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FR3106447A1 - Element de stockage d’energie electrique et alimentation sauvegardee associee - Google Patents

Element de stockage d’energie electrique et alimentation sauvegardee associee Download PDF

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FR3106447A1
FR3106447A1 FR2000579A FR2000579A FR3106447A1 FR 3106447 A1 FR3106447 A1 FR 3106447A1 FR 2000579 A FR2000579 A FR 2000579A FR 2000579 A FR2000579 A FR 2000579A FR 3106447 A1 FR3106447 A1 FR 3106447A1
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FR
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voltage
resistor
energy storage
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transistor
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FR2000579A
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Stéphane BOCH
Laurent Fuzier
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Slat SAS
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Slat SAS
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Abstract

L’invention concerne un élément de stockage d’énergie électrique (23) comportant :– une première borne (20) destinée à être connectée à une tension continue (Vbatt) ;– une seconde borne (21) destinée à être connectée à une tension de référence (Vref) ; et– au moins un supercondensateur (24) connecté entre ladite première borne  (20) et ladite seconde borne (21) ;ledit au moins un supercondensateur (24) étant connecté en série avec au moins une résistance (25) connectée en parallèle avec des moyens de court-circuit (26) configurés pour court-circuiter ladite au moins une résistance (25) lorsque la tension aux bornes de ladite au moins une résistance (25) est inférieure à une valeur seuil. Figure pour abrégé : Fig 2

Description

ELEMENT DE STOCKAGE D’ENERGIE ELECTRIQUE ET ALIMENTATION SAUVEGARDEE ASSOCIEE
La présente invention concerne un élément de stockage d’énergie électrique ainsi qu’une alimentation sauvegardée intégrant un tel élément de stockage d’énergie électrique.
L’invention vise plus particulièrement un élément de stockage d'énergie destiné à garantir l'alimentation électrique d'une charge. Ainsi, l'invention peut être appliquée dans de multiples domaines pour lesquels il est recherché de se prémunir des coupures de courant. Par exemple, l’invention peut être mise en œuvre pour alimenter des appareils dans des systèmes industriels. Ce type d’appareil électrique peut être un automate de pilotage d’une chaîne de montage, un routeur…
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse pour se prémunir des courtes coupures de courant, c'est-à-dire des coupures de quelques millisecondes à quelques secondes.
ART ANTERIEUR
Pour protéger une charge d’une coupure de courant, il est connu d'utiliser une alimentation sauvegardée, c'est-à-dire une alimentation intégrant au moins un élément de stockage d'énergie permettant d'alimenter la charge lorsque la tension sur le réseau est insuffisante.
De manière classique, tel qu’illustré sur la figure 1 de l’état de la technique, une alimentation sauvegardée100comporte une entrée15de tension alternative, connectée à un réseau électrique d’un bâtiment ou d’une agglomération, et une sortie16de tension continueVsconnectée à un appareil électrique ou charge12à protéger.
L’entrée15est connectée à un premier convertisseur de tension18configuré pour transformer la tension alternative de l’entrée15en une tension continueVbattdont le niveau de tension est adapté à la tension de charge d’un élément de stockage d'énergie230. La tension continueVbattest injectée en entrée d’un second convertisseur de tension19configuré pour transformer la tension continueVbatten une tension continueVsadaptée aux besoins de la charge12. L’élément de stockage d'énergie230est connecté entre cette tension continueVbattet une tension de référenceVref, par exemple la masse.
Tant que l'alimentation du secteur est supérieure à une valeur seuil, l’élément de stockage d'énergie230n'est pas utilisé pour alimenter la charge12, et l'alimentation de la charge12est fournie par le réseau en passant par les deux convertisseurs18-19. Au cours de cette phase, si le niveau de charge de l'élément de stockage d'énergie230est inférieur à la tension continueVbatt, l'élément de stockage d'énergie230est rechargé.
Lorsqu'une coupure de réseau survient, l'élément de stockage d'énergie230est configuré pour fournir l'énergie nécessaire à la charge12. Ainsi, lors de cette phase, l'élément de stockage d'énergie230se décharge progressivement en fonction de la consommation de la charge12.
Il existe plusieurs technologies pour former un élément de stockage d'énergie230. La technologie la plus utilisée met en œuvre une ou plusieurs batteries au lithium-ion240connectées entre deux bornes20-21. Ces batteries au lithium-ion240présentent classiquement un niveau de tension compris entre 13 et 16 V : 13 V correspond à l'état déchargé des batteries, alors que 16 V correspond à l'état complètement chargé des batteries. Ainsi, pour une alimentation sauvegardée100intégrant des batteries au lithium-ion240, telle qu’illustrée sur la figure 1, la tension continueVbattest classiquement de 16 V.
Pour garantir le fonctionnement de l’élément de stockage d'énergie230, l’alimentation sauvegardée100comporte également un organe de supervision17configuré pour tester régulièrement le niveau de charge de l’élément de stockage d'énergie230.
Pour ce faire, l’organe de supervision17commande, par le signalCom, le niveau de tension délivré par le premier convertisseur18de sorte à diminuer la tension délivrée par le premier convertisseur18légèrement en dessous de la tensionVbatt, par exemple à 15,5 V. Avec cette tension de 15,5 V, même si l’élément de stockage d'énergie230est complètement déchargé, le second convertisseur19est capable de fournir le niveau de tensionVsrequis par la charge12. Cette diminution de tension sert à mesurer la tension devant le second convertisseur19, par le signalMes, pour constater si l’élément de stockage d'énergie230est capable de se décharger pour compenser la baisse de tension. L’élément de stockage d'énergie230est considéré comme fonctionnel si, lors d’une diminution de tension à 15,5 V, le signalMesest de 16 V.
Certaines règlementations imposent de réaliser ce test de l’élément de stockage d'énergie230toutes les minutes. Cependant, ce test entraîne un cycle de vieillissement des batteries au lithium-ion240et la répétition de ce test limite la durée de vie des batteries au lithium-ion240, même quand celles-ci ne sont pas effectivement utilisées pour protéger une charge12lors d’une coupure de courant.
En outre, les batteries au lithium-ion240imposent des contraintes importantes de transport. Par exemple, il est complexe de transporter des batteries au lithium-ion240dont la capacité est supérieure à 100watt par heure, car il faut suivre une réglementation spécifique. Par exemple, pour certaines législations, si le poids total du lithium est supérieur à 333kg dans un camion, celui-ci doit utiliser des itinéraires routiers spécifiques, notamment hors des tunnels. Le niveau de charge des batteries au lithium-ion 240 doit également être maîtrisé pour le transport, notamment pour le transport aérien où il doit être inférieur à 30%.
En outre, les batteries au lithium-ion240imposent également des contraintes de stockage. Par exemple, un pack de batteries lithium entreposé doit être rechargé tous les 6 mois.
Pour remédier à ces contraintes, il est possible d’utiliser un élément de stockage d'énergie intégrant un ou plusieurs supercondensateurs.
En effet, bien que les supercondensateurs présentent des durées de sauvegarde de l’alimentation beaucoup plus faibles que les batteries au lithium-ion, typiquement de l’ordre de 5secondes alors que les batteries au lithium-ion permettent de garantir une alimentation pendant plusieurs dizaines de minutes, ces supercondensateurs peuvent surmonter certaines contraintes des batteries au lithium-ion car ils sont moins sensibles aux cycles de vieillissement et aux problématiques de transport et de stockage. Ces supercondensateurs sont donc utilisés de manière marginale pour certaines alimentations sauvegardées pour lesquelles la durée de sauvegarde n’est pas un critère essentiel.
Cependant, avec une durée de sauvegarde particulièrement faible, les supercondensateurs peut être plus rapidement complètement déchargés. Dans cet état, une tension nulle est présente entre leurs bornes. Ainsi, pour les alimentations intégrant un ou plusieurs supercondensateurs, ces derniers doivent être chargés en même temps que le démarrage de l'alimentation. Les supercondensateurs présentent un inconvénient majeur car ils ne peuvent pas être branchés sur une alimentation sauvegardée en fonctionnement.
Le problème technique que se propose de résoudre l’invention est donc d’obtenir un élément de stockage d'énergie permettant de répondre aux contraintes précédemment exposées.
Pour répondre à ce problème technique, l’invention propose d'utiliser au moins une résistance en série avec au moins un supercondensateur de telle sorte que ladite résistance limite le courant lorsque l’élément de stockage d'énergie est branché sur une alimentation sauvegardée en fonctionnement. Pour éviter que cette résistance ne dégrade le comportement du supercondensateur une fois qu'il est chargé, l’invention propose également d'utiliser des moyens de court-circuit configurés pour court-circuiter la résistance lorsque la tension aux bornes de cette résistance est inférieure à une valeur seuil.
A cet effet, selon un premier aspect, l’invention concerne un élément de stockage d’énergie électrique comportant:
–une première borne destinée à être connectée à une tension continue;
–une seconde borne destinée à être connectée à une tension de référence; et
–au moins un supercondensateur connecté entre ladite première borne et ladite seconde borne.
L’invention se caractérise en ce que ledit au moins un supercondensateur est connecté en série avec au moins une résistance entre ladite première borne et ladite seconde borne; ladite au moins une résistance étant connectée en parallèle avec des moyens de court-circuit configurés pour court-circuiter ladite au moins une résistance lorsque la tension aux bornes de ladite au moins une résistance est inférieure à une valeur seuil.
L’invention permet ainsi d’obtenir les avantages des éléments de stockage d’énergie intégrant un ou plusieurs supercondensateurs, c’est-à-dire leurs résistances aux cycles de vieillissement et la simplification du transport et du stockage, tout en permettant à ces éléments de stockage d’énergie d’être branchés sur une alimentation sauvegardée en fonctionnement. Pour ce faire, la phase classique de charge des supercondensateurs lors du démarrage de l’alimentation est remplacée par la connexion d’au moins une résistance en série avec ledit supercondensateur jusqu’à ce que le niveau de charge de ce dernier soit suffisant pour pouvoir déconnecter la résistance.
L’invention permet donc de combiner les avantages d’un élément de stockage d’énergie intégrant un ou plusieurs supercondensateurs avec la capacité d’installation d’un élément de stockage d’énergie intégrant une ou plusieurs batteries au lithium ion sur une alimentation sauvegardée en fonctionnement.
Les moyens de court-circuit peuvent être réalisés par tous les moyens connus. Par exemple, un organe de supervision peut être configuré pour commander un interrupteur en fonction d’une mesure de tension aux bornes de ladite résistance.
Au sens de l’invention, la mesure de la tension aux bornes de la résistance peut être réalisée directement ou en estimant cette tension à partir d’une mesure distante.
Par exemple, il est possible de mesurer la tension aux bornes du supercondensateur pour obtenir une estimation de la tension aux bornes de la résistance sans changer l’invention.
Selon un mode de réalisation, les moyens de court-circuit sont réalisés par un premier transistor, dont la source est connectée à la seconde borne, dont le drain est connecté entre le supercondensateur et la résistance, et dont la grille est commandée en fonction de ladite tension aux bornes de la résistance; la grille dudit premier transistor étant connectée sur une résistance, elle-même connectée entre les deux résistances montées en série entre ledit collecteur et ladite seconde borne; la grille dudit second transistor étant reliée entre le supercondensateur et la résistance par l’intermédiaire d’au moins une diode.
Ce mode de réalisation permet de connecter ou déconnecter électroniquement la résistance en fonction de la tension à ses bornes.
De préférence, un condensateur est monté entre la grille et la source dudit premier transistor. Ce condensateur permet d’imposer la commutation du premier transistor après la commutation du second transistor afin d’éviter d’éventuelles fluctuations des deux transistors lors des phases de commutation.
De préférence, une résistance est montée entre ladite au moins une diode et ladite base dudit second transistor. Cette résistance permet de limiter le courant au niveau de la base du second transistor pour que le courant soit majoritairement conduit dans le supercondensateur et dans la résistance lorsque celle-ci est connectée en série avec le supercondensateur.
De préférence, la grille dudit second transistor est reliée entre le supercondensateur et la résistance par l’intermédiaire de deux diodes Zener présentant des seuils de commutation distincts.
Lorsque la première diode Zener devient passante, la seconde diode devient également passante mais cette seconde diode présente un seuil plus faible si bien que le second transistor demeure passant même lorsque la première diode devient bloquée. L’utilisation de diodes Zener permet d’éviter que chaque diode influe l’une sur l’autre pour transmettre un courant indésirable sur le supercondensateur.
Pour faire en sorte que la seconde diode Zenner devienne active lorsque la première diode devient passante, un troisième transistor est préférentiellement monté en série avec la diode présentant le seuil de commutation le plus bas, la grille dudit troisième transistor étant connectée par l’intermédiaire d’une résistance entre lesdites résistances montées en série sur ledit collecteur dudit second transistor.
Selon un mode de réalisation, l’élément de stockage d’énergie électrique comporte plusieurs supercondensateurs montés en série, chaque supercondensateur étant connecté en parallèle avec une résistance. Ce mode de réalisation permet d’équilibrer la variation de tension entre les supercondensateurs due à la variation de capacité qui existe classiquement entre plusieurs supercondensateurs distincts.
Selon un mode de réalisation, l’élément de stockage d’énergie électrique comporte sept supercondensateurs connectés en série, chaque supercondensateur présentant une capacité comprise entre 10 et 20 Farad.
La capacité totale fournie par ces supercondensateurs permet de protéger une charge contre les coupures de quelques secondes ou de quelques dizaines de seconde en fonction de la consommation de la charge.
Selon un mode de réalisation, ladite au moins une résistance présente une valeur comprise entre 10 et 200 Ω. Si plusieurs résistances sont montées en série, cette valeur comprise entre 10 et 200 Ω correspond à la valeur totale des résistances montées en série.
Cette valeur de la ou des résistances montées en série avec le ou les supercondensateurs permet de consommer une quantité de courant suffisante pour que le premier convertisseur de tension ne détecte pas un court-circuit au niveau de l’élément de stockage d’énergie électrique lorsque l’élément de stockage d’énergie est installé dans une alimentation sauvegardée en fonctionnement.
En outre, cette valeur totale des résistances permet de fournir un courant suffisant pour amorcer la recharge des supercondensateurs.
Selon un second aspect, l’invention concerne une alimentation sauvegardée comportant:
–une entrée destinée à être connectée à un réseau électrique d'un bâtiment ou d'une agglomérationà une tension donnée;
–une sortie destinée à être connectée à une charge pour alimenter et protéger cette charge d'une coupure d'alimentation;
–un premier convertisseur de tension configuré pour transformer ladite tension de l'entrée en une tension continue;
–un second convertisseur de tension configuré pour transformer ladite tension continue et obtenir une tension au niveau de ladite sortie; et
–un élément de stockage d’énergie électrique, selon le premier aspect de l’invention, connecté entre ladite tension continue et une tension de référence.
DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES
La manière de réaliser l’invention ainsi que les avantages qui en découlent, ressortiront bien du mode de réalisation qui suit, donné à titre indicatif mais non limitatif, à l’appui des figures annexées dans lesquelles les figures 1 à 5 représentent:
La figure 1 est une représentation schématique de l’état de la technique d’une alimentation sauvegardée;
La figure 2 est une représentation schématique d’une alimentation sauvegardée selon un mode de réalisation de l’invention;
La figure 3 est une représentation schématique d’un élément de stockage d’énergie selon un mode de réalisation de l’invention;
La figure 4 est une représentation temporelle de l’évolution des courants telle que résultant du montage de la figure 3; et
La figure 5 est une représentation temporelle de l’évolution des tensions telle que résultant du montage de la figure 3.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
La figure 2 illustre une alimentation sauvegardée10correspondant à l'invention. Cette alimentation sauvegardée10comporte une entrée15de tension alternative et une sortie16de tension continueVs. L'entrée15de tension alternative est destinée à être connectée à un réseau électrique d'un bâtiment ou d'une agglomération. Dans l'alimentation sauvegardée10, l'entrée15est connectée à un premier convertisseur de tension18configuré pour transformer la tension alternative de l'entrée15en une tension continueVbatt, par exemple fixée à 16 V.
Cette tension continueVbattest également connectée en entrée d'un second convertisseur de tension19configuré pour transformer la tension continueVbattet obtenir la tension continueVsau niveau de la sortie16.
La sortie16est destinée à être connectée à une charge12pour alimenter cette charge12et protéger cette charge12d'une coupure d'alimentation. Dans l'exemple de la figure 2, le premier convertisseur18est un convertisseur alternatif/continu alors que le second convertisseur19est un convertisseur continu/continu. En variante, l'entrée15peut être connectée à une tension continue et le premier convertisseur18peut correspondre à un convertisseur continu/continu. De la même manière, la charge12peut être alimentée par la sortie16au moyen d'une tension alternative et le second convertisseur19peut correspondre à un convertisseur continu/alternatif.
Dans tous les cas, la tensionVbattcorrespond à une tension continue et cette tension continueVbattest également connectée à un élément de stockage d'énergie23. Plus précisément, cet élément de stockage d'énergie23comporte une première borne20connectée à la tension continueVbatt, et une seconde borne21connectée à une tension de référenceVref, par exemple la masse.
Entre ces bornes20et21, l'élément de stockage d'énergie23comporte un ou plusieurs supercondensateurs24.
Conformément à l'invention, le supercondensateur24est connecté en série avec au moins une résistance25, elle-même montée en parallèle avec des moyens de court-circuit26de la résistance25.
Ainsi, lorsque l'élément de stockage d'énergie23est branché sur la tensionVbattalors que le premier convertisseur18est en fonctionnement, les moyens de court-circuit26sont configurés pour être ouverts lors d'une première phaseP1de charge du supercondensateur24, de sorte à éviter de mettre en court-circuit le premier convertisseur18car le supercondensateur24est complétement déchargé au démarrage. Lorsque la tension aux bornes de la résistance25est inférieure à une valeur seuil, les moyens de court-circuit26sont fermés de sorte à court-circuiter la résistance25.
Ainsi, l'élément de stockage d'énergie23peut être utilisé pour remplacer un élément de stockage d'énergie intégrant une batterie au lithium ion, et cet élément de stockage d'énergie23ne modifie pas le comportement du premier convertisseur18par rapport à l’élément de stockage d’énergie23.
L'alimentation sauvegardée10comporte également un organe de supervision17configuré pour tester régulièrement le niveau de charge de l'élément de stockage d'énergie23. Pour ce faire, l’organe de supervision17commande, par le signalCom, le niveau de tension délivré par le premier convertisseur18de sorte à diminuer la tension délivrée par ledit premier convertisseur18légèrement en dessous de la tensionVbatt, par exemple à 15,5 V. Avec cette tension de 15,5 V, même si l’élément de stockage d'énergie23est complètement déchargé, le second convertisseur19est capable de fournir le niveau de tensionVsrequis par la charge12. Cette diminution de tension sert à mesurer la tension en entrée du second convertisseur19, par le signalMes(tension), pour constater si l’élément de stockage d'énergie23est capable de se décharger pour compenser la baisse de tension entre la tension nominale de 16 V et la tension de consigne de 15,5 V.
L’élément de stockage d'énergie23est considéré comme fonctionnel si, lors d’une diminution de tension à 15,5 V, le signalMesest de 16 V. Ainsi, l'élément de stockage d'énergie23de l'invention se comporte comme un élément de stockage d'énergie230intégrant une batterie au lithium ion240de l'état de la technique, à ceci près que les cycles répétés de tests, tels qu’imposés par la règlementation, dégradent moins la durée de vie de l'élément de stockage d'énergie23car celui-ci intègre un ou plusieurs supercondensateurs24.
La figure 3 illustre un exemple de réalisation d'un élément de stockage d'énergie23comportant sept supercondensateursC1àC7connectés en série pour augmenter la capacité totale de charge et de décharge. Par exemple, chaque supercondensateurC1àC7peut présenter une capacité comprise entre 10 et 20 F, typiquement 15 F. Ces supercondensateursC1àC7sont connectés en série sur la première borne20de l'élément de stockage d'énergie23. Ces supercondensateursC1àC7sont également connectés en série avec trois résistancesR8àR10jusqu'à la seconde borne21.
La tension aux bornes de l'ensemble des supercondensateursC1àC7est notéeVc ,alors que le courant traversant ces supercondensateursC1àC7est notéIc. De même, la tension aux bornes des trois résistancesR8àR10est notéeVralors que le courant traversant ces trois résistancesR8àR10est notéIr. De préférence, ces résistancesR8àR10présentent une valeur totale comprise entre 10 et 200 Ω, par exemple 66 Ω au moyens de trois résistancesR8àR10de 22 Ω chacune connectées en série.
Les moyens de court-circuit26sont connectés en parallèle des résistancesR8àR10. Ces moyens de court-circuit26peuvent être réalisés par un interrupteur commandé, tel qu'illustré sur la figure 2. De préférence, les moyens de court-circuit sont réalisés par un premier transistorQ1, par exemple un transistor MOSFET de canal N, dont la source est connectée à la seconde borne21, dont le drain est connecté sur un nœudNoreliant les supercondensateursC1àC7et les résistancesR8àR10, et dont la grille est commandée en fonction de la tensionVraux bornes des résistancesR8àR10.
La tension de la grille de ce premier transistorQ1est commandée par un second transistorQ2, par exemple bipolaire de type NPN, dont l'émetteur est relié à la première borne20et le collecteur est relié à la seconde borne21par deux résistancesR14etR15montées en série. Les deux résistancesR14etR15présentent préférentiellement une valeur identique comprise entre 1 et 5 kΩ, par exemple une valeur de 2,2 kΩ. Plus précisément, la tension de grille du transistorQ1est appliquée à travers une résistanceR12connectée entre la grille du transistorQ1et entre les deux résistancesR14etR15. Cette résistanceR12peut présenter une valeur comprise entre 50 et 500 kΩ, par exemple une valeur de 100 kΩ.
La tension de la grille du transistorQ2est commandée par au moins une diodeD1connectée en série avec une résistanceR11sur le nœudNo. La résistanceR11permet de limiter le courant au niveau de la base du second transistorQ2. De préférence, cette résistanceR11présente une valeur comprise entre 50 et 200 kΩ, par exemple 100 kΩ.
Pour faire en sorte que le premier transistorQ1commute après le second transistorQ2, un condensateurC8est monté entre la grille et la source du premier transistorQ1. De préférence, ce condensateurC8présente une capacité comprise entre 0.5 et 2 mF, par exemple 1 mF. Pour éviter que les transitions des transistorsQ1etQ2soient uniquement commandées par l'état passant ou bloqué de la diodeD1, il est préférable d'utiliser un montage intégrant au moins deux diodesD1etD2de sorte à présenter deux seuils de commutation distincts.
Un premier seuil de commutation est commandé par la diodeD1, par exemple au niveau de 13 V. Un second seuil de commutation est obtenu par une diodeD2connectée, d’une part, entre la résistanceR11et la diodeD1et, d’autre part, sur le drain d’un troisième transistorQ3, par exemple un transistor MOSFET de canal N. Le niveau de commutation de ce second seuil est par exemple de 11 V. La source de ce troisième transistorQ3est sur nœudNo. Ce troisième transistorQ3est commandé en fonction d’une tension de grille par l’intermédiaire d’une résistanceR16connectée entre les résistancesR15etR14. De préférence, cette résistanceR16présente une valeur égale aux résistancesR15etR14, par exemple une valeur comprise entre 1 et 5 kΩ.
Lorsque la diodeD1devient passante, c’est-à-dire lorsque la tensionVraux bornes des résistancesR8-R10est inférieure à 13.7 V (13 V + 0.7 V) et que la tension entre la grille et l’émetteur du second transistorQ2est de 0.7 V, le second transistorQ2devient également passant.
Lorsque le second transistorQ2devient passant, le pont diviseur de tension formé par les résistancesR14-R16entraine également le troisième transistorQ3dans l’état passant, si bien que la diodeD2devient passante.
Ce montage permet de former une hystérésis entre les seuils de commutation des diodesD1etD2. De préférence, les deux diodesD1etD2sont constituées de diodes Zenner.
Un condensateurC9est monté entre la grille et la source du troisième transistorQ3pour filtrer les perturbations pouvant intervenir dans les transitions du troisième transistorQ3. De préférence, ce condensateurC9présente une capacité comprise entre 50 et 500 nF, par exemple 100 nF.
En outre, pour équilibrer la tension entre les supercondensateursC1-C7, chaque supercondensateurC1-C7est connecté en parallèle avec une résistanceR1-R7. Pour ce faire, ces résistancesR1àR7présentent des valeurs identiques, de préférence comprises entre 1 et 10 kΩ, par exemple 4,7 kΩ.
Tel qu'illustré sur les figures 4 et 5, lorsque les supercondensateursC1àC7sont complètement déchargés et que l'élément de stockage d'énergie23est connecté entre une tension continueVbattde 16 V et une tension de référenceVrefde 0 V, la tensionVraux bornes des résistancesR8àR10est tout d'abord égale à la tensionVbattalors que la tensionVcaux bornes des supercondensateursC1àC7est nulle. Les courantsIcetIrtraversant respectivement les supercondensateursC1àC7et les résistancesR8àR10dépendent de la valeur totale des résistancesR8àR10. Avec trois résistancesR8àR10de 22 Ω, la résistance totale est égale à 66 Ω et les courantsIcetIrsont environ de 240 mA.
Dans la première phaseP1, tous les transistorsQ1-Q3et les diodesD1-D2sont bloqués, les supercondensateursC1àC7se chargent progressivement, entrainant une augmentation de la tensionVcaux bornes des supercondensateursC1àC7en même temps qu’une diminution de la tensionVraux bornes des résistancesR8àR10.
Cette première phaseP1prend fin lorsque la tension aux bornes des résistancesR8àR10est inférieure à 2.3 V (16 V – 13,7 V) alors que la tension aux bornes des supercondensateursC1àC7est de 13,7 V. Les courantsIcetIrsont toujours identiques dans cette première phaseP1et ils dépendent de la tension aux bornes des résistancesR8àR10. Ainsi, les courantsIcetIrdécroissent de manière logarithmique de 240 mA à 34 mA.
Lorsque la tension aux bornes des résistancesR8àR10est de 2.3 V, la tension aux bornes de la diodeD1est de 13V en considérant une tension de 0.7 V entre la base et l’émetteur du second transistorQ2. La diodeD1est donc passante, imposant une tension suffisante sur la base du second transistorQ2pour qu’il commute dans l’état passant. La tensionVbattest alors connectée à la base des transistorQ1etQ3par l’intermédiaire respectivement des deux ponts diviseurs de tension formés par les résistancesR12,R14-R16.
Le premier transistorQ1commute donc également dans l’état passant, ce qui a pour effet de court-circuiter les résistancesR8àR10. La tension aux bornes des résistancesR8àR10est donc égale à la tensionVdsentre la source et le drain du premier transistorQ1après la commutation du premier transistorQ1de l’état bloqué à l’état passant.
En outre, la commutation du troisième transistorQ3a pour effet d’autoriser le fonctionnement de la diodeD2, qui a un seuil de transition de 11 V au lieu du seuil de 13 V de la diodeD1.
Il s’ensuit que la diodeD2ne devient bloquée que si la tension à ses bornes est inférieure à 11V, ce qui correspond à une tension de 4.3 V (16 V – 0,7 V – 11 V) aux bornes des résistancesR8àR10.
Ainsi, même si la tension aux bornes des résistancesR8àR10fluctue lors des transitions des transistorsQ1àQ3, la tension aux bornes des résistancesR8àR10demeure inférieure à 4.3V et les transistorsQ1àQ3demeurent passants même si la diodeD1devient bloquée lorsque la tension aux bornes des résistancesR8àR10est comprise entre 2.3 V et 4.3 V.
Lors de la seconde phaseP2, le courant dans les supercondensateursC1àC7devient équivalent au courant maximum fourni au niveau de la première borne20, par exemple 1 A. Au cours de cette seconde phaseP2, les supercondensateursC1àC7se chargent de manière linéaire jusqu'à atteindre la tension de chargeVbatt–Vds.
La seconde phaseP2se termine lorsque la tension aux bornes des supercondensateursC1àC7est égale à la tension de chargeVbatt–Vds.
Dans la troisième phaseP3, la tension aux bornes des supercondensateursC1àC7est constante et égale àVbatt–Vds.
Dans l’alimentation sauvegardée10de la figure 2, cet élément de stockage d'énergie23peut donc se décharger lorsque le premier convertisseur18fait défaut, c'est-à-dire lorsque la tension fournit par le secteur au niveau de l'entrée15n'est pas suffisante ou que l'organe de supervision17commande une diminution de la tension en sortie du premier convertisseur18pour tester l’élément de stockage d'énergie23. Au cours de ces phases, l'ensemble de supercondensateursC1àC7se décharge de manière classique en répondant aux besoins de la charge12pour fournir une tensionVbattconstante, quelles que soient les fluctuations de la tensionVbatten sortie du premier convertisseur18.
L'invention permet ainsi d'obtenir un élément de stockage d'énergie23qui peut remplacer un élément de stockage d'énergie de l'état de la technique intégrant une batterie au lithium ion sans qu'il soit nécessaire de redémarrer l’alimentation sauvegardée10lors de l’installation de l’élément de stockage d'énergie23, et sans qu'il soit nécessaire de modifier la structure de l'alimentation sauvegardée.
Ainsi, l’invention peut être utilisée pour remplacer un élément de stockage d'énergie23intégrant une batterie au lithium ion d’une alimentation sauvegardée existante par un élément de stockage d'énergie23conforme à l’invention.

Claims (10)

  1. Elément destockaged’énergie électrique (23) comportant:
    –une première borne (20) destinée à être connectée à une tension continue (Vbatt);
    –une seconde borne (21) destinée à être connectée à une tension de référence (Vref) ; et
    –au moins un supercondensateur (24, C1-C7) connecté entre ladite première borne (20) et ladite seconde borne (21);
    caractérisé en ce que ledit au moins un supercondensateur (24, C1-C7) est connecté en série avec au moins une résistance (25, R8-R10) entre la première borne (20) et la seconde borne(21), ladite au moins une résistance (25, R8-R10) étant connectée en parallèle avec des moyens de court-circuit (26, Q1) configurés pour court-circuiter ladite au moins une résistance (25, R8-R10) lorsque la tension (Vr) aux bornes de ladite au moins une résistance (25, R8-R10) est inférieure à une valeur seuil.
  2. Elément de stockage d’énergie électrique selon la revendication 1, dans lequel les moyens de court-circuit sont constitués d’un premier transistor (Q1) dont la source est connectée à la seconde borne (21), dont le drain est connecté entre le au moins un supercondensateur (24, C1-C7) et la au moins une résistance (25, R8-R10), et dont la grille est commandée en fonction de ladite tension (Vr) aux bornes de ladite au moins une résistance (25, R8-R10);
    la grille dudit premier transistor (Q1) étant commandée par un second transistor (Q2) dont l’émetteur est relié à la première borne (20) et le collecteur est relié à la seconde borne (21) par deux résistances (R14-R15) montées en série, la grille dudit premier transistor (Q1) étant connectée sur une résistance (R12), elle-même connectée entre les deux résistances (R14-R15) montées en série entre ledit collecteur et ladite seconde borne (21);
    la base dudit second transistor (Q2) étant reliée entre ledit au moins un supercondensateur (24, C1-C7) et ladite au moins une résistance (25, R8-R10) par l’intermédiaire d’au moins une diode (D1).
  3. Elément de stockage d’énergie électrique selon la revendication 2, dans lequel un condensateur (C8) est monté entre la grille et la source dudit premier transistor (Q1).
  4. Elément de stockage d’énergie électrique selon la revendication 2 ou 3, dans lequel une résistance (R11) est montée entre ladite au moins une diode (D1-D2) et ladite base dudit second transistor (Q2).
  5. Elément de stockage d’énergie électrique selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel la base dudit second transistor (Q2) est reliée entre ledit au moins un supercondensateur (24, C1-C7) et ladite au moins une résistance (25, R8-R10) par l’intermédiaire de deux diodes (D1-D2) Zener présentant des seuils de commutation distincts.
  6. Elément de stockage d’énergie électrique selon la revendication 5, dans lequel un troisième transistor (Q3) est monté en série avec l’une des deux diodes (D1-D2) présentant le seuil de commutation le plus bas, la grille dudit troisième transistor (Q3) étant connectée par l’intermédiaire d’une résistance (R16) entre lesdites résistances (R14-R15) montées en série sur ledit collecteur dudit second transistor (Q2).
  7. Elément de stockage d’énergie électrique selon l’une des revendications 1 à 6, comportant plusieurs supercondensateurs (24, C1-C7) montés en série, chaque supercondensateur (24, C1-C7) étant connecté en parallèle avec une résistance (R1-R7).
  8. Elément de stockage d’énergie électrique selon l’une des revendications 1 à 7, comportant sept supercondensateurs (24, C1-C7) connectés en série, chaque supercondensateur (24, C1-C7) présentant une capacité comprise entre 10 et 20 Farad.
  9. Elément de stockage d’énergie électrique selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel ladite au moins une résistance (R8-R10) présente une valeur comprise entre 10 et 200 Ω.
  10. Alimentation sauvegardée (10) comportant:
    –une entrée (15) destinée à être connectée à un réseau électrique d'un bâtiment ou d'une agglomération à une tension donnée;
    –une sortie (16) destinée à être connectée à une charge (12) pour alimenter et protéger cette charge (12) d'une coupure d'alimentation;
    –un premier convertisseur de tension (18) configuré pour transformer ladite tension de l'entrée (15) en une tension continue (Vbatt);
    –un second convertisseur de tension (19) configuré pour transformer ladite tension continue(Vbatt) et obtenir une tension (Vs) au niveau de ladite sortie (16); et
    –un élément de stockage d’énergie électrique (23) selon l’une des revendications 1 à 9 connecté entre ladite tension continue (Vbatt) et une tension de référence.
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