Domaine de 1 ' invention

La présente invention concerne le domaine des équipements électriques autonomes communicants et notamment d'équipements d'éclairage comprenant une ou plusieurs sources d'énergie renouvelable ainsi qu'une ou plusieurs batteries rechargées par lesdites sources d'énergie renouvelable et alimentant une ou plusieurs charge(s) connectée(s) au module.

Il s'agit notamment de lampadaires ou bornes de recharges de systèmes mobiles de type téléphone portable, tablettes ou smartphones, ou de systèmes de fourniture d'énergie (Solar Home System) sans aucun raccordement avec un réseau de distribution d'électricité comportant une source d'énergie renouvelable (photovoltaïque, éolienne,...) et ne produisant de l'énergie que de manière intermittente.

L'équipement intègre une batterie électrique assurant le stockage de l'énergie et faisant un tampon d'énergie entre les périodes où l'énergie renouvelable dépasse la consommation de ladite charge connectée, et les périodes où la consommation électrique de ladite charge connectée dépasse la production de la source d'énergie renouvelable.

Généralement, ces périodes sont décalées dans un cycle quotidien. Typiquement, dans le contexte d'une source lumineuse, la consommation est importante la nuit, et la production importante le jour. Elle peut également inclure, selon la charge connectée, une consommation 24h/24.

Toutefois, la production varie significativement d'un jour à l'autre en fonction des conditions météorologiques. Les besoins de consommation électrique peuvent également varier d'un jour à l'autre, notamment au fil des saisons. Afin d'optimiser le coût de ces équipements, on évite de sur-dimensionner la batterie et/ou les sources d'énergie renouvelable, et on préfère manager de manière optimale le fonctionnement de la batterie pour maximiser sa charge. On optimise également l'alimentation de ladite charge connectée pour concilier une consommation minimisée avec une permanence de service et une disponibilité acceptable de la fonction réalisée par ladite charge connectée.

L'invention n'est toutefois pas limitée à la charge principale susvisée, et s'applique également à d'autres charges additionnelles alimentées par la batterie électrique rechargée par ladite la source d'énergie renouvelable dont le dimensionnement varie en fonction de la fourniture d'énergie à approvisionner. L'énergie fournie à ces charges additionnelles peut être conditionnée à un service de monétisation piloté par la carte électronique dudit équipement électrique autonome capable de contrôler la quantité d'énergie fournie à la charge, de suivre le crédit de consommation et de désactiver la fourniture d'énergie lorsque le crédit contracté par l'utilisateur est consommé ou lorsque la puissance consommée dépasse une valeur seuil autorisée.

Etat de la technique

On connaît dans l'état de la technique le brevet EP1058367 décrivant un appareil d'accumulation à batterie, comprenant :

une batterie de stockage à laquelle des cellules de batterie sont connectées en cascade ; et

des moyens de génération de courant de charge qui sont adaptés de manière à générer un courant destiné à charger la batterie de stockage à partir d'une sortie d'une alimentation électrique ;

dans lequel les moyens de génération de courant de charge présentent des moyens qui sont adaptés de manière à générer une pluralité de courants de charge différents, et à fournir une pluralité de courants de charge différent à la batterie de stockage caractérisé en ce que :

les moyens de génération de courant de charge présentent des moyens qui sont adaptés de manière à détecter la tension de l'ensemble des cellules de batterie, et qui sont adaptés de manière à passer à une commande de charge à tension constante lorsque la tension détectée atteint une valeur prescrite ; et

en ce que les moyens de génération de courant de charge présentent des moyens qui sont adaptés de manière à libérer la commande de charge à tension constante quand une tension de la pluralité de cellules de batterie devient déséquilibrée, et à charger les cellules de batterie à l'aide d'un courant de charge de faible niveau jusqu'à ce que la tension de toutes les cellules de batterie atteigne la valeur prescrite .

On connaît aussi le brevet américain US4401935 décrivant un dispositif et procédé pour commander la charge d'un dispositif de stockage d'énergie électrique par une source d'énergie électrique et à commander la décharge du dispositif à travers une charge. Il prévoit un relais pouvant être actionné entre un premier état de connection du dispositif de stockage à la charge et un second état de connection du dispositif de stockage à de la source. Lorsque le signal électrique provenant de la source atteint un niveau de seuil prédéterminé, le relais est change d'état. Lorsque le signal électrique généré par le dispositif de stockage atteint un niveau présélectionné correspondant à la charge, le relais est remis à zéro pour alimenter la charge.

La demande de brevet américain US2013212005 décrit un dispositif pour fournir l'éclairage et l'énergie solaire à un consommateur utilisant la technologie pay-as-you-go qui permet à un utilisateur de payer pour la puissance de la maison et l'éclairage sur une base progressive. Les paiements sont effectués en utilisant le téléphone portable d'un utilisateur. L'appareil d'éclairage comprend un module

d'éclairage configuré pour fournir un éclairage à un client lorsqu'il est activé, et un système de commande comprenant un processeur et une mémoire configurée pour surveiller

l'utilisation de l'appareil d'éclairage, le solde de crédits d'utilisation, et désactiver l'appareil d'éclairage quand il n'y a pas de crédits d'utilisation restants.

La demande de brevet internationale WO2014124099 décrit un système photovoltaïque inviolable résistant au vol. Il est muni d'un modem pour recevoir un signal codé à partir d'un emplacement distant, un panneau solaire comportant des cellules solaires et d'au moins un commutateur pour faire tourner le courant de systèmes sous et hors tension contrôlée à l'aide d'un signal codé unique au commutateur ou au panneau solaire ou système. Il convient en particulier pour la

fourniture d'électricité aux clients qui ne peuvent pas payer les coûts des systèmes solaires conventionnels. Une entreprise loue les systèmes à des clients avec un dépôt remboursable abordable et loyer périodique. Les composants du système à prévenir et / ou de vol dissuasif et la falsification en désactivant automatiquement le système après un temps choisi et / ou en permettant la désactivation à distance d'un système déplacé à un endroit non autorisé ou altéré, ou à un moment prédéterminé. La société peut également activer le système à distance sur une base périodique, tant que le loyer périodique est payé.

Inconvénients de l'art antérieur

Les solutions de l'art antérieur peuvent être regroupées en deux familles.

La première famille comprend une gestion énergétique passive : la source d'énergie électrique est reliée par des composants passifs à la batterie pour la recharger en fonction de l'énergie disponible, et la charge est elle-même reliée à la batterie. L'énergie consommée et produite n'est pas gérée de manière optimale, et en particulier la recharge de la batterie se fait simplement en fonction de l'énergie disponible. Or, pour que les performances de la batterie soient optimales, il est recommandé de piloter la charge et la décharge selon un profil adapté à l'état de charge de la batterie et à son vieillissement. De plus, il est recommandé de ne pas laisser la batterie se décharger totalement, car elle peut alors entrer dans un état irréversible où la résistance interne augmente à un niveau tel qu'il n'est plus possible de la recharger. De la même manière, une surcharge de la batterie n'est pas recommandée et diminue sa durée de vie.

C'est la raison pour laquelle on a proposé une deuxième famille de solutions, où un circuit actif gère les cycles de charge/décharge et de recharge à partir d'un microcalculateur traitant les données venant de différents capteurs (température, consommation instantanée ou cumulée, tension, temps,...) pour appliquer des lois de commande énergétique optimisées .

Cette deuxième famille de solutions présente un inconvénient majeur : en cas de décharge de la batterie à un niveau tel que la tension électrique est inférieure à la tension de fonctionnement du microprocesseur, le microprocesseur et les composants actifs associés ne sont plus en mesure d'assurer leur tâche de pilotage, et les composants électriques et électroniques assurant la liaison entre la source d'énergie et la batterie se trouve dans un état aléatoire, et parfois dans un état ouvert bloquant le passage du courant entre la source d'énergie et la batterie.

En tout état de cause, lorsque la source d'énergie fournie à nouveau du courant, il faut un temps relativement long jusqu'à ce que la tension aux bornes de la batterie soit de nouveau suffisante pour assurer le fonctionnement du microprocesseur et les composants actifs associés. Il en résulte un cercle vicieux : tant que le microprocesseur et les composants actifs associés ne remplissent pas leur fonction, la recharge de la batterie n'est plus assurée ; et tant que la batterie n'est pas rechargée, le microprocesseur et les composants actifs associés ne fonctionnent plus.

En second lieu, les circuits électroniques de l'art antérieur présentent une architecture induisant des pertes énergétiques significatives, se traduisant par un échauffement de certains composants tels que la diode anti-retour évitant que la batterie ne se décharge dans la source d'énergie renouvelable, conduisant à une perte d'efficacité significative .

Solution apportée par l'invention

L'invention concerne selon son acception la plus générale une carte électronique de pilotage énergétique d'un équipement électrique autonome et communicant comprenant au moins une batterie et au moins une source d'énergie renouvelable, ledit circuit électronique comprenant un circuit limiteur de courant fourni par ladite source d'énergie renouvelable et alimentant ladite batterie, une diode anti- retour pour empêcher la décharge de la batterie dans la source d'énergie renouvelable ainsi qu'un microcontrôleur exécutant un programme commandant au moins trois fonctions d'interrupteur pilotable, le premier interrupteur pilotable assurant la commande de la charge de ladite batterie par le courant fourni par ladite source d'énergie renouvelable, le second interrupteur pilotable assurant le commande de la mise hors circuit de ladite batterie lorsqu'elle atteint les limites de ses caractéristiques de fonctionnement nominal, et le troisième interrupteur pilotable assurant la commande de ladite charge, caractérisé en ce que qu'elle comporte un composant passif présentant au repos de liaison directe entre ladite source d'énergie renouvelable et ladite batterie.

Ce composant passif permet d'assurer le redémarrage de la carte même en l'absence de microcontrôleur actif,

Selon une variante, la carte comporte en outre au moins une sortie pour l'alimentation d'une charge électrique additionnelle .

Avantageusement, la carte comporte en outre un moyen de déconnexion d'une charge électrique en cas de détection d'un courant dépassant une valeur seuil, ledit moyen commandant périodiquement la réalimentation de ladite charge, et une nouvelle déconnexion en cas de détection d'un nouveau dépassement de ladite valeur seuil.

Selon un mode de réalisation particulier, la carte comporte en outre un moyen de monétisation piloté par le microcontrôleur et associé à un crédit de consommation d'énergie (pay as you go) pour l'alimentation de ladite charge électrique additionnelle, par exemple un port USB pour recharge un téléphone portable, smartphone ou une tablette tactile .

Selon une variante, chaque sortie électrique est pilotée par le microcontrôleur commandé par un logiciel embarqué.

De préférence ladite diode anti-retour équipant la carte est constituée par une diode idéale pilotable. Selon une variante préférée, la carte comporte un circuit électronique réalisant un écrêtage en tension de l'entrée de la source d'énergie renouvelable pour assurer une fonction de protection contre la foudre en indirect. Selon un mode de mise en œuvre particulier, la carte comporte en outre un circuit de communication pour le dialogue entre le microcontrôleur et un équipement distant. Avantageusement, la carte selon l'invention comporte en outre un moyen pilotant la liaison entre la source d'énergie renouvelable et un moyen de stockage secondaire ou charge électrique secondaire en cas de détection de la charge complète de ladite batterie.

Avantageusement, la carte comporte en outre circuit de contrôle de charge comprenant un interrupteur agencé pour interdire ou autoriser le passage du courant de charge dans l'accumulateur, ledit interrupteur étant piloté par un système de mesure d'au moins une grandeur physique (T, U, I) représentative de l'état de l'accumulateur, de manière à commander des ouvertures et fermetures successives de 1 ' interrupteur pour hacher ledit courant de charge si ladite grandeur physique mesurée franchit un seuil prédéterminé.

Ceci permet de répondre à deux situations de vie après une détection de fin de charge:

1- Charge d'équilibrage des accumulateurs qui composent la batterie pour que ces derniers soient tous à 100% d'énergie (cette méthode de charge puisée s'appelle dans le langage de l'homme du métier la « topping charge »)

2- Charge d'entretien : une charge puisée à un courant moyen plus faible que la charge d'équilibrage (mais plus élevé que le courant moyen d ' autodécharge de la batterie). Cela permet de pallier 1 ' autodécharge de la batterie à forte température.

Selon une autre variante, la carte comporte en outre un moyen pilotant la liaison entre la source d'énergie renouvelable et un moyen de stockage secondaire en cas de détection de la charge complète de ladite batterie. Avantageusement, le microcontrôleur commande les moyens pilotés par un signal haché, par exemple par modulation de largeur d'impulsions (PMW) .

De préférence, la carte comporte au moins un capteur de température du circuit imprimé.

L'invention concerne également un boîtier de pilotage énergétique caractérisé en ce qu'il contient une carte électronique conforme à l'invention ainsi qu'un échangeur thermique couplé au microprocesseur et au circuit imprimé de la carte, un moyen d'étanchéification, et des connecteurs étanches connectés aux entrées et aux sorties de ladite carte électronique.

Description détaillée d'un exemple de réalisation

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'un exemple de réalisation non limitatif, se référant aux dessins annexés où :

- la figure 1 représente un schéma de principe d'un circuit selon l'invention

la figure 2 représente un schéma de principe d'une variante d'un circuit selon l'invention permettant le management de plusieurs batteries.

La figure 1 représente le schéma de principe du circuit électronique selon l'invention.

II comprend un microcontrôleur (1) comprenant un calculateur et une mémoire pour l'enregistrement du programme de commande et des paramètres importants liés à chaque type d'application, associé à une mémoire non volatile effaçable électriquement et programmable (par exemple, EEPROM) (2) pour l'enregistrement des données représentatives de la vie du circuit (événements correspondant au fonctionnement du circuit,...) .

Cette mémoire ( 2 ) permet de faire un diagnostic du circuit par un contrôleur extérieur, même lorsque le microcontrôleur (1) est défaillant.

La carte comprend un connecteur d'entrée de puissance (3) pour le branchement des fils de sortie d'une ou de plusieurs sources d'énergie renouvelable, par exemple un panneau photovoltaïque .

La carte comprend aussi un ou plusieurs connecteurs de sortie de puissance (4, 5) en parallèle, pour le raccordement d'une batterie. Ces connecteurs (4, 5) comportent un contact de puissance pour le +, un contact de puissance pour le — et deux contacts par batterie pour le signal de température.

Si les batteries sont en parallèle, il y a un seul + , un seul -, mais deux contacts pour chaque batterie en parallèle .

Un circuit d'écrêtage de tension (19) est relié en parallèle avec le connecteur d'entrée de puissance (3).

La carte ne comprend pas d'alimentation interne. L'alimentation du microprocesseur est assurée seulement par la liaison avec les bornes de sortie reliées à la batterie. Ainsi, lorsque la carte n'est pas reliée à une batterie externe, elle est inerte et le microprocesseur ne fonctionne pas .

La liaison entre le connecteur d'entrée (3) et les connecteurs de sortie (4, 5) est assurée par deux branches, afin de permettre un démarrage de la carte en toutes circonstance, notamment dans le cas où elle est reliée à une batterie totalement déchargée.

La première branche « passive » comprend un interrupteur (6) qui est fermé au repos. Il s'agit d'un transistor MOS, ou d'un relai REED, qui est passant par défaut. Cette branche comprend aussi optionnellement un limiteur de courant (7) en série avec l'interrupteur (6). Ce limiteur de courant (7) peut être constitué par une simple résistance de puissance, ou par une résistance de puissance variable. Le limiteur de courant (7) peut aussi être constitué par un régulateur de tension (8)linéaire ou à découpage , par exemple un composant LM317T ou LM3409 de la société STMicroelectronics ou Texas Instrument associé à une résistance (9) de limitation du courant. Cette branche comprend aussi une diode Schottky (10).

L'interrupteur (6) peut optionnellement être pilotable par le microcontrôleur (1), afin de le mettre en mode ouvert lorsque le microcontrôleur est à nouveau actif, et assurer la liaison entre la source d'énergie et la batterie par la deuxième branche.

Cette première branche permet au circuit de fonctionner en toutes circonstances, notamment lorsque la batterie est totalement déchargée et ne permet plus d'assurer l'alimentation du microcontrôleur. Dans les solutions de l'art antérieur, il était impossible de réactiver le circuit sauf par une intervention manuelle. La solution apportée par l'invention permet d'assurer un redémarrage dès que la source d'énergie renouvelable fournie à nouveau du courant, même lorsque le microcontrôleur est inactif.

La deuxième branche comprend un interrupteur (11) commandé par le microcontrôleur (1), associée en série à une diode idéale (12). La diode idéale (12) désigne un circuit comprenant un ou plusieurs transistors MOS, assurant dans le sens passant une résistance quasiment nulle (quelques milliohms), et dans le sens bloqué se comportant comme un circuit ouvert (courant nul).

La diode idéale (12) est commandée optionnellement par le microcontrôleur ( 1 ) pour autoriser ou interdire la charge de la batterie reliée aux sorties (4, 5).

L'interrupteur (11) est commandé par un signal fourni par microcontrôleur (1). Ce signal de commande peut commander l'interrupteur pour délivrer à la batterie un courant moyen variable, par exemple en mode puisé en modulation de largeur d'impulsions (PWM) permettant d'optimiser la recharge lorsque la batterie est proche de la charge maximale. Cette solution permet de réduire 1 ' échauffement de la batterie lors de la détection de la fin de charge.

Tant que la batterie n'est que partiellement chargée, le rapport cyclique est de 100%, pour appliquer le courant maximum et recharger le plus rapidement possible la batterie avec l'énergie fournie par la source d'énergie renouvelable .

Lorsque la batterie est proche d'être totalement chargée, le rapport cyclique est diminué impliquant une diminution du courant moyen de charge.

Le microcontrôleur ( 1 ) reçoit des informations relatives à la tension U, le courant I et la température T de la ou des batteries. En fonction de ces informations, il détermine un rapport cyclique qui commande des ouvertures et fermetures successives de l'interrupteur (11) pour hacher le courant de charge si les paramètres I et U mesurés franchissent un seuil prédéterminé. Avec un tel agencement, la fin de charge de 1 ' accumulateur est optimisée par le bloc batterie lui-même, de sorte qu'un simple générateur de courant constant est suffisant pour charger l'accumulateur dans des conditions satisfaisantes.

La deuxième branche comprend aussi un interrupteur (13) en série assurant la déconnexion de la batterie par rapport à la source. Cet interrupteur (13) est piloté par le microcontrôleur (1) dans les cas suivants :

- défaillance de la sonde thermique de la batterie

- température ambiante dépassant une valeur seuil

- température de la batterie dépassant une valeur seuil

- surcharge en courant de la batterie

- surtension de la batterie. Avantageusement, les interrupteurs (11) et (13) pourront être regroupés en une seule fonction pilotée par le microcontrôleur .

La carte comprend optionnellement un ou plusieurs capteurs de température (14) fournissant au microcontrôleur (1) une information sur la température ambiante. La carte comprend également, pour l'alimentation des charges (20, 21, 22), une branche reliée en parallèle aux sorties de puissance. Cette branche d'alimentation comprend un fusible électronique (15) réarmable et/ou désarmable par le microcontrôleur (1). Ce fusible (15) est constitué par un composant intégré assurant l'ouverture de la branche d'alimentation en cas de détection d'un courant dépassant une valeur seuil, et refermant périodiquement le circuit pour procéder à un nouveau cycle de vérification du courant et le cas échéant d'ouverture de la branche sous la commande du microcontrôleur.

Chaque sortie (20, 21, 22) est commandée par un circuit (16, 17, 18) à transistor MOS, pilotés par le microcontrôleur ( 1 ) de manière indépendante les uns des autres. Ces circuits (16, 17, 18) peuvent également être des fusibles électroniques pilotés.

Les sorties (20, 21, 22) comprennent optionnellement un contact pour recevoir une information provenant du capteur de température de la charge correspondante. Les signaux sont transmis par le microcontrôleur ( 1 ) pour permettre la régulation des puissances appliquées à chacune des sorties (20 à 22) et notamment pour diminuer la puissance en cas d'échauffement excessif d'une charge. Les sorties (20, 21, 22) fournissent optionnellement un signal numérique selon un protocole de communication série permettant de piloter une charge de type chargeur USB à sorties multiples pour envoyer des commandes spécifiques à chaque sortie USB (fonction HUB USB).

La partie concernant la recharge de la batterie et la partie concernant le pilotage des charges peuvent être reliées directement, avec une inhibition de la charge de la batterie. Un interrupteur (23) piloté par le microcontrôleur (1) assure dans ce cas la déconnexion de la batterie, afin de permettre la transmission de la totalité de l'énergie disponible à l'entrée de puissance (3) vers les charges (20, 21, 22) et la sortie de puissance (4).

La carte comporte aussi au moins un connecteur (24) pour le raccordement d'un capteur externe, par exemple d'un détecteur de présence, dont le signal est exploité par le microcontrôleur (1) pour adapter le pilotage. La carte peut aussi comporter une interface de sortie électrique ou informatique, filaire ou sans fil, pour commander un périphérique externe.

La figure 2 représente une variante de réalisation pour la recharge de plusieurs batteries, en parallèle notamment pour trois batteries ou plus.

Dans ce cas la carte comporte plusieurs connecteurs (4, 5), (32, 33), qui sont alimentés chacun par l'intermédiaire d'un interrupteur (30, 31) piloté par le microcontrôleur ( 1 ) en fonction des informations générales au système et aux informations T _l T ₂ et U _l U ₂ provenant de chacun des batteries (4, 5), (32, 33). Le pilotage de chaque groupe de batteries (4, 5), (32, 33) permet d'optimiser la recharge de batteries, notamment lorsqu'elles présentent des niveaux de charge ou des performances, anciennetés, voir technologies différentes ou encore une dispersion des caractéristiques techniques .