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PILE DE TYPE LITHIUM-POLYMERE ET SYSTEME DE CONTROLE
Domaine de l'invention
La présente invention concerne un système de surveillance et de contrôle d'une
pile solide comprenant un électrolyte polymère et opérant à haute température
contrôlée, telle qu'une pile lithium-polymère. Plus particulièrement,
l'invention a trait
à un contrôleur de piles à alimentation électrique ininterrompue
("Uninterrupted
Power Supply" ou UPS).
Art antérieur
Ces dernières années, les piles rechargeables sont devenues de plus en plus
utilisées. A moyen et long terme, il s'agit d'un moyen économique d'accumuler
de
l'énergie électrique et ses différentes applications sont présentes dans
plusieurs
champs d'activités.
Une des applications dans laquelle les piles rechargeables sont utilisées est
dans le domaine de l'alimentation électrique ininterrompue (UPS), utilisée
dans les
ordinateurs et les équipements de téléconununication qui doivent être
continuellement
alimentés, même en cas de panne d'électricité. Un système UPS comprend des
piles
rechargeables qui sont en mode de chargement lorsque la puissance d'attaque de
grille
est disponible, mais qui alimentent en électricité les équipements
électroniques qui y
sont banchés dès qu'une panne de courant est détectée.
De tels systèmes UPS requièrent des contrôleurs de piles de façon à améliorer
leur performance et leur durée de vie. Un contrôleur de piles contrôle le
chargement
des piles et surveille leur état de décharge. Dans certains systèmes UPS, la
température des piles en chargement est gérée de façon à contrôler la charge
ou la
dérivation de la pile. Dans les systèmes UPS d'appoint conventionnels pour les
gros
ordinateurs ou les équipements de télécommunication, des piles acide-plomb
sont
généralement utilisées comme moyen pour emmagasiner l'énergie.
De nouvelles technologies en matière de piles ont été développées dans
lesquelles la capacité d'emmagasinage de l'énergie, la densité d'emmagasinage
de
l'énergie de même que le taux d'alimentation/chargement sont améliorés par
rapport
aux piles acide-plomb traditionnelles. Par exemple, des piles métal/hydrure de
métal
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sont reconnues comme étant un excellent moyen d'emmagasiner de l'énergie, et
des
formes commerciales de telles piles, telles que des piles Ni-MH, ont connu du
succès.
Un nouveau type de piles prometteur ayant de bonnes caractéristiques
d'emmagasinage d'énergie sont les piles lithium-polymère. Ces piles
contiennent un
électrolyte solide et emmagasinent ou libèrent de l'énergie suite à un
changement de
phase dans l'environnement d'emmagasinage sans produire de vapeur. La densité
d'énergie (W-h/1) et l'énergie spécifique (W-h/kg) des piles lithium-polymère
sont très
élevées en comparaison aux autres types de piles.
Toutefois, les piles lithium-polymère fonctionnent à haute température et ont
des propriétés de distribution d'énergie et d'acceptation de charge qui en
dépendent.
De plus, le voltage du circuit ouvert des piles lithium-polymère varie
grandement en
fonction de sa décharge, par exemple, le voltage de la pile peut diminuer de
10% à
30% (eg. de 3.2V à 2.0V) lorsque la cellule se décharge d'une charge complète
à une
charge minimale. On ne peut donc utiliser les piles lithium-polymère
conventionnelles dans des applications demandant une grande fiabilité, tels
que les
systèmes UPS qui fonctionnent dans des conditions qui peuvent être très
variables,
allant des conditions intérieures stables à des conditions extérieures
extrêmement
instables dans différentes régions climatiques.
Sommaire de l'invention
Un objet de l'invention est de fournir un contrôleur de piles à l'état solide,
telle
qu'une pile lithium-polymère, capable de gérer les besoins d'opération de la
pile de
sorte que cette dernière puisse être installée et utilisée de façon fiable.
Un premier objet de l'invention est de fournir un contrôleur de piles qui
maintient cette dernière à une température appropriée en fonction de son mode
d'opération.
Un second objet de l'invention est de fournir un contrôleur de piles qui
surveille le voltage individuel de chaque cellule et coupe le flux de courant
entrant ou
sortant de la pile lorsque le voltage de la cellule indique que l'alimentation
continue de
courant à la pile peut endommager une cellule de façon permanente.
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Un troisième objet de l'invention est de fournir un contrôleur de piles à
l'état
solide, telle qu'une pile lithium-polymère, qui surveille la température et
les niveaux
de courant, de façon à détecter une surcharge et stopper l'alimentation de
courant.
Un quatrième objet de l'invention est de fournir un contrôleur de piles
comprenant des moyens de télécommunication permettant de communiquer des
données d'évaluation de la performance de la pile à un centre de service ou un
utilisateur.
En ce sens, un objet de la présente invention est de fournir un contrôleur de
piles pour un système d'alimentation de réseau ("Network Powering System" ou
NPS)
pour contrôler et capter le statut et les conditions d'opération de piles
lithium-
polymère ou toute autre pile ayant des besoins similaires de contrôle de
température et
de courants.
Un autre objet de l'invention est de fournir une méthode de contrôle de la
performance d'une pile en ajustant sa température en fonction de l'état de la
pile et de
la tâche accomplie par cette dernière. La température interne des piles est
ajustée par
le contrôleur de piles, dépendant de son mode d'opération et détermine les
températures particulières en fonction du type d'application. Dans un mode de
réalisation préférentielle de l'invention, deux températures spécifiques sont
utilisées,
en l'occurrence 40 C et 60 C et le contrôleur de piles règle la température
interne
pour qu'elle soit à l'une ou l'autre de ces deux températures dépendant du
mode
d'opération des piles.
Un autre objet de l'invention est de fournir une méthode de contrôle à
distance
des contrôleurs de piles sur un réseau à partir d'une station d'acquisition de
données,
de contrôle et de surveillance, tel qu'un ordinateur personnel. Diverses
tâches peuvent
être effectuées à partir de cette station à distance incluant, éventuellement,
les mêmes
tâches qu'un administrateur local pourrait réaliser sur place de façon à
changer ou
ajuster les réglages des contrôleurs.
Dans une mise en ceuvre préférentielle de l'invention, le système de piles
contrôlé est un ensemble de neuf cellules branchées en série, ayant un voltage
maximum de 3.1 V/cellule, distribuant ainsi un voltage maximum de 28 V.
Toutefois,
d'autres ensembles de piles ayant un nombre différent de cellules internes,
avec des
voltages variés, peuvent également être contrôlés par le présent contrôleur de
piles.
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Selon l'invention, on retrouve un système de contrôle de piles comprenant un
électrolyte métallique et solide ayant plusieurs cellules contenues dans un
boîtier,
comprenant plusieurs détecteurs de température capables de détecter la
température
des cellules, plusieurs éléments chauffants capables de chauffer les cellules,
un
contrôleur des éléments chauffants recevant des signaux des détecteurs de
température
et contrôlant le courant alimentant les éléments chauffants de façon à
maintenir
chaque cellule à une température prédéterminée, et un contrôleur
d'alimentation pour
détecter une demande de puissance de la pile et fixer les températures
prédéterminées
en réponse au niveau de puissance et/ou la quantité d'énergie devant alimenter
la pile
ou fourni par la pile, le contrôleur d'alimentation établissant au moins une
température
de flottement, une température de charge et une température d'alimentation.
Préférablement, les éléments chauffants comprennent des feuillards disposés
entre les cellules plates prismatiques. Plus spécifiquement, les éléments
chauffants
comprennent des feuillards de plastique ayant au moins un élément chauffant
sous la
forme d'un circuit imprimé résistif. Les feuillards de plastique sont
préférablement
faits de KaptonTM. Les détecteurs de température sont préférablement localisés
aux
extrémités de l'empilement de cellules et près du milieu de cet empilement, et
les
éléments chauffants sont disposés entre chaque cellule en alternance, le
contrôleur
d'éléments chauffants contrôlant l'alimentation en courant aux éléments
chauffants de
façon indépendante pour les extrémités et le milieu de l'empilement.
Selon l'invention, on retrouve également un système de contrôle de piles à
électrolyte solide ayant un nombre de cellules branchées en série et une
connexion
pour l'alimentation comprenant un détecteur de voltage pour détecter le
voltage de
chaque cellule pendant l'utilisation, des moyens pour interpréter le voltage
détecté et
pour déterminer si une cellule est susceptible d'être endommagée par un usage
continu, et des moyens pour débrancher la pile de la connexion d'alimentation
suite à
une détermination qu'une des cellules peut être endommagée.
Brève description des dessins
L'invention sera maintenant décrite à l'aide des modes de réalisation
préférentiels suivants que l'on retrouve dans les dessins.
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La Figure 1 est une vue en perspective d'une pile selon un mode de réalisation
préférentiel de l'invention;
La Figure 2 est un schéma bloc du système de contrôle d'une pile selon un
mode de réalisation préférentiel de l'invention;
La Figure 3 est une vue schématique de côté du système de contrôle d'une pile
selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention;
La Figure 4 illustre un élément de chauffage pour insertion entre les cellules
d'une pile selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention;
La Figure 5 illustre une représentation générale du système NPS;
La Figure 6 illustre un diagramme de l'état du contrôleur de la pile, dans
lequel
les flèches allant d'un état à l'autre représentent les conditions qui doivent
être
satisfaites pour modifier l'état d'opération du contrôleur;
La Figure 7 illustre le diagramme relationnel du contrôleur NPS;
La Figure 8 illustre un diagramme bloc du contrôleur NPS;
La Figure 9 illustre un diagramme montrant la circulation de l'information
dans le contrôleur NPS;
La Figure 10 illustre le diagramme bloc du logiciel du présent contrôleur;
La Figure 11 illustre comment une station d'acquisition, de contrôle et de
surveillance à distance peut contrôler plusieurs contrôleurs de piles dans un
réseau; et
La Figure 12 illustre un exemple de configuration dans laquelle les
contrôleurs
de piles sont utilisés pour contrôler et surveiller plusieurs piles, et dans
laquelle ces
contrôleurs sont surveillés à distance par une station de surveillance.
Description détaillée des modes de réalisation nréférentiels
Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, la pile est utilisée
dans
une chaîne de piles rechargeables composant un système NPS afin de donner un
système d'alimentation ininterrompue (UPS) pour de l'équipement électronique
ou de
télécommunication. La pile NPS est équipée d'une carte comprenant un circuit
de
contrôle pour contrôler et surveiller l'état et les conditions d'opération de
la pile. Ce
contrôleur électronique et sa méthode d'utilisation pour contrôler les piles
représentent
un des objets principaux de l'invention. Il est à noter que la pile et le
système de
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contrôle de la pile selon la présente invention ne sont pas limités aux
applications
NPS ou UPS.
La pile 15 contient des cellules lithium-polymère ayant une structure connue,
en particulier dans plusieurs demandes de brevet, brevets et publications du
présent
demandeur. Le boîtier 17 de la pile, tel qu'illustré à la figure 1, permet
l'installation
sur place, et est constitué d'une unité comprenant une coquille externe de
plastique
solide. La coquille du boîtier est scellée hermétiquement pour protéger la
pile
lithium-polymère de l'exposition à l'air. Deux bornes 18,18' dépassent du
boîtier 17 et
fournissent un courant direct (DC) de 25V. Alternativement, pour des
applications
NPS, il est possible de configurer la pile 15 pour fournir 50 V (DC). Deux
prises 19
et 19' de connexion de câbles de réseau sont présentes dans le boîtier 17 afin
de
permettre le branchement d'une interface de communication de la pile 15 en
chaîne
avec un réseau de communication et d'autres piles.
A l'intérieur de la pile 15, plusieurs cellules lithium-polymère 22 sont
branchées en séries afin d'établir le niveau de voltage désiré, par exemple, 9
cellules
ayant un voltage variant (dépendant de l'état de la charge) entre 2.0 et 3.2
volts,
peuvent être branchées en une série 20 pour fournir un voltage nominal de 24
V. La
pile 15 peut aussi comprendre une seule série 20, dépendant de la grosseur de
chaque
cellule individuelle 22 et des caractéristiques de courant à fournir et de
capacité
d'emmagasinage désirées pour la pile 15. Dans la Figure 2, on illustre une
seule série
20 de cellules 22 comprise dans le boîtier 17, par contre, deux séries 20
séparées
mécaniquement peuvent être branchées électriquement en série afin de fournir
un
voltage d'alimentation supérieur, ou alternativement, deux (ou plus) séries ou
empilements séparés mécaniquement peuvent posséder des cellules individuelles
branchées en paires parallèles (ou n-tuplées) pour fournir un plus grand
emmagasinage d'énergie tout en maintenant le même voltage d'alimentation.
Chaque
cellule 22 est formée d'un rouleau plat ou un empilement de films de piles
lithium-
polymère. La construction de telles cellules est bien connue, et peut
également
prendre la forme de feuillards individuels, de rouleaux cylindriques, de
rouleaux
rectangulaires plats, d'empilements pliés, etc. La série 20 de cellules 22 est
isolée à
l'intérieur du boîtier 17 afin de prévenir les pertes de chaleur.
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Telles qu'illustrées à la Figure 3, les cellules 22 sont électriquement
branchées
ensemble en série et disposées sous forme d'une chaîne créant un long
empilement.
Dans une mise en oruvre préférentielle, la série de cellules 20 est compressée
mécaniquement, tel que connu dans le domaine des piles lithium-polymère, afin
de
fournir une pression minimale d'environ 15 psi (100 kPa). Des éléments
chauffants
26 sont insérés à intervalles réguliers entre les cellules 22, tel qu'illustré
aux Figures 3
et 4, pour chauffer les cellules 22 à la température d'opération désirée.
Le contrôle de la température est important dans une pile lithium-polymère.
Les piles d'appoint conventionnelles ne requièrent ni chauffage ou
refroidissement
pour leur exploitation normale. Les piles lithium-polymère utilisées dans les
modes
de réalisation préférentiels doivent fonctionner à une température de 40 C
(indépendamment de la température ambiante). La température doit être élevée
jusqu'à 60 C afin de pouvoir libérer (ou pendant l'accumulation de charge,
acceptée)
une puissance plus haute. De plus, pendant la décharge de la pile, la
température de
cette dernière doit être augmentée si la panne de courant dure 30 minutes ou
plus.
Tel qu'illustré de façon schématique à la Figure 2, les détecteurs de
température 24, tels que des thermistances ou tout autre type de détecteurs de
température, détectent la température de la pile à différents endroits. La
méthode de
conversion des résistances des détecteurs de température en valeur actuelle de
température à partir d'un circuit de détecteurs de température 32 est bien
connue. Un
contrôle d'éléments chauffants 34 analyse la température et ajuste le cycle
d'opération
des éléments chauffants 26 afin de maintenir les cellules 22 à la température
désirée.
Les éléments chauffants 26 dans la mise en oruvre préférentielle sont
électriques et
sous forme d'éléments résistifs imprimés sur un film de plastique, par exemple
du
KaptonTM, (voir Figure 4) et isolés électriquement des cellules 22. Les bornes
des
éléments chauffants 26 sont localisées dans le haut de ces derniers, et les
détecteurs de
température 24 sont placés près d'une de ces bornes afin de détecter la
température
maximale. Les éléments chauffants 26, selon un mode de réalisation
préférentiel, sont
légers, prennent peu d'espace, ont de bonnes propriétés de transferts
thermiques et ne
génèrent pas de substances qui pourraient contaminer l'air inerte de la pile,
particulièrement lorsque utilisée à haute température. Les éléments chauffants
fonctionnent à un voltage nominal de la pile tels que les éléments 26 peuvent
être
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utilisés initialement froids afin de réchauffer les cellules 22. Les éléments
chauffants
26 peuvent être placés entre chaque cellule en alternance ou de façon plus
éparse.
L'avantage d'utiliser des éléments chauffants entre les cellules 22 est que la
chaleur
générée est transférée directement au corps des cellules 22. La compression
mécanique des cellules permet un excellent contact thermique. Il est important
de
fournir un chauffage qui permet d'éviter la génération de points chauds, et
qui est
capable de chauffer la pile à la température désirée rapidement et
efficacement.
La perte de chaleur du prisme rectangulaire formé 20 de cellules 22 branchées
en série est plus élevée aux extrémités qu'au milieu de l'empilement. Pour
cette
raison, il peut être souhaitable de fournir plus d'éléments chauffants aux
extrémités de
la série 20 que dans le centre. Dans une mise en oeuvre préférentielle, un
contrôle
séparé de température à chaque bout et dans la section centrale de
l'empilement de
cellules est prévu. La variation de température maximale permise entre les
séries 20
selon un mode de réalisation préférentiel est t2 C. Dans une mise en oeuvre
préférentielle, il y a six détecteurs de température (représentant les trois
zones)
disposés de façon à surveiller la température de la série 20 à chaque bout et
au centre.
Le nombre de détecteurs de température est doublé pour améliorer la fiabilité.
La température désirée est déterminée par un contrôleur d'alimentation 30.
Chaque mode possède une valeur de température prédéterminée. Dans le mode
"sleep", le système de contrôle de la température est inactif, et ce mode peut
être
considéré comme un mode de mise en attente. Dans le mode "stand-by", le
redresseur
de voltage a été détecté et une décision est prise de transférer au mode
"cold" après
une brève période. Dans le mode "cold", le système de contrôle de la batterie
utilise
la puissance du redresseur pour fournir le contrôleur de l'élément chauffant
afin de
chauffer les cellules de la pile à 60 C. Lorsque cette température est
atteinte, le
système devient en mode "charging" dans lequel l'interrupteur d'alimentation
35 se
ferme et la pile est chargée à partir du redresseur jusqu'à ce que le voltage
soit égal. Si
le redresseur fait défaut pendant la charge, le système tombe en mode "hot
power
failure", et la pile est maintenue à 60 C. Si le redresseur ne fait pas défaut
avant
d'avoir complété la charge, le système s'engage en mode "floating". Dans ce
mode, la
température peut descendre à 40 C, et la pile est prête pour alimentation dès
que le
redresseur fait défaut. Dans un tel cas, le système entre en mode "power
failure" et
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maintient la température de la pile à 40 C. A cette température, le LPB peut
émettre
50% de sa capacité d'énergie. Dans une décharge normale selon un mode de mise
en
oeuvre préférentiel, la pile 15 pourra durer au moins 30 minutes à 40 C. Après
30
minutes, la pile passe en mode "hot power failure", dans lequel la décharge se
poursuit
et la température de la pile est élevée à 60 C. A cette température, la pile,
dans le
mode de réalisation préférentiel, peut fournir toute sa capacité d'énergie.
Maintenir la
pile à une température plus basse à laquelle toute la capacité d'énergie n'est
pas
disponible dans l'état "floating" permet de prolonger la vie de la pile. En
augmentant
la température de la pile, tel que requis lorsque la panne est prolongée, une
capacité
d'énergie complète et une pile longue durée sont obtenues.
Le contrôleur du mode d'alimentation détecte le voltage aux bornes 18, 18', de
même que le courant fourni en utilisant la lecture d'un détecteur de courant
39. Le
contrôleur 30 génère un signal de température au contrôleur d'élément
chauffant 34
pour fixer la température au niveau approprié selon le mode de courant. Dans
un
schéma de contrôle de température simplifié selon un mode de mise en oeuvre
préférentiel, la température est maintenue à 40 C durant les 30 premières
minutes
d'utilisation normale du système d'appoint, et par la suite la température de
la pile est
élevée à 60 C afin de permettre l'alimentation en continu même si la pile est
partiellement déchargée. Le contrôleur 30 pourrait alternativement élever la
température de la pile progressivement au fur et à mesure que l'énergie de
cette
dernière est émise. Le contrôle de l'échange entre les modes "cold" et "stand-
by" peut
aussi être déterminé par un opérateur en utilisant l'interface 40.
Le système de contrôle selon un mode de réalisation préférentiel comprend
plusieurs éléments de sécurité et de surveillance d'exploitation. En premier
lieu, le
voltage de chaque cellule 22 est mesuré en utilisant un bus 28 et un circuit
36 de
surveillance et de mesure du voltage de la cellule. Dans le cas de pile
lithium-
polymère, une cellule individuelle peut perdre sa capacité d'alimentation à un
certain
moment pendant la décharge, et conséquemment son voltage peut diminuer plus
rapidement. Le voltage des cellules individuel peut être mesuré et comparé sur
une
échelle absolue (i.e. le voltage en volts) ou le voltage mesuré peut être
comparé à celui
des autres cellules. Dès qu'un voltage inférieur à une valeur acceptable est
détecté
pour une seule cellule 22, e.g. soit 2.0V ou un pourcentage du voltage des
autres
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cellules, le circuit 36 débranche la série de cellules 20 en ouvrant un relais
37. En
stoppant l'utilisation continue de la série de cellules 20, on prévient les
donunages à la
cellule individuelle 22 ayant un voltage bas. Toutefois, une recharge complète
de la
série suivie par une répartition dans les cellules 20 permettra la cellule à
bas voltage
22 d'être utile pour d'autres cycles. La répartition du courant dans la pile
permet
d'obtenir une charge (i.e. un voltage), identique pour chacune des cellules.
Afin
d'atteindre ce but, chaque cellule possède un mode de charge actif spécial
pour
alimenter en courant le bus 28 pour charger individuellement chaque cellule 22
jusqu'à ce qu'elles atteignent un voltage commun, e.g. 3.2V.
Deuxièmement, le courant alimenté par la pile est surveillé par un détecteur
39. Une surintensité, résultant typiquement d'un court circuit externe, est
détectée et
un contrôleur 38 ouvre un relais 35. S'il existe une seule série 20 dans la
pile 15, les
interrupteurs 37 et 35 seront le même interrupteur. Le contrôleur 38 détecte
le voltage
aux bornes 18,18', et lorsque le voltage retourne à une valeur supérieure à
zéro,
l'interrupteur 35 est fermé et l'alimentation peut reprendre. De cette façon,
le cyclage
de l'interrupteur d'alimentation 35 est empêché.
Troisièmement, le contrôleur 34 de l'élément chauffant détecte une condition
de température excessive, par exemple une température supérieure à 80 C, et
débranchera la série de piles 20 des bornes 18,18' jusqu'à ce que la
température baisse
à une valeur de 40 C. En plus du contrôle électronique des éléments chauffants
électriques permettant de prévenir les températures excessives, un fusible
thermique
peut être installé afin de débrancher l'alimentation des éléments de chauffage
26
lorsque la température de la pile atteint 93 C. Le fusible d'arrêt thermique
se retrouve
préférablement à un endroit susceptible d'être le plus chaud dans le boîtier.
Le fusible
thermique peut comprendre un NTE-8090 (fabricant NTE Electronics). Une
surchauffe extrême est dangereuse car le lithium pourrait se liquéfier (à 180
C) et
devenir volatile si exposé à l'air.
L'interface de surveillance à distance 40 recueille l'information relative aux
voltage, courant, température et alimentation afin de compiler des rapports de
performance et d'opération. L'interface 40 peut être directement branchée via
un
modem à une ligne téléphonique sur le site de l'équipement de
télécommunication
dans le but de transmettre les rapports sur l'état du système électronique.
Les rapports
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peuvent être transmis à intervalle régulier ou à n'importe quel moment
lorsqu'un
problème est détecté. L'accès à distance de l'interface 40 peut également être
réalisé,
non seulement lorsque des rapports sont transmis, mais également sur une
requête à
distance, c'est-à-dire, l'interface 40 peut fournir de l'information ou
accepter une
commande transmise via le réseau de télécommunication. Le réseau sur lequel
l'interface 40 est branché peut être un réseau de données tel que l'intemet ou
un réseau
de commutation par paquet privé.
Pour un NPS, la décision d'arrêter l'alimentation de la pile, dans des
conditions
de température ou de voltage des cellules douteuses mais pas dommageables pour
la
pile, peut être prise soit à partir d'une station centrale de décision à
distance d'un
fournisseur de service de télécommunication ou à partir d'un algorithme
(fonctionnant
dans l'interface 40 ou dans un des contrôleurs de la pile 15) qui tient compte
des
données sur l'état (obtenues par communication via l'interface 40) d'autres
piles
branchées en parallèle avec la pile 15. Si la pile 15 n'est pas critique au
maintien en
service de l'équipement de télécommunication, préférablement un arrêt, quoique
optionnel, devrait être fait.
Concepts opérationnels
La Figure 5 illustre un système de pile NPS branché entre un équipement de
télécommunication et un redresseur de puissance de grille. La pile et le
système de
contrôle sont composés de la pile elle-même avec un interrupteur
d'alimentation
(SWpower), d'un dispositif de chauffage d'un interrupteur de contrôle de
chauffage
(SWheater), et trois détecteurs pour surveiller le voltage et le courant de
l'interrupteur
et la température de la pile. Par exemple, la pile peut être composée de 9
cellules
branchées en série, de façon à fournir un voltage maximal de 28 Volts/pile
(VCe,js 3.1
volts).
Afin d'obtenir la performance requise et les conditions de mise en oruvre, le
dispositif de chauffage de la pile est utilisé afin de maintenir la
température interne à
des températures particulières qui sont souhaitables pour des performances
optimales
de la pile, tel que 40 C (température dite "floating") ou 60 C (température de
charge)
selon le mode d'exploitation de la pile. Il est à noter que les températures
utilisées
dans la présente demande sont foulnies uniquement à titre d'exemple et ne
doivent pas
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être considérées comme limitant la portée de l'invention. D'autres
températures ou
intervalles de températures peuvent être aussi bien utilisés. Par exemple, un
système
utilisant plus de deux températures différentes peut être mis en oeuvre selon
le
principe de la présente invention.
Tel qu'illustré dans le diagramme d'état de la Figure 6, lorsque la pile est
en
service, la température de cette dernière est amenée à 60 C pour la recharger.
Lorsque
la pile est complètement rechargée, elle entre en mode "floating" et la
température de
la pile est baissée à 40 C. En cas de panne, la pile est maintenue à 40 C
pendant les
trente premières minutes et tombe ensuite en mode "hot power failure" dans
lequel la
température est élevée à 60 C.
La pile demeure en service tant et aussi longtemps qu'elle est branchée, sinon
elle retourne en mode "stand-by". De plus, pendant une panne, la pile demeure
en
service tant que le voltage interne de chaque cellule est plus grand que 2
volts, la
température est inférieure à 80 C ou le courant est inférieur à celui d'un
court circuit.
Aussitôt qu'une cellule atteint un voltage de 2 volts, l'alimentation et
l'interrupteur du
dispositif de chauffage sont ouverts et la pile retourne en mode "stand-by"
jusqu'à ce
que l'alimentation revienne pour répéter le cycle.
Initialement, le logiciel NPS débute en mode "stand-by" et procède seulement
avec les modes opérationnels suivants lorsque branché. Tel qu'illustré à la
Figure 6, la
transition d'un état à l'autre est régit par des événements spécifiques et/ou
des
conditions opérationnelles.
Les modes "short-circuit" et "overtemperature" sont associés à une panne.
Dans les modes "stand-by" et "cold", l'alimentation de la pile est coupée
(SWpower
est ouvert) et dans tous les autres modes l'alimentation de la pile est
allumée
(SWpower est fermé).
La détection d'une surchauffe est simplement obtenue par la surveillance de la
température interne de la pile et le court-circuit en surveillant l'état de
l'interrupteur de
l'alimentation. L'interrupteur d'alimentation comprend un circuit de détection
qui
ouvre automatiquement l'interrupteur lorsque le courant excède 50 ampères.
Après la
fermeture de l'interrupteur d'alimentation, dès que le logiciel détecte que
l'interrupteur
d'alimentation a été ouvert par le circuit de détection, il entre directement
en mode
"short-circuit.
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Dans le mode "stand-by", le circuit NPS attend d'être mis en service (branché)
et la pile et les interrupteurs du dispositif de chauffage sont gardés
ouverts. Dans ce
mode, le logiciel surveille le voltage à l'interrupteur (Vswitch) et lorsque
la lecture de
Vswitch est:
- négative, ce qui signifie que le redresseur est branché à la pile et que le
voltage
de la pile est inférieur au voltage du redresseur, le logiciel tombe en mode
"cold";
- zéro, ce qui veut dire que la pile est débranchée ou que le voltage du
redresseur est égal au voltage de la pile; le logiciel ferme momentanément le
dispositif
de chauffage afin de vérifier le voltage résultant de l'interrupteur. Si
Vswitch demeure
à zéro, le redresseur est branché sur la pile et le logiciel tombe en mode
"cold".
Autrement, la pile est autonome et le logiciel demeure en mode "stand-by";
- positive, ce qui signifie que la pile est branchée mais qu'aucune
alimentation
externe n'est appliquée à la pile, le logiciel demeure en mode "stand-by" si
la
température est égale ou supérieure à 40 C, la pile s'engage en mode "power
failure".
Dans le mode "cold" ou de réchauffement, l'intennipteur d'alimentation de la
pile demeure ouvert et le dispositif de chauffage est allumé. Le processus de
réchauffement est utilisé pour amener la température de la pile à 60 C avant
de
recharger. En sortant du mode "cold", une vérification doit être effectuée
afin de
déterminer si un court-circuit existe avant de tenter de fermer l'interrupteur
d'alimentation de la pile.
En mode "charging", l'interrupteur d'alimentation est fermé et la température
de la pile est gardée à 60 C. La pile est rechargée jusqu'à ce que le voltage
atteigne le
voltage du redresseur (i.e. Vswitch = 0) . Lorsque la pile est complètement
rechargée,
la température de cette derriière est ajustée à 40 C et la pile tombe en mode
"floating".
Lors de la charge de la pile:
- en cas de panne, puisque la température est déjà de 60 C, le logiciel
s'engage
en mode "hot power failure";
- si la pile est débranchée, elle retourne en mode "stand-by".
En mode "floating", l'interrupteur d'alimentation est fermé et la température
de
la pile est maintenue à 40 C. La pile demeure dans ce mode jusqu'à ce qu'elle
soit
débranchée ou qu'il y ait une panne de courant, un court-circuit ou une
surchauffe.
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-14-
Les modules du logiciel du contrôleur surveillent continuellement le voltage
et
le courant à l'interrupteur, et dès que le courant devient supérieur à 0, soit
que la pile a
été débranchée, ou il y a une panne de courant. En fermant le dispositif de
chauffage,
si le courant descend à 0, la pile est débranchée et le logiciel entre en mode
"stand-
by". Autrement, si le courant demeure supérieur à 0, le logiciel entre en mode
"power
failure".
En mode "power failure", l'interrupteur d'alimentation demeure fermé et la
température de la pile est maintenue à 40 C. La pile entre dans ce mode dès
qu'il n'y a
plus d'alimentation du redresseur. La pile demeure dans ce mode pour une
période de
temps inférieure à 30 minutes ou jusqu'à ce que l'alimentation du redresseur
soit
restaurée ou que la température atteigne 80 C, ou la pile est débranchée, ou
le voltage
de n'importe quelle cellule individuelle descend à 2 volts ou moins. Lorsque
le délai
de 30 minutes est atteint, la température de la pile est élevée à 60 C et la
pile tombe
en mode "hot power failure". Lorsque l'alimentation revient, la pile revient
directement en mode "charging". Si la pile est débranchée ou le voltage de la
cellule
descend à 2 volts ou moins, les dispositifs de chauffage et les interrupteurs
d'alimentation sont ouverts et la pile entre en mode "stand-by".
Dans le mode "hot power failure", l'interrupteur d'alimentation est maintenu
fermé et la température de la pile est gardée à 60 C. Le logiciel demeure dans
ce
mode aussi longtemps que l'alimentation n'est pas revenue, ou la pile
débranchée, ou
jusqu'à ce que le voltage des cellules atteigne 2 volts, ou une surchauffe ou
un court-
circuit est détecté. Lorsque l'alimentation revient, la pile entre directement
en mode
"charging".
Dans le mode "short-circuit", l'interrupteur d'alimentation est
automatiquement
ouvert par un circuit de détection de surintensité et le dispositif de
chauffage est
éteint. La pile demeure dans ce mode aussi longtemps que le court-circuit
n'est pas
corrigé. Lorsque tel est le cas, la pile retourne au mode "cold".
Référant à la Figure 5, illustrant un court-circuit externe à la pile, la
lecture du
voltage à l'interrupteur est égale au voltage de la pile. Tant et aussi
longtemps que la
lecture du voltage demeure supérieure à zéro, le logiciel demeure en mode
"short
circuit". Lorsque le voltage devient nul, le logiciel retourne en mode "cold".
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Si la température de la pile atteint 80 C, cette dernière s'engage en mode
"over
temperature" et l'interrupteur d'alimentation est ouvert, le dispositif de
chauffage est
éteint et le logiciel entre en mode "over temperature". La pile demeure dans
ce mode
aussi longtemps que la température est supérieure à 40 C. Lorsqu'elle atteint
40 C ou
moins, elle tombe en mode "stand-by".
La Figure 7 illustre un diagramme relationnel du NPS. Le logiciel NPS est en
interface avec l'interrupteur de la pile, les détecteurs de voltage des
cellules et le
système de chauffage. Il constitue une interface pour l'opérateur permettant
de
commander et contrôler l'opération de la pile et transmet l'information
relative à la
surveillance de la pile.
Le système de pile NPS utilise une interface en série pour communiquer avec
des dispositifs externes. En utilisant les commandes prescrites, il est
possible de
demander de l'information ou de modifier les paramètres fonctionnels du
logiciel.
L'interrupteur d'alimentation de la pile (SWpower) est activé, ouvert ou
fermé,
par le logiciel sauf lorsqu'un court-circuit est présent, ce qui entraîne un
circuit
électronique à prendre le dessus sur la commande du logiciel. Lorsque fermé,
un
circuit de détection (matériel informatique) surveille le courant qui passe à
travers
l'interrupteur, et ouvre automatiquement ce dernier dès que le courant excède
50
ampères. Le circuit de détection vérifie également l'état de l'interrupteur
(on/off), le
voltage et le courant. Cet état est une valeur digitale, alors que le courant
et le voltage
sont des valeurs analogiques variant entre 0 et 5 volts. Ces deux signaux sont
transmis à un convertisseur A/D pour lecture par le logiciel.
Le dispositif de chauffage est utilisé afin de régler la température interne
de la
pile au niveau opérationnel correspondant au mode d'exploitation. En mode
"stand-
by", l'interrupteur du dispositif de chauffage est en position off/on afin de
déterminer
la présence du redresseur ou d'une charge. Dans les modes "short circuit" et
"over
temperature", le dispositif de chauffage est éteint. Dans les modes "cold",
"floating"
et "power failure", la température est fixée à 40 C. Dans les modes "charging"
et "hot
power failure", la température est fixée à 60 C.
Le système de pile NPS est composé de 9 cellules branchées en série. Le
voltage produit par chaque cellule est transmis à un multiplexeur analogique
et de là, à
un convertisseur A/D. Ce qui veut dire que le logiciel peut mesurer le voltage
de
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sortie de chaque cellule individuellement en choisissant la voie appropriée
sur le
multiplexeur et en lisant les résultats de la conversion obtenue du
convertisseur A/D.
Le logiciel surveille continuellement chaque cellule et lorsque le voltage
d'une
cellule (peu importe laquelle) atteint 2 volts, l'interrupteur d'alimentation
de la pile et
la pile entrent en mode "stand-by".
Le système NPS peut être basé sur un micro-contrôleur 68HC11F1 de
Motorola. Le micro-contrôleur peut être utilisé en mode expansé et peut
utiliser les
ressources suivantes du 68HC 11 F 1:
- 24 unités d'entrée-sortie comprenant un bus de 8 bits de données et 16 bits
d'adresses (64K d'espace d'adresse);
- 512 bits de mémoire morte (EEPROM);
- 1024 bits de mémoire vive (RAM);
- interface de communication en série Asynchrone (SCI) (duplex complet,
NRZ);
- interface périphérique en série Synchrone (SPI); et
- 14 unités d'entrée-sortie.
Tel qu'illustré à la ligne 8, les ressources suivantes peuvent être ajoutées
au
68HC11F1 pour le système de piles NPS:
- 32 Kbits de mémoire vive (RAM);
- 16 multiplexeurs à 16 voies;
- convertisseur A/D de 16 bits;
- circuit adaptatif d'interface à duplex complet et boucle de courant;
- circuit de commutation de piles;
- circuit de détection de température de résistance (RTD).
Services du système d'onération et ressources du matériel informatique
Le logiciel NPS n'est dépendant d'aucun système opérationnel. Il utilise des
événements d'interruption pour passer d'une tâche à l'autre. Les deux sources
d'événements sont la communication SCI et les interruptions de l'horloge en
temps
réel.
Le logiciel NPS utilise une horloge en temps réel comme programmeur de
tâches pour surveiller les paramètres de la pile et les modes de supervision.
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Le mode d'amorçage 68HC 11 est utilisé pour télécharger un programme dans
le 68HC 11 1 Kbits RAM interne. Lorsque le procédé de téléchargement est
complété,
le 68HC 11 démarre automatiquement l'exécution de ce programme.
Pour le système NPS, ce mode est utilisé pour télécharger un utilitaire pour
charger
cette application dans une mémoire RAM statique non volatile de 32 Kbits. A
cet
effet, le logiciel d'amorçage initialise le contrôleur de communication et
établit la
configuration des 68HC 11 unités d'entrée-sortie selon les conditions
appropriées.
Après que le procédé d'initialisation ait été complété, l'utilitaire de
téléchargement
établit le SCI en mode de réception et attend que l'application télécharge les
fichiers.
Le format de téléchargement de fichiers doit être en code Motorola S 1.
Après que l'application a été téléchargée dans la mémoire, le mode d'amorçage
est retiré et le tout est remis à zéro afin de démarrer l'application.
Le mode prolongé est utilisé pour mettre en oeuvre le logiciel de
l'application
NPS. Ce mode fournit un bus d'adresse non-multiplexé de 16 bits et un bus de
données de 8 bits. De plus, le logiciel requiert l'utilisation de:
- Port D bits 4,3,2 pour la transmission synchrone SPI;
- Port D bits 2-1 pour la communication SCI;
- Minuterie en temps réel;
- "Program chip select" (PG 7); et
- Unités d'entrée-sortie (PG 5-0 et PA).
Description des dépendances
La Figure 9 illustre un diagramme de circulation des données dans les
composantes du logiciel NPS.
La fonction de lecture des voltages de cellule utilise un multiplexeur
analogique pour choisir une cellule donnée et un convertisseur de 12 bits A/D
afin
d'obtenir une lecture de voltage. Sur demande, cette fonction lit 10 voltages
d'une
cellule et envoie les résultats à une interface SCI. De plus, si la lecture de
voltage
d'une cellule (peu importe laquelle) est inférieure ou égale à 2 volts, une
alarme est
déclenchée afin de signaler une défaillance.
Le circuit d'interruption fournit de l'information sur l'état (on/off), le
voltage et
le courant. Cet état est obtenu par la lecture du port d'entrée PA-2 et le
voltage de
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l'interrupteur, et le voltage de l'interrupteur et le courant sont obtenus par
conversion
de 12 bits A/D sur les voies 10 et 11 respectivement du multiplexeur.
La fonction de contrôle du chauffage est utilisée afin de maintenir la
température de la pile à un niveau souhaité. Il reçoit la température
prédéterminée
moins une valeur de zone morte. Dès que la température est inférieure ou égale
à la
température prédéterminée moins la valeur de la zone morte, le dispositif de
chauffage
est allumé. Par contre, si la température est supérieure ou égale à la
température
prédéterminée plus la valeur de la zone morte, le dispositif de chauffage est
éteint.
La fonction de contrôle du dispositif de chauffage donne une lecture de
température à partir d'une conversion de 12 bits A/D sur la voie 12 du
multiplexeur.
Le signal de température est généré par un circuit de détection de température
de
résistance (RTD) qui fournit une lecture de voltage proportionnelle au niveau
de la
température. La fonction du contrôle de l'environnement surveille les
paramètres de
la pile et détermine le mode opérationnel de la pile selon la lecture de
courant et de
voltage de l'interrupteur de l'alimentation. Il surveille en outre la
surchauffe et les
courts-circuits, et contrôle les interrupteurs d'alimentation et du dispositif
de
chauffage en ce sens.
La fonction d'interface de l'opérateur fournit une série de commandes de
contrôle et de questions pour modifier les paramètres d'opération ou pour
vérifier
l'information de surveillance. La fonction de remise de l'interrupteur est
utilisée afin
de contrôler l'interrupteur d'alimentation de la pile. Lorsque activée, cette
fonction lit
l'information du circuit de détection de l'interrupteur d'alimentation afin de
confirmer
l'état de l'interrupteur avec la commande envoyée.
Modules du logiciel du contrôleur de la pile
Plusieurs modules de logiciel réalisent diverses tâches sur la carte du
contrôleur de la pile. Par exemple, certains de ces modules sont décrits dans
les
paragraphes suivants.
Avec les 1 logique sur les pattes d'entrée MODA et MODB du 68HC 11, le
micro-contrôleur démarre automatiquement en mode expansé. Ce qui veut dire que
les dispositifs B, F et C d'entrée-sortie sont configurés en bus d'adresse 16
bits et bus
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de données 8 bits respectivement et tous les autres dispositifs d'entrée-
sortie sont
configurés comme dispositifs d'entrée.
Cette fonction initialise les pattes de sortie sur les dispositifs A et G et
détermine leur valeur respective selon:
PA 7-4 Sélecteur de voie de multiplexeur 0
PG 3-2 Contrôle de l'interrupteur de OFF ( 1-0 )
l'alimentation
Le système d'acquisition du contrôleur de la pile est basé sur un
convertisseur
externe 12 bits A/D ayant un multiplexeur analogique de 16 voies. Le
convertisseur
externe A/D utilise une interface synchrone, compatible avec le protocole de
communication Motorola SPI, pour recevoir et transmettre des données.
Les cellules de la pile sont branchées aux 10 premières des 16 voies du
multiplexeur analogique MAX306 et la sortie de ce dernier est envoyée à un
convertisseur A/D (LTC1286) afin de convertir le signal. Les cellules 1 à 9
sont
branchées aux voies 0 à 8. La sélection de voie est réalisée par le port de
sortie PA-4
à PA-7. Lorsqu'une voie est choisie, un délai d'au moins 5 ms doit être
présent pour
que le signal correspondant se stabilise avant la conversion A/D.
Les signaux de voltage et de courant, pour le voltage relatif de
l'interrupteur
d'alimentation de la pile et le courant drainé, sont également transmis au
multiplexeur
analogique pour conversion par le convertisseur A/D (LTC1286). Le voltage de
l'interrupteur est obtenu sur la voie 11 et le courant de l'alimentation sur
la voie 11.
Le voltage de l'interrupteur et la fonction de courant choisit chaque voie
pour
la conversion et enregistre les résultats du convertisseur A/D en deux
variables.
La température est obtenue par le détecteur RTD localisé à l'intérieur de la
pile. La valeur RTD est convertie en un équivalent de voltage et transmise à
la voie
12 analogue du multiplexeur. La température est obtenue en convertissant le
signal
RTD avec un convertisseur A/D (LTC1286). La lecture de température est
retournée
telle quelle (sans conversion) à la routine d'appel.
La fonction d'interface de l'opérateur traite les messages reçus sur la voie
de
communication et retourne une requête d'analyse.
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Le planificateur est branché à la minuterie en temps réel 68HC11. Le
planificateur vérifie les paramètres de la pile et configure le logiciel dans
le mode
d'opération approprié selon le diagranune d'état illustré à la Figure 6. Avec
un cristal
de 8 MHz, la minuterie en temps réel est configurée pour générer une
interruption
(référence de la minuterie) à chaque 32.77 ms, ce qui veut dire que le
planificateur est
mis en oeuvre à une vitesse d'environ 30 Hz. A chaque fois que le
planificateur est
mis en oeuvre, il augmente le nombre de références de la minuterie au délai
désiré.
Lorsque le délai est atteint, la fonction correspondante (ou tâche) est mise
en oeuvre et
le compte est remis à zéro pour redémarrer le procédé.
Accès et contrôle à distance du contrôleur de pile
Le contrôleur de pile susmentionné peut être contacté via un réseau tel que
l'internet, de façon à être contrôlé à distance à partir d'un ordinateur. La
Figure 7
illustre une représentation générale de plusieurs contrôleurs de pile qui sont
accédés et
contrôlés à partir d'une station d'acquisition, de contrôle et de surveillance
de données
à distance.
Différents protocoles tels que TCP/IP ou UDP peuvent être utilisés de façon à
accéder à distance aux contrôleurs de pile via un réseau. La communication
établie
entre la station de contrôle et les contrôleurs de pile permet le transfert de
données de
façon sécuritaire en utilisant un encryptage et une protection par mot de
passe. L'unité
de contrôle UPS peut également fournir des enregistrements de données pour
transfert
FTP, lorsque requis par l'utilisateur. D'autres emplacements de communication
peuvent également être utilisés pour accéder à distance aux contrôleurs de
pile. En
utilisant l'internet ou tout autre réseau étendu, les systèmes d'acquisition
de données,
de contrôle et de surveillance peuvent être situés n'importe où.
Le système NPS global, tel qu'illustré à la Figure 12, comprend un contrôleur
de communication NPS établissant un lien de conununication à distance avec un
noeud, le limiteur de courant du NPS qui fournit les fonctions de surveillance
pour une
série de 2 piles, et le contrôleur de pile NPS qui fournit la surveillance et
le contrôle
requis sur chaque pile.
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La station de surveillance à distance du NPS doit obtenir le journal de
station
enregistré par le contrôleur de communication du NPS et fournir les fonctions
de
surveillance afin d'afficher l'histogramme et l'état actuel du système NPS.
Il est à noter que la Figure 12 fournit uniquement un exemple d'une
configuration de système NPS. Le nombre de contrôleurs de pile de même que le
nombre et le type de limiteurs de courant du NPS peuvent varier d'une
application à
l'autre, dépendant du voltage de sortie des piles.
Une station portable NPS peut être utilisée avec un administrateur de
contrôleur de pile pour surveiller localement l'état d'un système NPS et pour
fournir la
fonctionnalité requise au service des composantes du système NPS. En
particulier, il
doit être utilisé pour:
- mettre à jour le logiciel;
- modifier les paramètres d'opération;
- télécharger le journal de station du système NPS contenu dans le contrôleur
de
communication du NPS.
Éventuellement, les deux stations (i.e. portable et à distance) peuvent être
configurées de façon à remplir les mêmes tâches.
Une station locale est requise pour desservir le serveur de communication
local sur le site du contrôleur de la pile, tel qu'illustré à la Figure 12. Ce
contrôleur de
communication UPS est utilisé comme interface entre le contrôleur de pile et
la
station d'acquisition de contrôle et de surveillance à distance. Sa tâche est
de
transmettre et recevoir des données sur le réseau de communication (internet
ou autre)
vers et à partir de la station à distance. Par exemple, sans toutefois s'y
restreindre, le
contrôleur de communication UPS peut avoir les caractéristiques suivantes:
- utilisation de Windows 95/NT;
- avoir une interface de communication Lonworks FTT-10 78 kbits;
- fournir un service de transfert de fichier Lontalk; et
- avoir un espace de disque très grand pour permettre l'enregistrement
chronologique des données et des programmes.
Bien que la présente invention soit décrite en référence à des modes de
réalisation préférentiels, il est entendu que la présente description ne se
réfere qu'à des
modes de réalisation préférentiels et ne doit pas être considérée comme
limitant la
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portée de l'invention qui comprend différentes mises en oruvre telles que
définies dans
les revendications ci-après.
