WO2010061116A2 - Dispositif d'alimentation de secours en courant continu d'un système de traitement d'information a au moins un calculateur - Google Patents

Dispositif d'alimentation de secours en courant continu d'un système de traitement d'information a au moins un calculateur Download PDF

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emergency power
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J9/00—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting
    • H02J9/04—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source
    • H02J9/06—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source with automatic change-over, e.g. UPS systems
    • H02J9/061—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source with automatic change-over, e.g. UPS systems for DC powered loads

Definitions

  • the present invention relates to a DC emergency power supply device of an electrical information processing system comprising at least one computer powered at very low voltage. It also relates to an installation comprising such a device.
  • very low voltage is meant a voltage generally referred to as a “safety voltage” that allows an operator to safely handle any electrical component under this voltage. Such a voltage is further generally adapted to the electronic components of an information processing system.
  • TBT TBTS, TBTP, TBTF
  • TBTF Several domains are defined legally in France and in Europe (TBT, TBTS, TBTP, TBTF) but place all the very low voltages under the threshold of 120 V in direct current and under the threshold of 50 V in alternating current.
  • the voltage of an alternating current distributed by an electricity distribution network is generally of the order of 220/230 V which therefore represents a priori a danger for an operator.
  • a voltage of 50 V or less is safe to handle.
  • the transmission data processing systems are generally subjected to a voltage of about 48 V.
  • the on-board components are generally subjected to a DC voltage of about 24 V.
  • a computer-type information processing system is generally subjected to a DC voltage of about 12 V.
  • An information processing system is for example a set of computer servers interconnected in a local area network, thus forming a high-performance computer, generally referred to as an HPC (High Performance Computing) computer.
  • HPC High Performance Computing
  • the AC power network manager may need punctually to offload parts of the network. They generally have a duration equivalent to a few periods of alternating current: for an alternating current of 50 Hertz, a micro-break of ten to twelve periods thus lasts between 200 and 250 milliseconds.
  • the restart of the AC / DC converter after a micro-cut can also take 100 to 200 milliseconds, which gives a micro-cut, seen from the electrical system, can last up to 450 milliseconds.
  • Installations comprising an electrical information processing system, sensitive to mains micro-cuts, generally provide an uninterruptible power supply device that provides a stable power supply and free of micro-cuts, although occur on the AC power network.
  • This uninterruptible power supply is generally connected directly to the power supply network and therefore comprises a rectifier for converting the alternating current into direct current. It is furthermore provided with an energy storage device, such as a storage battery or a set of supercapacitors, and an inverter for converting the direct current generated by the energy storage device into a device. alternating current. Interleaved between the AC power network and the AC / DC converter of the installation, it is therefore a substitute for the power supply network to supply electrical energy to the electrical system during micro-cuts.
  • Such an uninterruptible power supply device is for example described in the article by Sukumara et al, entitled “Fuel cell based uninterrupted power sources”, published in 1997 International Conference on Power Electronics and Drive Systems Proceedings, vol. 2, pp. 728-733, May 26-29, 1997.
  • the energy storage device may consist of supercapacitors arranged in series for a greater speed of the load of electrical energy.
  • This charging is carried out by a charger powered either by direct current, when the power supply is independent of the supply network or when the alternating current of the supply network has been previously converted into DC power, in which case the charger must have its own AC / DC converter.
  • a storage module charger based on supercapacitors is described.
  • This charger is powered by a power source such as a fuel cell, a battery, or another power source, which can be an AC power source combined with an AC / DC converter.
  • an uninterrupted power supply device such as those mentioned above has a certain bulk. If further strong current is to be provided in discharge situation, it is sometimes necessary to provide the provision of several of these power devices without interruption in parallel.
  • the subject of the invention is therefore a device for back-up power supply of an information processing system to at least one computer supplied with very low voltage whose DC power supply is intended to be connected to a power supply.
  • ac power supply network via a DC AC / DC converter comprising means for storing electrical energy, characterized in that it further comprises:
  • a backup power device has reduced bulk by a better integration with the electrical information processing system that it is intended to supply in case of micro-break.
  • the storage means comprise at least one electrochemical double layer supercapacitor. Also optionally, the storage means comprise at least one supercapacitor circuit arranged in series.
  • each supercapacitor circuit comprises means for compensating for a charge dispersion of the supercapacitors arranged in series.
  • the charge dispersion compensation means comprise circuits for deflecting a charging current of the supercapacitors arranged in series, each deflection circuit being mounted between the terminals of one of the supercapacitors arranged in series. and comprising means for regulating the current flowing through it as a function of a difference between a potential difference measured at the terminals of this supercapacitor and a reference potential difference.
  • the regulation means comprise a field effect MOS transistor whose gate voltage is a function of said difference between the potential difference measured at the terminals of this supercapacitor and the reference potential difference.
  • the discharge means comprise a controller capable of detecting a voltage drop of the direct current supplied by the AC / DC converter and a switch controlled by this controller.
  • the switch comprises a plurality of switches arranged in parallel controlled by the controller, each switch being in particular designed on the basis of a pair of N-MOS field effect transistors arranged head to tail.
  • the controller comprises control logic designed to control successive closures and openings of the switch during a discharge cycle of the storage means, as a function of a minimum threshold voltage of discharge and a maximum threshold voltage of predetermined discharge.
  • the subject of the invention is also an electrical installation intended to be connected to an ac power supply network, comprising a DC AC / DC converter, a control system and a power supply unit. processing information to at least one computer powered by very low voltage connected to this AC / DC converter via a first power supply circuit, a second branch circuit of a portion of the direct current supplied by the AC / DC converter arranged in parallel at the first circuit, and a backup power device as defined previously disposed in the second branch circuit.
  • FIG. 1 schematically represents the general structure of an electrical installation according to one embodiment of the invention
  • FIG. 2 diagrammatically represents a possible distribution, on a support card, of different elements of a backup power device according to the invention
  • FIG. 3 diagrammatically represents the general structure of energy storage means of the emergency power supply device of FIG. 2,
  • FIG. 4 diagrammatically represents the operating logic of a discharge controller of the emergency power supply device of FIG. 2,
  • FIG. 5 illustrates, by a time diagram, an example of operation of the discharge controller whose operating logic is detailed in FIG. 4;
  • FIGS. 6 and 7 illustrate, by time diagrams, an example of operation of the installation of FIG. 1 during a micro-interruption of current of its AC supply network.
  • the electrical installation 10 shown in FIG. 1 is connected to an AC power supply network 12, such as, for example, a network supplying a current at 50 Hz under a voltage of 230 V.
  • the electrical installation 10 comprises an electrical information processing system 14 intended to be supplied with direct current, at an intensity imposed by the electrical system 14 and at a predetermined constant voltage.
  • the electrical system 14 is a set of computer servers forming an HPC computer. It is for example designed to be supplied with 700 A direct current under a substantially constant voltage of 12 V.
  • substantially constant is meant a DC voltage whose variations are sufficiently small around its reference value (in this case 12 V in the application in question) for the electrical system 14 to be able to withstand them without damaging its components.
  • information processing Since the information processing systems, for example of the calculator type, are provided with an internal conversion stage which regulates the current they consume as a function of the input voltage to provide a very regular voltage that can go down.
  • a substantially constant DC voltage of 12 V can vary between 1 1 and 13 V.
  • Such a substantially constant voltage is for example obtained by a regulation of the DC voltage supplied to the electrical system 14. using a maximum threshold voltage and a minimum reference threshold voltage.
  • the electrical installation 10 therefore comprises an AC / DC converter 16 transforming the alternating current at 50 Hz under a voltage of 230 V into a DC current delivered at a voltage of 12 V.
  • the electrical system 14, more particularly its DC power supply is connected to the AC / DC converter 16 by means of a first power supply circuit 18.
  • a second branch circuit 20 of a part of the direct current supplied by the AC / DC converter 16 is arranged parallel to the first circuit 18 between the AC / DC converter 16 and the electrical system 14.
  • This second circuit 20 comprises a device 22 of DC emergency power supply. It therefore allows the emergency power supply device 22 to draw a portion of the DC current delivered for the electrical system 14 by the AC / DC converter 16 in order to store electrical energy, and to provide, in the case of micro cutting of the supply network 12, of the direct current, pulsed from the stored electrical energy, to the electrical system 14.
  • the emergency power supply device 22 is designed to take over from the network supply 12 in the event of a brownout.
  • the emergency power supply device 22 comprises means 24 for storing electrical energy.
  • These storage means 24 may comprise one or more conventional batteries.
  • Accumulator batteries generally have a good ratio of stored energy per unit volume.
  • they have a poor ratio of peak power emitted per unit volume which makes them uncomfortable for applications where the electrical system 14 is consuming a high intensity direct current. This is particularly the case when the electrical system 14 is an HPC computer since a direct current of 700 A may be necessary.
  • the means 24 for storing electrical energy advantageously comprise at least one supercapacitor, preferably at least one supercapacitor circuit arranged in series, whose peak power ratio emitted per unit volume is much higher. This peak power can not, however, be emitted over a long period, but it is more than enough to overcome the micro-cuts of a good AC power supply network, which generally do not exceed a few hundred milliseconds.
  • the means 24 for storing electrical energy with supercapacitors will be detailed with reference to FIG. 3.
  • Supercapacitors are generally of the EDLC (Electrochemical Double Layer Capacitor) type, that is to say, designed according to FIG. electrochemical double layer process. They have a much lower internal resistance than batteries.
  • the supercapacitor electrical energy storage means 24 can be modeled by a parallel RC type circuit (ie circuit comprising a resistor and a capacitor in parallel), connected on the one hand to ground and on the other hand to the second circuit. 20, resistance R and capacitance C.
  • the backup power supply device 22 further comprises means 26 for charging the means 24 for storing electrical energy from a portion of the direct current supplied by the AC / DC converter 16 to the power supply of the electrical system 14.
  • These charging means 26 consist of a conventional supercapacitor charger and will therefore not be detailed. They make it possible to charge the means 24 for storing electrical energy in a few minutes, in general not more than three minutes, thereby disturbing the operation of the electrical system 14 to a minimum.
  • the emergency power supply device 22 also comprises means 28, 30 of discharge of the energy stored in the means 24 for storing electrical energy to the power supply of the electrical system 14, at a given intensity (imposed by the electrical system 14) and a predetermined constant voltage, following the detection a micro-power cut of the supply network 12.
  • These discharge means comprise a switch 28 controlled by a controller 30.
  • the switch 28 comprises for example at least one pair of N-MOS field effect transistors arranged head to tail in series. This pairwise arrangement makes it possible to isolate the supercapacitors from the means 24 for storing electrical energy from the electrical system 14, whatever the voltage at the terminals of the supercapacitors and of the electrical system 14. Moreover, if at the moment of discharge the current to pass through the switch 28 is greater than can support such a pair of transistors, several pairs of transistors arranged in parallel, controlled by the same controller 30, can be provided to form the switch 28.
  • the switch 28 is illustrated in FIG. 1 by an ideal switch to which an internal resistor 32 is associated.
  • the operation of the controller 30 will be detailed with reference to FIGS. 4 to 7. It is especially designed to be able to detect a micro-cut of the network. supply 12 as soon as the value of the voltage supplied to the electrical system falls below a predetermined threshold voltage.
  • the direct current of 700 A supplied by the AC / DC converter 16 to the power supply of the electrical system 14 has, for example, a voltage of 12 V on the first circuit 18.
  • the current drawn by the second circuit 20 therefore has a priori this same voltage of 12 V.
  • this higher voltage required may be close to 15 volts.
  • the switch 28 is composed of field effect MOS transistors which must feed the gate, the controller 30 must generally provide a voltage greater than 20 volts.
  • a voltage booster 34 of conventional type is provided upstream of the charger 26 and the controller 30 in the second circuit 20, to raise the voltage from 12 V to 21 V for example.
  • two different voltage boosters could be envisaged, one for the charger 26, the other for the controller 30, since the voltages they need are not the same.
  • the backup power supply 22 operates as follows: - when the electrical system 14 is supplied with direct current by the AC / DC converter 16, part of this current is diverted by the second circuit 20 for charging the means 24 for storing electrical energy, as long as these are not yet fully charged,
  • the controller 30 controls the closing of the switch 28 so that the means 24 for storing electrical energy take over from the supply network
  • the emergency power supply device 22 therefore advantageously comprises additional means 36 for storing electrical energy, for example consisting of simple capacitors, called smoothing capacitors, arranged in parallel at the output of the switch 28.
  • the additional means 36 for storing electrical energy can, as the storage means 24 to supercapacitors, be modeled by a parallel RC type circuit connected on the one hand to ground and secondly to the second circuit 20 at the output of switch 28, resistance r and capacitance c.
  • about twenty smoothing capacitors may be arranged at the output of the switch 28, for a resistance r of 0.5 m ⁇ and a capacity c of 0.01 F. Thanks to these additional means 36 of storage of electrical energy, the emergency power supply 22 operates more precisely as follows:
  • the emergency power supply device 22, with its charger 26, its controller 30, its voltage booster 34, its switch 28, and its storage means 24 and 36, is mounted on a support card and having a resistor internal 38 for example equal to 0.1 m ⁇ .
  • This card, bearing the reference 40, comprises the aforementioned elements in a schematic distribution illustrated in FIG.
  • the second circuit 20 In a 12 V DC supply from a 230 V alternating current via the first circuit 18, the second circuit 20 is also connected to the first circuit 18 so that it can charge the power supply device 22. This charging is carried out by a direct current consumption generally ranging between 0.5 and 18 A.
  • the second circuit 20 also allows the controller 30 to take the value of the voltage from the mains voltage. direct current supplied by the AC / DC converter 16 so as to detect a possible failure, by the appearance of a micro-break, of the supply network 12.
  • the voltage booster 34 for example a switching DC / DC converter, enhances the voltage of the direct current supplied by the second circuit 20 in a direct current at 21 V intensity between 0 and 9 A depending on the device
  • the charger 26 in turn provides the means 24 for storing electrical energy a direct current whose intensity varies between 0 and 12 A depending on whether the device 22 of backup power is load situation or not.
  • the means 24 for storing electrical energy can provide a current of 700 A for example at most 480 ms under a voltage of about 12 V always at least greater than a predetermined limit for example fixed at 1 1 V.
  • the means 24 for storing electrical energy comprise at least one circuit of six supercapacitors arranged in series.
  • the means 24 for storing electrical energy comprise at least one circuit of six supercapacitors arranged in series.
  • supercapacitors whose characteristics are as follows: a capacity equal to 600 F, an internal resistance equal to 0.83 m ⁇ and a maximum potential difference supported across the supercapacitor of 2.7 V.
  • V (V 0 - IT / C) - RI, (1)
  • V 0 the charging voltage to be supplied by the charger 26
  • I 700 A the current delivered by the circuit
  • T 480 ms the maximum time of discharge.
  • the second circuit 20 Taking into account, in addition, the internal resistance of the means 24 for storing electrical energy, it is thus possible for the second circuit 20 to deliver a current of 700 A under a substantially constant voltage, that is to say always between 1 1 and 13 V, in a situation of discharge of the device 22 of emergency power supply during a maximum micro-cutoff time, including the restart of the AC / DC converter 16, 480 ms. It will also be noted that means 24 for storing electrical energy having these Equivalent resistance and capacity parameters using supercapacitors can be loaded in less than three minutes by the charger 26.
  • FIG. 2 illustrates the duplication of the circuit of six supercapacitors in the means 24 for storing electrical energy. It is also possible, for practical reasons, to duplicate the voltage booster 34, the charger 26, the controller 30 and the switch 28.
  • the switch 28 has six pairs of transistors.
  • any of the supercapacitor circuits of the electrical energy storage means 24 is for example of a structure conforming to that illustrated in FIG.
  • each supercapacitors Ci, C 2 , C 3 , C 4 , C 4 , C 5 and C 6 are arranged in series between the ground and the second circuit 20 at the output of the charger 26.
  • the voltage (V 6 - V 0 ) at its terminals increases up to the maximum value of 14.8 V.
  • the six supercapacitors are strictly identical, the charge is distributed homogeneously in each of them, thus not locally exceeding the 2.7 V supported by each supercapacitor.
  • a dispersion of the parameters of the supercapacitors is inevitable by manufacture so that variations of the order of 20% can be reached from one supercapacitor to the other, in particular on their capacity.
  • the six supercapacitors do not charge at the same speed and the potential differences at their respective terminals (V 6 - V 5 ), (V 5 - V 4 ), ( V 4 - V 3 ), (V 3 - V 2 ), (V 2 - V 1 ), (V 1 - V 0 ) increase at different speeds during a charging cycle: some may thus exceed the maximum tolerable value of 2.7 V by the corresponding supercapacitors while the charge is theoretically not completely complete.
  • each circuit of deviation comprises means for regulating the current flowing through it as a function of a difference between a potential difference measured across the terminals of the corresponding supercapacitor and a reference potential difference.
  • a first deflection circuit 42i is provided at the terminals of the first supercapacitor Ci. It is characterized by a resistor n and comprises a field-effect MOS transistor Ti whose gate voltage makes it possible to adjust the portion of the charging current which is deviated in the deflection circuit 42 ! to accelerate or brake the charge of the supercapacitor Ci. Indeed, the higher the gate voltage of the transistor T 1 , the higher the charge current passes easily into the first deflection circuit 42 1 and less the supercapacitor Ci is charged quickly.
  • the gate voltage of the transistor T 1 is advantageously provided by a comparator CP 1 providing at each instant the value of the difference between the actual potential difference (V 1 - V 0 ) between the terminals of the first supercapacitor C 1 and the ideal potential difference (V 6 - V 0 ) / 6 that should be measured across the first supercapacitor C 1 if all the supercapacitors were charging at the same speed.
  • This comparator CP 1 can be realized using a subtractor-mounted operational amplifier whose positive input is at voltage V 1 (taken from the upper potential terminal of the first supercapacitor) and whose negative input is connected. at voltages V 0 (taken from the lower potential terminal of the first supercapacitor) and (V 6 - V 0 ) / 6.
  • This subtractor assembly is conventional and therefore will not be detailed.
  • the voltage (V 6 - V 0 ) / 6 is supplied by a voltage divider 44 taking the voltage across the circuit of six supercapacitors and dividing it by six.
  • the compensation means described above thus make it possible to ensure a homogeneous charge of the six capacitors of each circuit of the means 24 for storing electrical energy up to the voltage of 14.8 V.
  • This controller 30 has the first function of detecting any voltage drop in the first circuit 18 due to a micro-cut and for a second function of regulating the amount of energy supplied by the means 24 for storing electrical energy in a situation of discharge of the emergency power supply device 22 in the electrical system 14.
  • a first comparator 46 which compares the voltage V taken from the direct current supplied to the electrical system 14 with a minimum reference voltage VL of between 11 and 12 V.
  • the signal t g supplied at the output of this comparator 46 for example to “1” if the voltage V goes below the minimum reference voltage VL and "0" otherwise, is supplied as input to a timer 48.
  • This timer 48 provides a signal st1 maintained at "1" for a predetermined duration for example 25 ms.
  • This logic arrangement enables the controller 30 to activate, with the aid of the switch 28, a discharge of the means 24 for storing electrical energy of the device 22 for the back-up power supply as soon as the voltage V drops below the minimum voltage reference VL and maintain this discharge for a predetermined minimum duration by the timer 48, so as to avoid untimely switching of the switch 28.
  • the controller 30 must also be designed so that the voltage supplied by the emergency power supply device 22 does not exceed a maximum voltage that can be supported by the electrical system 14 of, for example, 13 V.
  • a second comparator 52 which compares the DC voltage V supplied to the electrical system 14 with a maximum reference voltage VH between 12 and 13 V, and outputs a signal rt which momentarily inhibits the discharge of the storage means 24. of electrical energy when this maximum reference voltage VH is exceeded by V.
  • the signal rt supplied at the output of this comparator 52 is for example at “1” if the voltage V remains below the maximum reference voltage VH and at " 0 "otherwise.
  • the second comparator 52 is preferably a hysteresis comparator of the "Schmitt trigger" type whose hysteresis voltage is for example fixed to a low VT value in front of VH.
  • the first comparator 46 could also be a hysteresis comparator of the "Schmitt Trigger" type.
  • the signal st supplied at the output of the logic module OR 50 is identical to the signal st1.
  • this control logic of the controller 30 makes it possible to maintain, by closing and successive openings of the switch 28 during the entire discharge period of the emergency power supply device 22, a voltage supplied. to the electrical system 14 substantially constant, that is to say between 1 1 and 13 V, and not exceeding in particular the maximum value of 13 V, using the reference voltages VL and VH.
  • a voltage supplied. to the electrical system 14 substantially constant, that is to say between 1 1 and 13 V, and not exceeding in particular the maximum value of 13 V, using the reference voltages VL and VH.
  • the voltage supplied by the device 22 of backup power tends to decrease as expected by equation (1).
  • the closures and successive openings of the switch 28 then tend to be spaced until a time t 4 where the switch 28 remains closed as the micro-break continues.
  • the controller 30 controls the opening of the switch 28 and the means 24 for storing electrical energy can again find a maximum load voltage equal to 14.8 V.
  • the total duration of the microcoupage includes the duration of the micro-break as such added to the duration of the delivery. running of the power supply of the electrical system 14 in direct current through the converter
  • ac power supply networks are of good quality (micro-cuts of a few hundred milliseconds) but can also be added in an installation already comprising a power supply device. the state of the art, because of its compactness and low cost.

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Abstract

Ce dispositif (22) d'alimentation de secours en courant continu d'un système (14) de traitement d'information à au moins un calculateur alimenté en très basse tension dont l'alimentation en courant continu est destinée à être raccordée à un réseau (12) d'alimentation en courant alternatif par l'intermédiaire d'un convertisseur AC/DC (16) de courant alternatif en courant continu, comporte des moyens (24) de stockage d'énergie électrique. En outre, il comporte des moyens (26) de charge des moyens (24) de stockage d'énergie électrique à partir d'une partie du courant continu fourni par le convertisseur AC/DC (16) à l'alimentation en très basse tension du système de traitement d'information (14), et des moyens (28, 30) de décharge de l'énergie stockée dans les moyens (24) de stockage d'énergie électrique vers l'alimentation en très basse tension du système de traitement d'information (14), à une très basse tension prédéterminée sensiblement constante, suite à la détection d'une micro¬ coupure de courant du réseau d'alimentation (12).

Description

DISPOSITIF D'ALIMENTATION DE SECOURS EN COURANT CONTINU D'UN SYSTEME DE TRAITEMENT D'INFORMATION A AU MOINS UN CALCULATEUR
La présente invention concerne un dispositif d'alimentation de secours en courant continu d'un système électrique de traitement d'information comportant au moins un calculateur alimenté en très basse tension. Elle concerne également une installation comprenant un tel dispositif.
Plus précisément, elle s'applique à un système de traitement d'information dont l'alimentation en courant continu est destinée à être raccordée à un réseau d'alimentation en courant alternatif par l'intermédiaire d'un convertisseur AC/DC de courant alternatif en courant continu à très basse tension.
On entend par « très basse tension », une tension généralement qualifiée de « tension de sécurité » qui permet à un opérateur de manipuler sans danger tout composant électrique sous cette tension. Une telle tension est en outre généralement adaptée aux composants électroniques d'un système de traitement d'information. Plusieurs domaines sont définis légalement en France et en Europe (TBT, TBTS, TBTP, TBTF) mais placent tous les très basses tensions sous le seuil de 120 V en courant continu et sous le seuil de 50 V en courant alternatif.
La tension d'un courant alternatif distribué par un réseau de distribution d'électricité est en général de l'ordre de 220/230 V ce qui représente donc a priori un danger pour un opérateur. En revanche, il est généralement considéré qu'une tension de 50 V ou moins ne représente pas de danger à la manipulation. Ainsi, dans les applications de télécommunication, les systèmes de traitement des données de transmission sont généralement soumis à une tension d'environ 48 V. En aviation, les composants embarqués sont généralement soumis à une tension continue d'environ 24 V. Enfin, un système de traitement d'information de type calculateur est généralement soumis à une tension continue d'environ 12 V.
Un système de traitement d'information est par exemple un ensemble de serveurs informatiques interconnectés en réseau local, formant ainsi un calculateur à haute performance, généralement qualifié de calculateur HPC (de l'Anglais « High Performance Computing »). Dans ce cas comme dans d'autres applications sensibles (serveur informatique, micro-ordinateur fixe ou portable, station radiofréquence de télécommunication, etc.), il est important que le fonctionnement du système électrique ne soit pas perturbé par des micro-coupures du réseau d'alimentation en courant alternatif. En effet, de telles micro-coupures, même lorsqu'elles ne durent que quelques centaines de millisecondes, peuvent engendrer des erreurs de calcul, des pertes de données ou des dysfonctionnements très pénalisants du calculateur HPC.
Pourtant, de telles micro-coupures sont assez fréquentes, le gestionnaire du réseau d'alimentation en courant alternatif pouvant avoir besoin ponctuellement de délester des parties du réseau. Elles ont en général une durée équivalente à quelques périodes du courant alternatif : pour un courant alternatif de 50 Hertz, une micro-coupure de dix à douze périodes dure ainsi entre 200 et 250 millisecondes. En outre, le redémarrage du convertisseur AC/DC suite à une micro-coupure peut prendre lui aussi 100 à 200 millisecondes, ce qui donne une micro-coupure, vue du système électrique, pouvant durer jusqu'à 450 millisecondes.
Les installations comportant un système électrique de traitement d'information, de type sensible aux micro-coupures du réseau, prévoient généralement un dispositif d'alimentation sans interruption qui permet de fournir une alimentation électrique stable et dépourvue de micro-coupures, quoi qu'il se produise sur le réseau d'alimentation en courant alternatif. Cette alimentation sans interruption est généralement reliée directement au réseau d'alimentation et comporte de ce fait un redresseur pour une conversion du courant alternatif en courant continu. Elle est en outre munie d'un dispositif de stockage d'énergie, tel qu'une batterie d'accumulateurs ou un ensemble de supercondensateurs, et d'un onduleur pour convertir le courant continu généré par le dispositif de stockage d'énergie en un courant alternatif. Intercalée entre le réseau d'alimentation en courant alternatif et le convertisseur AC/DC de l'installation, elle vient donc se substituer au réseau d'alimentation pour fournir de l'énergie électrique au système électrique lors des micro-coupures. Un tel dispositif d'alimentation sans interruption est par exemple décrit dans l'article de Sukumara et al, intitulé « Fuel cell based uninterrupted power sources », publié dans 1997 International Conférence on Power Electronics and Drive Systems Proceedings, vol. 2, pages 728-733, 26-29 mai 1997.
Comme divulgué dans la demande de brevet Européen publiée sous le numéro EP 1 639 684, le dispositif de stockage d'énergie peut être constitué de supercondensateurs disposés en série pour une plus grande rapidité de la charge en énergie électrique. Cette charge est réalisée par un chargeur alimenté soit en courant continu, lorsque l'alimentation est indépendante du réseau d'alimentation ou lorsque le courant alternatif du réseau d'alimentation a été préalablement converti en courant continu, soit en courant alternatif, auquel cas le chargeur doit comporter son propre convertisseur AC/DC.
Plus précisément, dans la demande de brevet Européen publiée sous le numéro EP 1 661 226, un chargeur de module de stockage à base de supercondensateurs est décrit. Ce chargeur est alimenté par une source d'énergie telle qu'une pile à combustible, une batterie, ou une autre source d'énergie, pouvant notamment être une source de courant alternatif combinée à un convertisseur AC/DC.
Dans tous les cas, un dispositif d'alimentation sans interruption tel que ceux précités présente un certain encombrement. Si en outre un fort courant doit être fourni en situation de décharge, il est parfois nécessaire de prévoir la disposition de plusieurs de ces dispositifs d'alimentation sans interruption en parallèle.
Il peut donc être souhaité de prévoir un dispositif d'alimentation de secours en courant continu qui permette de s'affranchir d'au moins une partie des problèmes et contraintes précités.
L'invention a donc pour objet un dispositif d'alimentation de secours en courant continu d'un système de traitement d'information à au moins un calculateur alimenté en très basse tension dont l'alimentation en courant continu est destinée à être raccordée à un réseau d'alimentation en courant alternatif par l'intermédiaire d'un convertisseur AC/DC de courant alternatif en courant continu, comportant des moyens de stockage d'énergie électrique, caractérisé en ce qu'il comporte en outre :
- des moyens de charge des moyens de stockage d'énergie électrique à partir d'une partie du courant continu fourni par le convertisseur AC/DC à l'alimentation en très basse tension du système de traitement d'information, et
- des moyens de décharge de l'énergie stockée dans les moyens de stockage d'énergie électrique vers l'alimentation en très basse tension du système de traitement d'information, à une très basse tension prédéterminée sensiblement constante, suite à la détection d'une micro- coupure de courant du réseau d'alimentation.
En effet, en étant conçu pour se charger directement à l'aide du courant fourni par le convertisseur AC/DC du système électrique et se décharger directement vers l'alimentation en courant continu du système électrique, un dispositif d'alimentation de secours selon l'invention présente un encombrement réduit par une meilleure intégration avec le système électrique de traitement d'information qu'il est destiné à alimenter en cas de micro-coupure.
De façon optionnelle, les moyens de stockage comportent au moins un supercondensateur à double couche électrochimique. De façon optionnelle également, les moyens de stockage comportent au moins un circuit de supercondensateurs disposés en série.
De façon optionnelle également, chaque circuit de supercondensateurs comporte des moyens de compensation d'une dispersion de charge des supercondensateurs disposés en série. De façon optionnelle également, les moyens de compensation d'une dispersion de charge comportent des circuits de déviation d'un courant de charge des supercondensateurs disposés en série, chaque circuit de déviation étant monté entre les bornes de l'un des supercondensateurs disposés en série et comportant des moyens de régulation du courant qui le traverse en fonction d'une différence entre une différence de potentiel mesurée aux bornes de ce supercondensateur et une différence de potentiel de référence.
De façon optionnelle également, les moyens de régulation comportent un transistor MOS à effet de champ dont la tension de grille est fonction de ladite différence entre la différence de potentiel mesurée aux bornes de ce supercondensateur et la différence de potentiel de référence.
De façon optionnelle également, les moyens de décharge comportent un contrôleur apte à détecter une baisse de tension du courant continu fourni par le convertisseur AC/DC et un commutateur commandé par ce contrôleur.
De façon optionnelle également, le commutateur comporte plusieurs interrupteurs disposés en parallèle commandés par le contrôleur, chaque interrupteur étant notamment conçu sur la base d'une paire de transistors N-MOS à effet de champ disposés tête-bêche.
De façon optionnelle également, le contrôleur comporte une logique de commande conçue pour commander des fermetures et ouvertures successives du commutateur pendant un cycle de décharge des moyens de stockage, en fonction d'une tension seuil minimale de décharge et d'une tension seuil maximale de décharge prédéterminées.
Enfin, l'invention a également pour objet une installation électrique destinée à être raccordée à un réseau d'alimentation en courant alternatif, comportant un convertisseur AC/DC de courant alternatif en courant continu, un système de traitement d'information à au moins un calculateur alimenté en très basse tension raccordé à ce convertisseur AC/DC via un premier circuit d'alimentation, un second circuit de dérivation d'une partie du courant continu fourni par le convertisseur AC/DC disposé parallèlement au premier circuit, et un dispositif d'alimentation de secours tel que défini précédemment disposé dans ce second circuit de dérivation.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement la structure générale d'une installation électrique selon un mode de réalisation de l'invention,
- la figure 2 représente schématiquement une répartition possible, sur une carte formant support, de différents éléments d'un dispositif d'alimentation de secours selon l'invention,
- la figure 3 représente schématiquement la structure générale de moyens de stockage d'énergie du dispositif d'alimentation de secours de la figure 2,
- la figure 4 représente schématiquement la logique de fonctionnement d'un contrôleur de décharge du dispositif d'alimentation de secours de la figure 2,
- la figure 5 illustre, par un diagramme temporel, un exemple de fonctionnement du contrôleur de décharge dont la logique de fonctionnement est détaillée sur la figure 4,
- les figures 6 et 7 illustrent, par des diagrammes temporels, un exemple de fonctionnement de l'installation de la figure 1 pendant une micro-coupure de courant de son réseau d'alimentation en courant alternatif. L'installation électrique 10 représentée sur la figure 1 est raccordée à un réseau 12 d'alimentation en courant alternatif, tel que par exemple un réseau délivrant un courant à 50 Hz sous une tension de 230 V.
L'installation électrique 10 comporte un système électrique 14 de traitement d'information destiné à être alimenté en courant continu, à une intensité imposée par le système électrique 14 et à une tension prédéterminée sensiblement constante. A titre purement illustratif, le système électrique 14 est un ensemble de serveurs informatiques formant un calculateur HPC. Il est par exemple conçu pour être alimenté en courant continu de 700 A sous une tension sensiblement constante de 12 V. Par « sensiblement constante », on entend une tension continue dont les variations sont suffisamment faibles autour de sa valeur de référence (en l'occurrence 12 V dans l'application considérée) pour que le système électrique 14 puisse les supporter sans dommage pour ses composants de traitement d'information. Etant donné que les systèmes de traitement d'information, par exemple de type calculateurs, sont munis d'un étage de conversion interne qui régule le courant qu'ils consomment en fonction de la tension d'entrée pour fournir une tension très régulière pouvant descendre jusqu'à 1 V, des variations de 10 à 15 % autour de la valeur de référence de la tension continue dite sensiblement constante fournie en entrée de ces systèmes sont acceptables. Ainsi par exemple, il est acceptable de considérer qu'une tension continue sensiblement constante de 12 V puisse varier entre 1 1 et 13 V. Une telle tension sensiblement constante est par exemple obtenue par une régulation de la tension continue fournie au système électrique 14 à l'aide d'une tension seuil maximale et d'une tension seuil minimale de référence.
Pour assurer cette alimentation, l'installation électrique 10 comporte donc un convertisseur AC/DC 16 transformant le courant alternatif à 50 Hz sous une tension de 230 V en un courant continu délivré sous une tension de 12 V. Le système électrique 14, plus particulièrement son alimentation en courant continu, est relié au convertisseur AC/DC 16 à l'aide d'un premier circuit d'alimentation 18.
Un second circuit de dérivation 20 d'une partie du courant continu fourni par le convertisseur AC/DC 16 est disposé parallèlement au premier circuit 18 entre le convertisseur AC/DC 16 et le système électrique 14. Ce second circuit 20 comporte un dispositif 22 d'alimentation de secours en courant continu. Il permet donc, au dispositif d'alimentation de secours 22, de puiser une partie du courant continu délivré pour le système électrique 14 par le convertisseur AC/DC 16 afin de stocker de l'énergie électrique, et de fournir, en cas de micro-coupure du réseau d'alimentation 12, du courant continu, puisé à partir de l'énergie électrique stockée, au système électrique 14. En d'autres termes, le dispositif d'alimentation de secours 22 est conçu pour prendre le relais du réseau d'alimentation 12 en cas de microcoupure.
Le dispositif d'alimentation de secours 22 comporte des moyens 24 de stockage d'énergie électrique. Ces moyens de stockage 24 peuvent comporter une ou plusieurs batteries classiques. Les batteries d'accumulateurs présentent généralement un bon rapport d'énergie stockée par unité de volume. En revanche, elles présentent un mauvais rapport de puissance crête émise par unité de volume ce qui les rend peu avantageuses pour des applications où le système électrique 14 est consommateur d'un courant continu de forte intensité. C'est le cas notamment lorsque le système électrique 14 est un calculateur HPC puisqu'un courant continu de 700 A peut être nécessaire. Dans ce cas, les moyens 24 de stockage d'énergie électrique comportent avantageusement au moins un supercondensateur, de préférence au moins un circuit de supercondensateurs disposés en série, dont le rapport de puissance crête émise par unité de volume est nettement supérieur. Cette puissance crête ne peut cependant pas être émise pendant une durée trop longue, mais c'est largement suffisant pour pallier les micro-coupures d'un réseau d'alimentation en courant alternatif de bonne qualité, celles-ci ne dépassant généralement pas quelques centaines de millisecondes.
Les moyens 24 de stockage d'énergie électrique à supercondensateurs seront détaillés en référence à la figure 3. Les supercondensateurs sont généralement de type EDLC (de l'Anglais « Electrochemical Double Layer Capacitor »), c'est-à-dire conçus selon le procédé de double couche électrochimique. Ils présentent une résistance interne nettement inférieure à celle des batteries. Les moyens 24 de stockage d'énergie électrique à supercondensateurs peuvent être modélisés par un circuit de type RC parallèle (i.e. circuit comportant une résistance et un condensateur en parallèle), relié d'une part à la masse et d'autre part au second circuit 20, de résistance R et de capacité C.
Le dispositif d'alimentation de secours 22 comporte en outre des moyens 26 de charge des moyens 24 de stockage d'énergie électrique à partir d'une partie du courant continu fourni par le convertisseur AC/DC 16 à l'alimentation du système électrique 14. Ces moyens de charge 26 sont constitués d'un chargeur de supercondensateurs classique et ne seront donc pas détaillés. Ils permettent de charger les moyens 24 de stockage d'énergie électrique en quelques minutes, en général pas plus de trois minutes, perturbant ainsi assez peu le fonctionnement du système électrique 14. Le dispositif d'alimentation de secours 22 comporte aussi des moyens 28, 30 de décharge de l'énergie stockée dans les moyens 24 de stockage d'énergie électrique vers l'alimentation du système électrique 14, à une intensité donnée (imposée par le système électrique 14) et une tension prédéterminée sensiblement constante, suite à la détection d'une micro-coupure de courant du réseau d'alimentation 12. Ces moyens de décharge comportent un commutateur 28 commandé par un contrôleur 30. Le commutateur 28 comprend par exemple au moins une paire de transistors N-MOS à effet de champ disposés tête-bêche en série. Cette disposition par paire permet d'isoler les supercondensateurs des moyens 24 de stockage d'énergie électrique du système électrique 14, quelle que soit la tension aux bornes des supercondensateurs et du système électrique 14. Par ailleurs, si au moment de la décharge le courant destiné à traverser le commutateur 28 est supérieur à ce que peut supporter une telle paire de transistors, plusieurs paires de transistors disposées en parallèle, commandées par le même contrôleur 30, peuvent être prévues pour former le commutateur 28.
Le commutateur 28 est illustré sur la figure 1 par un interrupteur idéal auquel est associée une résistance interne 32. Le fonctionnement du contrôleur 30 sera détaillé en référence aux figures 4 à 7. Il est notamment conçu pour pouvoir détecter une micro-coupure du réseau d'alimentation 12 dès que la valeur de la tension fournie au système électrique devient inférieure à une tension seuil prédéterminée.
Comme indiqué précédemment, le courant continu de 700 A fourni par le convertisseur AC/DC 16 à l'alimentation du système électrique 14 présente par exemple une tension de 12 V sur le premier circuit 18. Le courant prélevé par le second circuit 20 présente donc a priori cette même tension de 12 V. Cependant, pour qu'en cas de micro-coupure les moyens 24 de stockage d'énergie électrique puissent fournir un courant continu au système électrique 14 à cette même tension de 12 Volts, il est nécessaire que ceux-ci soient chargés à une tension supérieure, à cause notamment de la résistance interne des moyens 24 de stockage d'énergie électrique et de celle du commutateur 28. Par exemple, cette tension supérieure nécessaire peut être voisine de 15 Volts. En outre, du fait que le commutateur 28 est composé de transistors MOS à effet de champ dont il faut alimenter la grille, le contrôleur 30 doit fournir en général une tension supérieure à 20 Volts.
Pour ces raisons, un rehausseur de tension 34 de type classique est fourni en amont du chargeur 26 et du contrôleur 30 dans le second circuit 20, pour rehausser la tension de 12 V à 21 V par exemple. Selon une autre variante, deux rehausseurs de tension différents pourraient être envisagés, l'un pour le chargeur 26, l'autre pour le contrôleur 30, puisque les tensions dont ils ont besoin ne sont pas les mêmes. Le dispositif d'alimentation de secours 22 fonctionne de la façon suivante : - lorsque le système électrique 14 est alimenté en courant continu par le convertisseur AC/DC 16, une partie de ce courant est détournée par le second circuit 20 pour charger les moyens 24 de stockage d'énergie électrique, tant que ceux-ci ne sont pas encore complètement chargés,
- lorsqu'une micro-coupure est détectée par le contrôleur 30, celui-ci commande la fermeture du commutateur 28 pour que les moyens 24 de stockage d'énergie électrique prennent le relais du réseau d'alimentation
12 défaillant.
Le temps mis par le commutateur 28 pour se fermer et laisser passer le courant provenant des moyens 24 de stockage d'énergie électrique peut cependant être suffisant pour perturber le fonctionnement du système électrique 14. Le dispositif d'alimentation de secours 22 comporte donc avantageusement des moyens supplémentaires 36 de stockage d'énergie électrique, par exemple constitués de condensateurs simples, dits condensateurs de lissage, disposés en parallèle en sortie du commutateur 28. Les moyens supplémentaires 36 de stockage d'énergie électrique peuvent, comme les moyens de stockage 24 à supercondensateurs, être modélisés par un circuit de type RC parallèle, relié d'une part à la masse et d'autre part au second circuit 20 en sortie du commutateur 28, de résistance r et de capacité c. A titre d'exemple non limitatif, une vingtaine de condensateurs de lissage peuvent être disposés en sortie du commutateur 28, pour une résistance r de 0,5 mΩ et une capacité c de 0,01 F. Grâce à ces moyens supplémentaires 36 de stockage d'énergie électrique, le dispositif d'alimentation de secours 22 fonctionne plus précisément de la façon suivante :
- lorsque le système électrique 14 est alimenté en courant continu par le convertisseur AC/DC 16, une partie de ce courant est détournée pendant une durée limitée par le second circuit 20 pour charger les moyens 24 de stockage d'énergie électrique, tant que ceux-ci ne sont pas encore complètement chargés,
- une petite partie de ce courant est également détournée pendant une durée limitée pour charger les moyens supplémentaires 36 de stockage d'énergie électrique tant que ceux-ci ne sont pas encore complètement chargés,
- lorsqu'une micro-coupure est détectée par le contrôleur 30, celui-ci commande la fermeture du commutateur 28,
- entre le début de la micro-coupure et la fermeture effective du commutateur 28, une partie de l'énergie électrique accumulée dans les moyens supplémentaires 36 de stockage d'énergie est transmise au système électrique 14, et
- lorsque le commutateur 28 est effectivement fermé, les moyens 24 de stockage d'énergie électrique prennent le relais du réseau d'alimentation 12 défaillant.
On comprendra qu'il n'est pas utile de prévoir des supercondensateurs dans les moyens supplémentaires 36 de stockage d'énergie électrique puisqu'ils ne sont destinés à fournir leur énergie stockée que pendant un très court temps de transition de l'ordre de quelques microsecondes, nettement inférieur à la durée de la micro- coupure.
Concrètement, le dispositif d'alimentation de secours 22, avec son chargeur 26, son contrôleur 30, son rehausseur de tension 34, son commutateur 28, et ses moyens de stockage 24 et 36, est monté sur une carte formant support et présentant une résistance interne 38 égale par exemple à 0,1 mΩ. Cette carte, portant la référence 40, comporte les éléments précités selon une répartition schématique illustrée sur la figure 2.
Alors que le système électrique 14 est alimenté par le convertisseur AC/DC
16 en courant continu de 12 V à partir d'un courant alternatif à 230 V via le premier circuit 18, le second circuit 20 est lui aussi raccordé au premier circuit 18 de sorte qu'il permet une charge du dispositif 22 d'alimentation de secours à l'aide de ce courant continu de 12 V. Cette charge se fait par une consommation de courant continu comprise généralement entre 0,5 et 18 A. Le second circuit 20 permet aussi au contrôleur 30 de prélever la valeur de la tension du courant continu fourni par le convertisseur AC/DC 16 de manière à pouvoir détecter une éventuelle défaillance, par l'apparition d'une micro-coupure, du réseau d'alimentation 12.
Le rehausseur de tension 34, par exemple un convertisseur DC/DC à découpage, rehausse la tension du courant continu fourni par le second circuit 20 en un courant continu à 21 V d'intensité comprise entre 0 et 9 A selon que le dispositif
22 d'alimentation de secours est en situation de charge ou non. Ce courant alimente le contrôleur 30 et le chargeur 26.
Le chargeur 26 fournit à son tour aux moyens 24 de stockage d'énergie électrique un courant continu dont l'intensité varie entre 0 et 12 A selon que le dispositif 22 d'alimentation de secours est en situation de charge ou non.
Il convient de dimensionner les moyens 24 de stockage d'énergie électrique de sorte qu'en situation de décharge, ils puissent fournir un courant de 700 A pendant par exemple au plus 480 ms sous une tension d'environ 12 V toujours au moins supérieure à une limite prédéterminée par exemple fixée à 1 1 V.
De façon concrète, les moyens 24 de stockage d'énergie électrique comportent au moins un circuit de six supercondensateurs disposés en série. Pour des dimensions acceptables, il est possible de trouver des supercondensateurs dont les caractéristiques sont les suivantes : une capacité égale à 600 F, une résistance interne égale à 0,83 mΩ et une différence de potentiel maximale supportée aux bornes du supercondensateur de 2,7 V. Ainsi, un circuit de six supercondensateurs disposés en série présente une capacité équivalente C = 100 F et une résistance interne équivalente R = 4,98 mΩ. On montre que l'évolution de la tension du courant délivré par un tel circuit pendant la décharge de ses supercondensateurs vérifie l'équation suivante :
V = ( V0 - IT / C ) - RI, (1 ) où V0 est la tension de charge que doit délivrer le chargeur 26, I = 700 A le courant délivré par le circuit, T = 480 ms le temps maximal de décharge.
On voit que, sous ces conditions, pour que la tension V du courant délivré par le circuit soit toujours supérieure à 1 1 V, il faut que la tension de charge V0 soit au moins de 17,85 V. Or la différence de potentiel maximale supportée aux bornes des six condensateurs précités est de 6x2,7 V = 16,2 V. Il apparaît donc qu'un seul circuit de six condensateurs ne suffit pas.
En prévoyant deux circuits de six condensateurs tels que ceux précités, disposés en parallèle, on conçoit des moyens 24 de stockage d'énergie électrique dont la capacité équivalente C vaut 200 F et la résistance interne équivalente R vaut 2,49 mΩ. Sous ces nouvelles conditions, pour que la tension V du courant délivré par les moyens 24 de stockage d'énergie électrique soit toujours supérieure à 1 1 V, il faut que la tension de charge V0 soit au moins de 14,42 V. En pratique, la chute de tension aux bornes du commutateur 28 impose une tension de charge légèrement supérieure, par exemple égale à V0 = 14,8 V. En tenant compte en outre de la résistance interne des moyens 24 de stockage d'énergie électrique, il est ainsi possible pour le second circuit 20 de délivrer un courant de 700 A sous une tension sensiblement constante, c'est-à-dire toujours comprise entre 1 1 et 13 V, en situation de décharge du dispositif 22 d'alimentation de secours, pendant une durée maximale de micro-coupure, incluant le redémarrage du convertisseur AC/DC 16, de 480 ms. On notera aussi que des moyens 24 de stockage d'énergie électrique présentant ces paramètres de résistance et capacité équivalentes à l'aide de supercondensateurs peuvent être chargés en moins de trois minutes par le chargeur 26.
La figure 2 illustre la duplication du circuit de six supercondensateurs dans les moyens 24 de stockage d'énergie électrique. Il est également possible, pour des raisons pratiques, de dupliquer le rehausseur de tension 34, le chargeur 26, le contrôleur 30 et le commutateur 28.
Enfin, comme indiqué précédemment et comme illustrée sur la figure 2 également, le commutateur 28 peut-être formé de plusieurs paires de transistors MOS disposées en parallèle, de sorte que chacune de ses paires de transistors MOS ne supporte qu'une fraction de l'intensité du courant I = 700 A fourni en situation de décharge des moyens 24 de stockage d'énergie électrique. Par exemple, le commutateur 28 comporte six paires de transistors.
L'un quelconque des circuits de supercondensateurs des moyens 24 de stockage d'énergie électrique est par exemple d'une structure conforme à celle illustrée sur la figure 3.
Selon cette structure, six supercondensateurs Ci, C2, C3, C4, C4, C5 et C6 sont disposés en série entre la masse et le second circuit 20 en sortie du chargeur 26. Au cours d'une charge de ce circuit de six supercondensateurs, la tension (V6 - V0) à ses bornes augmente jusqu'à la valeur maximale de 14,8 V. Idéalement, si les six supercondensateurs sont strictement identiques, la charge est répartie de façon homogène dans chacun d'entre eux, ne dépassant ainsi pas localement les 2,7 V supportés par chaque supercondensateur. Malheureusement, en réalité une dispersion des paramètres des supercondensateurs est inévitable par fabrication de sorte que des variations de l'ordre de 20 % peuvent être atteintes d'un supercondensateur à l'autre, notamment sur leur capacité. Ainsi, si rien n'est prévu pour compenser cette dispersion, les six supercondensateurs ne se chargent pas à la même vitesse et les différences de potentiel respectives à leurs bornes (V6 - V5), (V5 - V4), (V4 - V3), (V3 - V2), (V2 - V1), (V1 - V0) augmentent à des vitesses différentes pendant un cycle de charge : certaines peuvent ainsi dépasser la valeur maximale supportable de 2,7 V par les supercondensateurs correspondants alors que la charge n'est théoriquement pas complètement terminée.
Il est donc avantageux de prévoir des moyens de compensation d'une dispersion de charge des supercondensateurs. Ces moyens de compensation prévoient la présence d'un circuit de déviation du courant de charge du circuit de six supercondensateurs aux bornes de chaque supercondensateur. Chaque circuit de déviation comporte des moyens de régulation du courant qui le traverse en fonction d'une différence entre une différence de potentiel mesurée aux bornes du supercondensateur correspondant et une différence de potentiel de référence.
Ainsi, un premier circuit de déviation 42i est prévu aux bornes du premier supercondensateur Ci. Il est caractérisé par une résistance n et comporte un transistor MOS à effet de champ Ti dont la tension de grille permet de régler la portion du courant de charge qui est déviée dans le circuit de déviation 42! pour accélérer ou freiner la charge du supercondensateur Ci. En effet, plus la tension de grille du transistor T1 est importante, plus le courant de charge passe facilement dans le premier circuit de déviation 421 et moins le supercondensateur Ci se charge rapidement. Ainsi, la tension de grille du transistor T1 est avantageusement fournie par un comparateur CP1 fournissant à chaque instant la valeur de la différence entre la différence de potentiel réelle (V1 - V0) entre les bornes du premier supercondensateur C1 et la différence de potentiel (V6 - V0)/6 idéale que l'on devrait mesurer aux bornes du premier supercondensateur C1 si tous les supercondensateurs se chargeaient à la même vitesse. Ce comparateur CP1 peut être réalisé à l'aide d'un amplificateur opérationnel monté en soustracteur dont l'entrée positive est à la tension V1 (prélevée à la borne de potentiel supérieur du premier supercondensateur) et dont l'entrée négative est connectée aux tensions V0 (prélevée à la borne de potentiel inférieur du premier supercondensateur) et (V6 - V0)/6. Ce montage en soustracteur est classique et ne sera donc pas détaillé.
De même, des circuits de déviation 422, 423 424, 425 et 426 similaires au circuit 42! , dont les déviations sont réglées par des comparateurs CP2, CP3 CP4, CP5 et CP6 similaires au comparateur CP1, sont prévus aux bornes des supercondensateurs C2, C3 C4, C5 et C6.
Pour tous les comparateurs CP1, CP2, CP3 CP4, CP5 et CP6, la tension (V6 - V0)/6 est fournie par un diviseur de tension 44 prélevant la tension aux bornes du circuit de six supercondensateurs et la divisant par six.
Les moyens de compensation précédemment décrits permettent donc d'assurer une charge homogène des six condensateurs de chaque circuit des moyens 24 de stockage d'énergie électrique jusqu'à la tension de 14,8 V.
La logique de fonctionnement du contrôleur 30 va maintenant être détaillée en référence aux figures 4 et 5.
Ce contrôleur 30 a pour première fonction de détecter toute chute de tension dans le premier circuit 18 due à une micro-coupure et pour seconde fonction de réguler la quantité d'énergie fournie par les moyens 24 de stockage d'énergie électrique en situation de décharge du dispositif 22 d'alimentation de secours dans le système électrique 14.
Il comporte alors un premier comparateur 46 qui compare la tension V prélevée du courant continu fourni au système électrique 14 à une tension minimale de référence VL comprise entre 1 1 et 12 V. Le signal tg fourni en sortie de ce comparateur 46, par exemple à « 1 » si la tension V passe en dessous de la tension minimale de référence VL et à « 0 » sinon, est fourni en entrée d'un temporisateur 48. Ce temporisateur 48 fournit un signal st1 maintenu à « 1 » pendant une durée prédéterminée, par exemple 25 ms. Les signaux tg et st1 sont alors transmis à un module logique « OU » 50 fournissant en sortie le signal st = tg OU st1. Ce montage logique permet au contrôleur 30 d'activer, à l'aide du commutateur 28, une décharge des moyens 24 de stockage d'énergie électrique du dispositif 22 d'alimentation de secours dès que la tension V passe en dessous de la tension minimale de référence VL et de maintenir cette décharge pendant une durée minimale prédéterminée par le temporisateur 48, de manière à éviter des commutations intempestives du commutateur 28.
Le contrôleur 30 doit en outre être conçu pour que la tension fournie par le dispositif 22 d'alimentation de secours ne dépasse pas une tension maximale supportable par le système électrique 14 de par exemple 13 V.
Il comporte alors un second comparateur 52, qui compare la tension continue V fournie au système électrique 14 à une tension maximale de référence VH comprise entre 12 et 13 V, et fournit en sortie un signal rt qui inhibe momentanément la décharge des moyens 24 de stockage d'énergie électrique lorsque cette tension maximale de référence VH est dépassée par V. Le signal rt fourni en sortie de ce comparateur 52 est par exemple à « 1 » si la tension V reste en dessous de la tension maximale de référence VH et à « 0 » sinon. Pour éviter, également dans cette situation, des commutations intempestives du commutateur 28 autour de la tension VH, le second comparateur 52 est de préférence un comparateur à hystérésis de type « Trigger de Schmitt » dont la tension d'hystérésis est par exemple fixée à une valeur VT faible devant VH. Dans une variante de réalisation, le premier comparateur 46 pourrait aussi être un comparateur à hystérésis de type « Trigger de Schmitt ».
L'inhibition de la décharge des moyens 24 de stockage d'énergie électrique par le signal rt est réalisée à l'aide d'un module logique « ET » 54 alimenté par les signaux st et rt et fournissant en sortie le signal s = st ET rt. C'est ce signal s qui permet la commande d'ouverture (s à « O ») ou de fermeture (s à « 1 », situation de décharge du dispositif 22 d'alimentation de secours) du commutateur 28. Plus concrètement, le signal s contrôle les paires de transistors qui constituent le commutateur 28.
Par exemple, comme cela est visible sur la figure 5, lorsqu'à un premier instant t0, alors que le signal s est nul et le commutateur 28 ouvert, la tension V passe en dessous de la valeur VL, le signal tg et le signal st1 passent à la valeur « 1 ». Le signal rt étant initialement à la valeur « 1 », le signal s passe alors à la valeur « 1 » commandant la fermeture du commutateur 28. De cette façon, la tension V peut augmenter par décharge des moyens 24 de stockage d'énergie électrique.
Même si le signal tg repasse à la valeur « 0 » au bout de quelques millisecondes, le signal st1 reste à la valeur « 1 » jusqu'à un instant t3 tel que (t3 - 10) = 25 ms, la durée prédéterminée du temporisateur 48. Dans l'exemple particulier illustré sur cette figure, le signal st fourni en sortie du module logique OU 50 est identique au signal st1 .
Ensuite, lorsqu'à un instant ti la tension V, qui augmente toujours par décharge des moyens 24 de stockage d'énergie électrique, passe au-dessus de la valeur VH+VT/2, le signal rt initialement à la valeur « 1 » passe à la valeur « 0 ». Le signal s passe alors à la valeur « 0 » commandant l'ouverture du commutateur 28. La tension V recommence alors à baisser jusqu'à atteindre la valeur VH-VT/2 à un instant X2. Les signaux rt et s repassent alors à la valeur « 1 » commandant de nouveau la fermeture du commutateur 28.
A plus grande échelle temporelle, on voit sur la figure 6 que cette logique de commande du contrôleur 30 permet de maintenir, par fermetures et ouvertures successives du commutateur 28 pendant toute la durée de décharge du dispositif 22 d'alimentation de secours, une tension fournie au système électrique 14 sensiblement constante, c'est-à-dire entre 1 1 et 13 V, et ne dépassant notamment pas la valeur maximale de 13 V, à l'aide des tensions de référence VL et VH. A plus grande échelle temporelle encore, on voit sur la figure 7 que la tension fournie par le dispositif 22 d'alimentation de secours tend à diminuer comme prévu par l'équation (1 ). Les fermetures et ouvertures successives du commutateur 28 tendent alors à s'espacer jusqu'à un instant t4 où le commutateur 28 reste fermé tant que la micro-coupure perdure. Enfin, à un instant t5, lorsque la micro-coupure est terminée et que le réseau d'alimentation 12 peut de nouveau alimenter le convertisseur AC/DC 16 en courant alternatif, le contrôleur 30 commande l'ouverture du commutateur 28 et les moyens 24 de stockage d'énergie électrique peuvent de nouveau retrouver une tension de charge maximale égale à 14,8 V.
On notera que dans l'exemple détaillé et illustré ci-dessus, la durée totale de la microcoupure, n'excédant généralement pas 480 ms, comporte en fait la durée de la micro-coupure en tant que telle ajoutée à la durée de la remise en marche de l'alimentation du système électrique 14 en courant continu par le convertisseur
AC/DC 16.
Avec les choix technologiques et les paramètres donnés précédemment à titre purement illustratif, on notera qu'il est ainsi possible de concevoir un dispositif d'alimentation de secours très compact, tenant dans un boîtier d'environ 48 cm de longueur par 22 cm de largeur (surface essentiellement due aux dimensions de la carte 40) par 4 cm de hauteur (essentiellement due à la taille des douze supercondensateurs des moyens 24 de stockage d'énergie électrique). II apparaît clairement qu'un dispositif d'alimentation de secours tel que décrit selon le mode de réalisation proposé est compact et apte à être mieux intégré dans tout système électrique devant être protégé contre des micro-coupures que les dispositifs d'alimentation sans interruption connus. Il peut avantageusement être substitué à eux dans des zones géographiques où les réseaux d'alimentation en courant alternatif sont de bonne qualité (micro-coupures de quelques centaines de millisecondes) mais peut aussi être ajouté dans une installation comportant déjà un dispositif d'alimentation de l'état de la technique, du fait de sa compacité et de son faible coût de revient.
Par l'utilisation de supercondensateurs, il présente en outre une très forte réactivité, tant en charge qu'en décharge, pouvant même être combiné à des systèmes électriques exigeant une forte puissance de crête. Un autre avantage des supercondensateurs par rapport aux batteries d'accumulateurs est leur durée de vie nettement supérieure pouvant atteindre quinze ans.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (22) d'alimentation de secours en courant continu d'un système (14) de traitement d'information à au moins un calculateur alimenté en très basse tension dont l'alimentation en courant continu est destinée à être raccordée à un réseau (12) d'alimentation en courant alternatif par l'intermédiaire d'un convertisseur AC/DC (16) de courant alternatif en courant continu, comportant des moyens (24) de stockage d'énergie électrique, caractérisé en ce qu'il comporte en outre :
- des moyens (26) de charge des moyens (24) de stockage d'énergie électrique à partir d'une partie du courant continu fourni par le convertisseur AC/DC (16) à l'alimentation en très basse tension du système de traitement d'information (14), et
- des moyens (28, 30) de décharge de l'énergie stockée dans les moyens (24) de stockage d'énergie électrique vers l'alimentation en très basse tension du système de traitement d'information (14), à une très basse tension prédéterminée sensiblement constante, suite à la détection d'une micro-coupure de courant du réseau d'alimentation (12).
2. Dispositif (22) d'alimentation de secours selon la revendication 1 , dans lequel les moyens de stockage (24) comportent au moins un supercondensateur (Ci,
C2, C3 C4, C5, C6) à double couche électrochimique.
3. Dispositif (22) d'alimentation de secours selon la revendication 2, dans lequel les moyens de stockage (24) comportent au moins un circuit de supercondensateurs (Ci, C2, C3 C4, C5, C6) disposés en série.
4. Dispositif (22) d'alimentation de secours selon la revendication 3, dans lequel chaque circuit de supercondensateurs comporte des moyens (44, CPi, CP2, CP3 CP4, CP5, CP6, 42! , 422, 423 424, 425, 426) de compensation d'une dispersion de charge des supercondensateurs (Ci, C2, C3 C4, C5, C6) disposés en série.
5. Dispositif (22) d'alimentation de secours selon la revendication 4, dans lequel les moyens de compensation d'une dispersion de charge (44, CPi, CP2, CP3 CP4, CP5, CP6, 42! , 422, 423 424, 425, 426) comportent des circuits (42! , 422, 423 424, 425, 426) de déviation d'un courant de charge des supercondensateurs disposés en série (Ci, C2, C3 C4, C5, C6), chaque circuit de déviation étant monté entre les bornes de l'un des supercondensateurs disposés en série et comportant des moyens (Ti, T2, T3 T4, T5, T6) de régulation du courant qui le traverse en fonction d'une différence entre une différence de potentiel mesurée aux bornes de ce supercondensateur et une différence de potentiel de référence.
6. Dispositif (22) d'alimentation de secours selon la revendication 5, dans lequel les moyens de régulation comportent un transistor MOS à effet de champ (T1, T2, T3 T4, T5, T6) dont la tension de grille est fonction de ladite différence entre la différence de potentiel mesurée aux bornes de ce supercondensateur et la différence de potentiel de référence.
7. Dispositif (22) d'alimentation de secours selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les moyens de décharge (28, 30) comportent un contrôleur (30) apte à détecter une baisse de tension du courant continu fourni par le convertisseur AC/DC (16) et un commutateur (28) commandé par ce contrôleur (30).
8. Dispositif (22) d'alimentation de secours selon la revendication 7, dans lequel le commutateur (28) comporte plusieurs interrupteurs disposés en parallèle commandés par le contrôleur (30), chaque interrupteur étant notamment conçu sur la base d'une paire de transistors N-MOS à effet de champ disposés tête-bêche.
9. Dispositif (22) d'alimentation de secours selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le contrôleur (30) comporte une logique de commande (46, 48, 50, 52, 54) conçue pour commander des fermetures et ouvertures successives du commutateur (28) pendant un cycle de décharge des moyens de stockage (24), en fonction d'une tension seuil minimale de décharge et d'une tension seuil maximale de décharge prédéterminées.
10. Installation électrique (10) destinée à être raccordée à un réseau (12) d'alimentation en courant alternatif, comportant un convertisseur AC/DC (16) de courant alternatif en courant continu, un système (14) de traitement d'information à au moins un calculateur alimenté en très basse tension raccordé à ce convertisseur AC/DC (16) via un premier circuit d'alimentation (18), un second circuit (20) de dérivation d'une partie du courant continu fourni par le convertisseur AC/DC (16) disposé parallèlement au premier circuit (18), et un dispositif (22) d'alimentation de secours selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 disposé dans ce second circuit de dérivation (20).
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