Académie de Rennes Thème 2009 Bac S.T.I. Génie électronique Panneau Solaire Automatisé Séquence 3A Durée:2h PRESENTATION SIMPLIFIEE DU CHARGEUR ET DU LOGICIEL ASSOCIE Pré-requis:notions de base sur quelques composants fondamentaux (transistors, diode, condensateurs) Savoirs: principe de fonctionnement d'un chargeur à capacité commutée associé à un panneau solaire Savoir-faire:sans objet Conditions matérielles:sans objet Évaluation: pas d'évaluation de prévue pour cette séquence, cependant la parfaite compréhension des explications contenues dans ce document est nécessaire pour aborder la séquence 3B Panneau Solaire Automatisé Électronique Séquence 3A Page 1/15
I ) Pourquoi un chargeur spécifique? Charger une batterie revient à remplir un réservoir d'énergie. Ce réservoir a une certaine capacité qui s'exprime en Ampère x heure (A.h). Ce réservoir se recharge dès lors que l'on fait circuler un courant du chargeur vers la batterie. Avec un chargeur classique, il suffit de disposer d'une tension en sortie du chargeur toujours supérieure à celle de la batterie à charger pour qu'un courant de charge puisse s'établir. Condition assez facilement réalisable lorsque l'énergie est obtenue à partir du réseau de distribution électrique. Il en va tout autrement lorsque l'on utilise les énergies renouvelables issues des sources photovoltaïques (panneaux solaires) ou des éoliennes. En effet la tension disponible en sortie du panneau solaire dépend de l'ensoleillement il peut donc être rapidement impossible de charger une batterie de 12 volts même avec un panneau solaire dont les caractéristiques affichent 14 volts mais dont la tension de sortie réelle n'excède pas 10 volts en l'absence de soleil. Sans un chargeur spécifique on ne pourrait utiliser ces panneaux que très peu d'heures par jour. On estime que c'est plus de 40% de l'énergie solaire disponible qui serait ainsi perdue. II) Le chargeur à condensateur commuté Inventée par Nicolas Tesla dès 1901, la méthode dite du condensateur commuté sépare physiquement la source (ici le panneau solaire) de la batterie. Les figures ci-dessous illustrent le procédé de charge de batterie à travers un condensateur commuté. Le cycle de charge comprend deux étapes caractéristiques: phase 1 : Panneau solaire source DC I panneau hacheur I charge Batterie en charge U c Dans cette phase le panneau solaire alimente le condensateur C à travers un dispositif appelé hacheur. Les flèches montrent le sens du courant. Dans ces conditions la tension aux bornes du condensateur peut théoriquement augmenter indéfiniment. Lorsque la tension aux bornes du condensateur a atteint une certaine valeur dite Uc_max on passe à la phase 2. Remarque fondamentale : Le temps mis par le condensateur pour atteindre cette charge Uc_max dépend essentiellement de la puissance de la source de manière largement indépendante de la tension de cette source Panneau Solaire Automatisé Électronique Séquence 3A Page 2/15
phase 2 Panneau solaire source DC hacheur Batterie en charge U c Dans cette seconde phase le condensateur dont la tension initiale Uc_max est supérieure à celle de la batterie se décharge dans celle-ci. A la fin de cette décharge la tension aux bornes du condensateur sera sensiblement égale à celle de la batterie. On recommence alors un nouveau cycle. APRES N CYCLES A chaque cycle on remplit le «grand réservoir» batterie avec le «petit réservoir» condensateur. Dans ces conditions, la batterie va donc, petit à petit, se charger. Cette charge s'arrêtera dés lors que le condensateur ne pourra plus, au cours de la phase 2, se décharger dans la batterie, c 'est à dire lorsque la batterie aura atteint la valeur Uc_max. CONCLUSIONS - il est possible grâce à cette méthode de charger une batterie de 12 volts même si la tension disponible en sortie du panneau est inférieure à 12 volts. - La valeur Uc_max correspond à la charge finale de la batterie. La charge finale de la batterie dépend du type de batterie que l'on veut charger : 14,8 volts pour une batterie au plomb ouverte 14,4 volts pour une batterie au plomb étanche 14,1 volts pour une batterie au gel Le logiciel associé devra effectuer au moins les opérations suivantes : - déterminer le type de batterie à charger - lire la charge acquise par le condensateur commuté (mes_uc) - prendre une décision en fonction de la valeur de la charge de la capa commutée: - soit configurer le matériel pour un fonctionnement dans la phase 1 - soit configurer le matériel pour un fonctionnement dans la phase 2 Panneau Solaire Automatisé Électronique Séquence 3A Page 3/15
A PRESENT, QUELQUES MOTS A PROPOS DU HACHEUR Panneau solaire source DC + HACHEUR Batterie en charge - mli Q1 U c disch Q2 remarque: le hacheur ne fonctionne que pendant la phase 1 Pendant tout le temps que dure cette phase le transistor Q1, qui fonctionne comme un interrupteur, est alternativement fermé puis ouvert en fonction d'un signal de type dont le rapport cyclique est variable; le transistor Q2, lui, est considéré comme un interrupteur ouvert. Lorsque Q1 est fermé un courant I s'établit entre le pôle + et le pôle - du panneau solaire en passant par la self et le transistor Q1. A l'ouverture de Q1, l'énergie stockée sous forme magnétique dans l'inductance est transférée vers le condensateur commuté via la diode D La série d'impulsions va charger progressivement le condensateur commuté C jusqu'à ce que la tension de ce condensateur dépasse Uc_max. Le logiciel de commande met alors fin aux impulsions et le transistor Q2 (commutateur de décharge) est alors fermé. Le condensateur commuté se décharge dans la batterie jusqu'à égalisation avec la tension de la batterie. Le logiciel associé doit donc pouvoir générer: - au cours de la phase 1 : une suite d'impulsions de rapport cyclique variable () jusqu'à ce que Uc atteigne la valeur Uc_max - au cours de la phase 2 : une impulsion d'une durée suffisante (DISCH) pour permettre au condensateur de se décharger (1ms est une valeur empirique (correcte). Panneau Solaire Automatisé Électronique Séquence 3A Page 4/15
La modulation de l'impulsion de fermeture de Q1 permet de moduler le courant moyen débité par le panneau solaire. Les chronogrammes ci-dessous montrent l'évolution du courant Ip pour deux valeurs de ² rapport cyclique du signal. La fréquence de ce signal est de 30khz. Ces chronogrammes sont donnés à titre d'exemples ; d'autres simulations peuvent d'ailleurs être réalisées sous ISIS à partir du fichier "panneau_hacheur.dsn" pour parfaire votre compréhension du système. Panneau Solaire Automatisé Électronique Séquence 3A Page 5/15
III) Étude du chargeur associé à sa source a) le Maximum Power Point Le panneau solaire est une source naturelle instable dont la caractéristique u = f(i) dépend fortement de l'ensoleillement. Courbes de caractéristiques I= f(u) correspondant à un ensoleillement maximum 3,5 3 Ampères 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Moins de soleil 0 5 10 15 20 25 Vol ts La lecture de cette courbe montre qu'il n'est pas très raisonnable de demander au panneau solaire de fournir un courant moyen supérieur à 3 ampères car dans ce cas, la tension aux bornes du panneau solaire chute très rapidement mettant en péril le bon fonctionnement de toute l'électronique du chargeur. C'est le rapport cyclique du signal de qui fait varier le courant moyen. Il ne devra donc pas excéder 50%. La puissance que peut fournir le panneau solaire est de l'ordre de 50 watts. Or le réseau de caractéristiques montre que si nous faisons débiter un courant de 1 ampère à ce panneau la tension à ses bornes sera de 19 volts. Il nous fournira donc une puissance de 19 watts (P = UxI) ce qui est bien loin des performances annoncées. En fait il existe un point de fonctionnement particulier qui permet au panneau de fournir la puissance annoncée : c'est celui pour lequel le produit UxI est maximum (c'est le MPP maximum power point). Plus le point de fonctionnement du chargeur se rapproche du MPP, plus la batterie stocke de l'énergie rapidement. Malheureusement cette courbe I = f(u) varie avec l'ensoleillement comme le montre la flèche "moins de soleil"; ce qui veut dire que le point de fonctionnement idéal varie au gré des nuages... Le logiciel associé doit donc : - vérifier que le panneau solaire travaille bien à son Maximum Power Point - ajuster en permanence le courant de charge pour rester au Maximum Power Point Panneau Solaire Automatisé Électronique Séquence 3A Page 6/15
b) comment vérifier que le panneau solaire travaille bien à son Maximum Power Point? α) Énergie transmise à la batterie Panneau solaire Ip K2 disch Up K1 Uc Batterie en charge Rappel: - la fermeture de K1 permet d'admettre un courant dans l'inductance. - A l'ouverture de K1 ce courant vient charger le condensateur - on referme alors K1 etc... - Ce condensateur se charge donc progressivement - Quand Uc devient supérieure à U_max on ferme K2 - Le condensateur se décharge dans la batterie jusqu'à ce que Uc = Ubat - un nouveau cycle recommence : fermeture de K1... Charge progressive Décharge dans la batterie Uc_max Ubat Delta T disch Panneau Solaire Automatisé Électronique Séquence 3A Page 7/15
A chaque cycle de "fermeture/ouverture" de K1 le condensateur acquiert de l'énergie qui lui est fournie par le panneau solaire. Cette énergie se calcule facilement à partir de la relation E= 1 C* (Uc)2 2 dans laquelle Uc est la charge du condensateur a un instant t Juste avant que ce condensateur ne se décharge dans la batterie l'énergie acquise par le condensateur vaut : E = 1 2 C* (Uc_max)2 De même, juste après la décharge dans la batterie, l'énergie qui reste dans le condensateur vaut: E = 1 2 C* (Ubat)2 Le "paquet" d'énergie transmis à la batterie vaut donc : ΔE = 1 2 C* (Uc_max2 - Ubat 2 ) Or entre deux charges successives du condensateur la tension aux bornes de la batterie n'a pratiquement pas évolué. On peut donc considérer qu'entre deux charges successives du condensateur, le "paquet" d'énergie transmis à la batterie est quasi constant et indépendant de la puissance fournie par la source. Ce qui évolue, c'est le temps de charge du condensateur. β) Mesure de la variation de la puissance fournie par le panneau solaire Nous avons vu que l'énergie transmise à la batterie au cours d'un cycle est constante et vaut ΔE. Notons que cette énergie a été fournie par le panneau solaire. Or la puissance= énergie temps Si on appelle ΔT le temps que dure un cycle, alors la puissance fournie à la batterie par le panneau solaire au cours d'un cycle vaut : P= ΔE ΔT Dès lors, si la puissance fournie par le panneau solaire vient à varier, alors ΔT varie car ΔEest quasi constant. Conclusion : pour mesurer la puissance fournie par la source, il suffit de mesurer ΔT Si ΔT décroît, la puissance fournie croît Si ΔT croît,t la puissance fournie décroît Le logiciel associé doit donc : - mesurer le temps qui sépare deux impulsions de "discharge" - comparer les ΔT successifs pour vérifier si un gain de puissance apparaît - modifier le rapport cyclique dans le sens de l'amélioration Panneau Solaire Automatisé Électronique Séquence 3A Page 8/15
III) Présentation du chargeur étudié Panneau solaire battin+ in- Plomb ouvert Plomb fermé gel * * * Témoin de charge batt+ alarme marche chargeur Batterie en charge Ce chargeur dit à "condensateur commuté" permet de charger une batterie de 12 volts. Le choix du type de batterie s'effectue grâce à un commutateur en face avant. La batterie peut être de type "Plomb ouvert", "Plomb fermé" ou "gel". Un vu-mètre à LEDS renseigne sur l'état de charge de la batterie (toutes les LEDS sont allumées lorsque la batterie est chargée). Une LED rouge s'allume en cas de dysfonctionnement et une LED verte indique que l'appareil est en fonctionnement. IV) Analyse fonctionnelle du chargeur étudié Batt + Batt- In- In+ FS41 HACHEUR et ALIMENTATION Uc/2 Vref VCC VAL DISCH FS42 GESTION du PROCESSUS Panneau Solaire Automatisé Électronique Séquence 3A Page 9/15
A) Schéma fonctionnel de FS42 DISCH VAL Vref Uc/2 FS42 FS 42_a Choix du type de batterie FS 42_c Surveillance U_config FS 42_b Gestion des informations et séquencement des actions mes_uc FS 42_d Adaptation et mesure de Uc B) Schéma fonctionnel de FS41 In+ In- FS41 FS 41_c Hacheur Batt + Batt - DISCH FS 41_a production des alimentations FS41_b Gestion des signaux de commande Vcc Uc/2 Vref DISCH VAL Panneau Solaire Automatisé Électronique Séquence 3A Page 10/15
C) Description des entrées et des sorties des différentes fonctions In+ ; In- : Bornes + et - du "courant solaire"; batt+; batt- Bornes + et - du courant de charge de la batterie"; VAL : : DISCH : UC/2 : Vref : VCC : U_cunfig : mes_uc : Signal de validation, sa mise à zéro inhibe le fonctionnement du hacheur Signal dont la variation du rapport cyclique permet de moduler le courant moyen débité par le panneau solaire Signal qui permet la décharge du condensateur commuté Tension égale à la moitié de la valeur de la charge du condensateur commuté Tension de référence égale à 4 volts Tension d'alimentation de 5 volts Tension dont la valeur varie en fonction de la position du commutateur "gel; plomb ouvert; plomb fermé" Tension image de la valeur de la charge du condensateur commuté Panneau Solaire Automatisé Électronique Séquence 3A Page 11/15
IV) Schémas structurels du chargeur étudié A) Relations entre les différents blocs structurels Panneau Solaire Automatisé Électronique Séquence 3A Page 12/15
B) Schéma structurel de FS41 C) Schéma structurel de FS42 Panneau Solaire Automatisé Électronique Séquence 3A Page 13/15
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V) Diagramme sagittal du logiciel LEDS u_config Uc_lue Uc_max période nouv_tc DELTA_U AFF_LEDS variable locale tension de configuration numérisée variable globale représente la tension aux bornes de la capacité variable globale tension maximale de charge de la batterie ou du condensateur commuté permet de fixer la période de la temps mis par la capacité pour se charger à U_MAX différence entre la charge atteinte par la batterie et sa charge maximale admise permet une visualisation de la charge de la batterie Panneau Solaire Automatisé Électronique Séquence 3A Page 15/15