Brevet FR2583591A1 — publié le 19861219

La présente invention concerne un circuit de charge d'une batterie d'accumulateurs électrochimiques par un panneau photovoltaïque. Dans la suite du texte, nous appellerons batterie, la batterie d'accumulateurs. Il est connu des circuits de charge d'une batterie par un panneau photovoltaïque dans lesquels on dispose entre le générateur photovoltalque et la batterie une diode, dite diode anti-retour. Cette diode a essentiellement pour fonction d'empêcher que la batterie débite sur le panneau solaire photovoltaïque pendant les périodes nocturnes. Cet état de la technique présente l'inconvénient de nécessiter l'emploi, soit de diodes schottky, soit de diodes au silicium. Les diodes schottky ont une chute de tension directe faible, de l'ordre de 0,4 à 0,5 volt, mais coûtent d'autant plus cher que 1n courant qui doit y circuler est important. Ceci est le cas lorsqu'il y a plusieurs panneaux solaires mis en paralldle pour générer une puissance élevée, c'est-à-dire fournir des courants supérieurs à 5 ampères.Par ailleurs, on remarquera que la chute de tension directe de la diode équivaut à la tension de 0,4 à 0,5 volt fournie par une cellule de panneaux photovoltaïques. Par conséquent, une cellule du panneau photovoltaïque n'est utilisée que pour compenser la chute de tension au niveau de la diode. Enfin, le passage du courant dans la diode va provoquer une dissipation de puissance qui va devenir prohibitive lorsqu'on dépasse des courants de 5 ampères et que l'on atteint des courants de 10 à 15 amperes. Cette puissance dissipée va nécessiter la présence d'un gros radiateur pour évacuer les calories et ce radiateur devra être d'autant plus gros que ce type de matériel à panneaux solaires est destiné à être utilisé dans les pays chauds. Dans le cas où on utilise une diode au silicium, un peu moins coûteuse, la chute de tension directe est de 0,8 à 1 volt et équivaut donc à deux cellules de panneau solaire. Par conséquent, ces diodes présentent les mêmes inconvénients que les diodes shottky. Un premier but de l'invention est donc de proposer un circuit de charge de batterie par un panneau solaire photovoltaïque qui ne présente pas les inconvénients des diodes anti-retour et qui soit susceptible de remplacer celles-ci. Ce premier but est atteint par le fait que le circuit de charge de batterie par panneau photovoltaïque comprend entre les bornes de même polarité de la batterie et du panneau un contact d'un relai, des premiers moyens de comparer, à un premier seuil, en circuit fermE, le courant débité par le panneau photovoltaïque, des seconds moyens de comparer une tension représentative de la tension du panneau solaire en circuit ouvert avec une tension représentative de la tension de batterie et un circuit électronique commandé en fonction du résultat des comparaisons pour assurer la fermeture ou l'ouverture du contact du relai. Un deuxième but de l'invention est de réaliser un circuit qui, en plus des fonctions et des avantages précédents réalise la fonction de limiteur de charge pour la batterie. Ceci présentera l'avantage d'éviter de trop charger la batterie irosque celle-ci n'est pas utilisée pendant une longue période. Ce peut être le cas d'une télévision alimentée par panneaux solaires et inutilisée pendant les périodes scolaires. Ce deuxième but est atteint par le fait que le circuit comprend en plus des troisièmes moyens de comparer la tension de la batterie à un deuxième seuil pour commander l'ouverture du contact en cas de dépassement du deuxième seuil. Selon une caractéristique supplémentaire, le circuit électronique assure la fermeture du contact lorsque la tension du panneau dépasse la tension de la batterie, tandis qu'il assure l'ouverture du contact lorsque le courant délivré par le panneau devient inférieur au premier seuil. Selon une autre caractéristique, les premiers moyens de comparaison comportent une résistance shunt branchée en série entre la masse du panneau et la masse de la batterie et en parallèle aux entrées d'un circuit amplificateur dont la sortie est reliée à une première entrée du premier circuit de comparaison dont la deuxième entrée reçoit une tension de référence constituant le premier seuil. Selon une autre caractéristique, les troisièmes moyens de comparaison sont constitués par un troisième comparateur recevant sur une entrée une tension de référence constituant le deuxième seuil et sur une deuxième entrée une tension représentant la tension de batterie et dont la sortie est reliée par une résistance à la deuxième entrée du comparateur de façon à constituer unhystérésis. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après, faite en référence à la figure 1 qui represente le schéma du circuit de l'invention. Les différentes cellules de panneaux photovoltaïques sont associées de façon à constituer un générateur de courant (4) dont la puissance est suffisante pour charger une batterie (5). Les poules positifs du générateur photovoltaïque et de la batterie sont reliés entre eux par l'intermédiaire du contact (60) d'un relai (6). Une résistance shunt (9) relie le pôle négatif de la batterie au pôle négatif du générateur photovoltaïque, lequel est également relié à la masse. Les deux extrémités de la résistance shunt (9) sont reliées aux entrées d'un amplificateur (8) à gain élevé dont la sortie est reliée à une première entrée d'un premier comparateur (1).Une deuxième entrée de ce comparateur (1) reçoit une tension de reférence (V ref) délivrée par un générateur de tension (10), réalisé par des moyens connus de l'homme de métier. la sortie du comparateur (1) délivrant le signal logique (A), est reliée ià l'entrée (70) d'un circuit logique dont l'unique sortie (S) commande la base d'un transistor (73) dont l'émetteur est relié à la masse et le collecteur à la borne positive de la batterie par l'intermédiaire de la bobine du relai (6). La bobine du relai (6) commande, par l'intermédiaire de la- liaison (61) représentée en pointillés, l'ouverture ou la fermeture du contact (60). Un point intermédiaire (D), représentatif de la tension panneau, situé entre le contact (60) et le pôle positif du générateur photovoltaïque, est relié par un potentiomètre (21) à la masse. Le point variable de ce potentiomètre (21) est relié à une première entrée d'un deuxième comparateur (2) dont la sortie délivrant le signal logique (B) est branchée à entrée (71) du circuit (7). La borne positive de la batterie (5) est également reliée, par l'intermédiaire d'un potentiomètre (20) à la masse. Le point variable du potentiomètre (20) est relié à une deuxième entrée du deuxième comparateur (2). La sortie du potentimètre (21) délivre une tension proportionnelle à la tension aux bornes de la batterie. Enfin, la borne positive de la batterie (5) est également reliée par un potentiomètre (32) à la masse. Le point variable de ce potentiomètre est relié à l'entrée d'un troisième comprateur (3) dont une deuxieme entrée reçoit une tension de référence (U ref) fournie par un générateur de tension (30). La sortie du comparateur (3) délivre le signal logique (C) à l'entrée (72) du circuit logique (7). Cette sortie du comparateur (3) est également reliée par une résistance (31) à la première entrée qui reçoit la sortie variable du potentiomètre (32). Cette résistance (31) constitue ainsi un hystérésis qui permet d'éviter une oscillation autour de la valeur de charge maximale de la batterie définie par la tension (U ref). Le circuit logique (7) réalise la fonction logique suivante (A + B) C, dont le résultat commande la bobine du relai (6). Ce circuit peut facilement être constitué par un circuit OU recevant en entrée les sorties des premiers et deuxièmes moyens (1, 2) de comparaison et un circuit ET recevant en entrée la sortie du circuit OU et la sortie des troisièmes moyens de comparaison. En fonctionnement, lorsque le panneau est capable de charger la batterie, un courant circule du panneau vers la batterie et engendre une différence de potentiel aux bornes du shunt (9) qui est amplifiée en (8) et comparée avec la tension de référence (V ref). Dès que la tension aux bornes du shunt devient inférieure à la tension de référence (V ref), le sighan (A) de sortie du comparateur (1) passe d'une tension représentative du niveau logique "1" à une tension représentative du niveau logique n o n qui inhibe l'alimentation de la bobine du relai (6) pour ouvrir l'interrupteur (60). Ce fonctionnement correspond au moment où, lors du crépuscule, le courant devient insuffisant pour charger la batterie. A ce moment-là, on ouvre l'interrupteur de façon à éviter que la batterie ne débite dans le panneau solaire.A titre d'ordre de grandeur, pour une installation destinée à livrer un courant de 15 ampères, on ouvrira l'interrupteur lorsque le courant sera aux alentours de 50 milliampères. Pour redéclencher le circuit, on compare les sorties des potentiomètres (21) et (20) dont les tensions sont proportionnelles respectivement aux tensions aux bornes du panneau solaire et de la batterie. Lorsque la tension du panneau solaire devient supérieure à la tension de la batterie, et tant que celle-ci respecte cette condition, le signal (B) de sortie du comparateur (2) passe d'une tension représentative du niveau logique "O" à une tension représentative du niveau logique "1" et la sortie du circuit logique (7) assure l'alimentation de la bobine (6), entraînant la fermeture du contact (60). Enfin, la fonction limiteur de charge pour la batterie est assurée par la sortie du potentiomètre (12) qui délivre une tension proportionnelle à la tension de charge de la batterie, laquelle est comparée à une tension de référence (U ref) par le comparateur (3), le signal (C) de sortie de ce comparateur passe d'une tension représentative du niveau logique "1" à une tension représentative du niveau logique "0" dès que la tension aux bornes de la batterie dépasse la tension de référence. Ce signal provoque la fin de l'alimentation par le circuit (7) du relai (6) et par voie de conséquence, l'ouverture de l'interrupteur (60). La résistance (31) assure un hystérésis de façon que le système ne se réenclenche pas dès que la tension de la batterie varie un petit peu par rapport à sa tension de charge maximale.Cet hystérésis évite ainsi les oscillations du système aux alentours de la tension maximale de charge. Par conséquent, on a ainsi réalisé un circuit qui permet à la fois de remplacer une diode anti-retour et de limiter la charge de la batterie lorsque celle-ci ne doit pas débiter sur une utilisation pendant un certain temps. Les explications ci-dessus peuvent être résumées dans les deux tableaux ci-après. Tension Batterie Tension Batterie > U ref C = 0 Tension Panneau > Tension Batterie B = 1 Tension Panneau > Tension Batterie B = 0 Tension Shunt > V ref A = 1 Tension Shunt > V ref A = 0 A B C S Bobine 0 1 1 1 Alimentée 1 0 1 1 Alimentée 1 0 0 0 Non alimentée 0 0 1 0 Non alimentée On pourra utiliser de façon avantageuse un relai qui a une résistance de contact de l'ordre de 3 à 4 milliohms. Cette résistance représente, pour un courant de 15 ampères, à une chute de tension de 45mV. Enfin, le shunt pourra être choisi de façon avantageuse avec une résistance de 3 milliohms, ce qui correspond également, pour un courant de 15 ampères, à une chute de tension de 45 mV.Par conséquent, la chute de tension totale est de l'ordre de 90 mV, qui sont à comparer à la chute de tension d'une très bonne diode schottky qui est de l'ordre de 0,4 à 0,5 volt. Ceci est le cas le plus défavorable, car dans un circuit classique avec diode et limiteur, il y a toujours un interrupteur série. Cette diminution de la chute de tension présente l'avantage, pour un constructeur de panneaux, d'économiser, pour une tension de fonctionnement identique, la cellule photovoltalque dont le rôle est purement et simplement de compenser la chute de tension de la diode. Par ailleurs, la puissance dissipée par le contact du relai et le shunt, pour un courant de 15 ampères, sera de l'ordre de 1,3 à 1,4 Watt, ce qui, par rapport aux 6 Watts que dissiperait une diode shottky dans les mêmes conditions, est négligeable. Enfin, on remarquera que les contacts du relai fonctionnent toujours dans de bonnes conditions par l'ouverture des contacts se fait dans le cas où le courant est très faible, soit parce que la luminosité n'est plus suffisante, soit parce que la batterie est complètement chargée. Les courants importants passent donc au moment où les contacts sont fermés, ce qui permet de garantir une longue durée de vie au dispositif. Pour conclure, compte tenu de l'économie d'au moins une cellule de panneau solaire, de la diode et d'autre part du fait qu'en plus du remplacement de la diode, ce circuit permet d'assurer la fonction limiteur, un tel circuit est d'un prix de revient plus économique que les circuits de l'art antérieur. D'autres modifications à la portée de l'homme de métier font également partie de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Circuit de charge d'une batterie (5) photovol talque (4), caractérisé en ce qu'il comprend entre les bornes de même polarité de la batterie (5) et du panneau (4), un contact (60) d'un relai (6), des premiers moyens (1) de comparer à un premier seuil (V ref), en circuit fermé, le courant débité par le panneau photovoltaïque (4), des seconds moyens (2) de comparer une tension représentative de la tension du panneau solaire (4), en circuit ouvert, avec une tension représentative de la tension de batterie (5) et en circuit électronique (7) commande en fonction du résultat des comparaisons pour assurer la fermeture ou l'ouverture du contact (60) du relai (6). 2 - Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des troisièmes moyens (3) de comparer la tension de la batterie (5) à un deuxième seuil (U ref) pour commander l'ouverture du contact (60) en cas de dépassement du deuxième seuil. 3 - Circuit selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit électronique (7) assure la fermeture du contact (60) lorsque la tension du panneau (4) dépasse la tension de la batterie (5), tandis qu'il assure l'ouverture du contact (60) lorsque le courant délivré par le panneau (4) devient inférieur au premier seuil (V ref). 4 - Circuit selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit logique (7) est constitué par un circuit OU recevant en entrée les sorties des premiers et seconds moyens (1, 2) de comparaison et un circuit ET recevant en entrée la sortie du circuit OU et la sortie des troisièmes moyens de comparaison. 5 - Circuit selon la revendication 1 ou 4, caractérisé en ce que les premiers moyens de comparaison (1) comportent une résistance shunt (9) branchée en série entre la panneau et la batterie et en parallèle aux entres d'un circuit amplificateur (8) dont la sortie est reliée à une première entrée d'un circuit de comparaison (1) dont la deuxième entrée reçoit une tension de référence (V ref) constituant le premier seuil. 6 - Circuit selon la revendication 2 ou 4, caractérisé en ce que les troisièmes moyens de comparaison (3) sont constitués par un comparateur (3) recevant sur une entrée une tension de référence (U ref) constituant le deuxième seuil et sur une deuxième entrée une tension représentative de la tension de batterie (5) fournie par la sortie d'un potentiomètre (32) et dont la sortie est reliée par une résistance (31) à la deuxième entrée du comparateur.