 A

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 C₃ évoluent très rapidement. En effet

Au début de cette phase nous avons : U₃ max = 0 V et U₃ min = — 17,7 V

I₃ max = 0 A I₃ min = — 133 A.

A la fin de cette phase on a U₃ max = — 19,2 V U₃ min =— 19,3 V

I₃ max = 0 A I₃ min = — 469mA.

En résumé la tension aux bornes de C₃ se stabilise à —19,3 V tandis que I₃ tend vers 0 A

Au niveau du condensateur C2 on observe l’évolution suivante:

au début de la phase 3

A la fin de la phase 3 :

U2 max - 308 V

I2 max = 128 A

U2 max = 22 V b max — 4,04 A

U₂ min = -307 V

I2 min = —57,8 A

U2 min = -21,3 V

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.

phase 7 ( figure 4.7)

Duplicata

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 :

U₃ max = - 48 V U₃ min = - 48,2 V

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.

Les domaines d’applications possibles de l’invention sont assez variés.

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.

Claims (5)

1. l. Chargeur de batteries et de supercondensateurs à un ou plusieurs circuits bouchons comprenant : un circuit formé d’une source de tension (l) alternative sinusoïdale de fréquence fixe, d’un ou de plusieurs circuits bouchons ou cellules LC (LiCi, L2C2, L3C3,......), d’un minimum de deux contacts, relais ou gradateurs (5), d’un pont redresseur (2) et éventuellement d’un régulateur de tension (3) ou d’un convertisseur de tension DC-DC (4).
2. 2. Chargeur de batteries et de supercondensateurs à un ou plusieurs circuits bouchons selon la revendication n°l caractérisé en ce que, au-delà d’un circuits bouchons, les cellules LC sont montées en parallèle.
3. 3. Chargeur de batteries et de supercondensateurs à un ou plusieurs circuits bouchons selon les revendications n°l et 2 caractérisé en ce que la cellule LC ou les cellules LC du dispositif résonnent à la même fréquence que celle de la source de tension alternative.
4. 4. Chargeur de batteries et de supercondensateurs à un ou plusieurs circuits bouchons selon les revendications n°l, 2 et 3 caractérisé en ce qu’une cellule LC ou plusieurs cellules LC sont connectées à la source de tension puis déconnectées de celle-ci et ensuite connectées au supercondensateur ou à la batterie à charger.
5. 5. Chargeur de batteries et de supercondensateurs à un ou plusieurs circuits bouchons selon les revendications n°l, 2, 3 et 4 caractérisé en ce qu’aucune cellule LC, n’est simultanément connectée à la source de tension et à la batterie ou au supercondensateur à charger.