Brevet FR2832869A1 — publié le 20030530

PERFECTIONNEMENT POUR CHARGEUR DE TYPE PHOTOVOLTAÏQUE L'invention concerne un perfectionnement pour chargeur de type photovoltaïque. Elle concerne aussi le procédé de mise en oeuvre qui consiste à dimensionner le panneau photo-voltaïque et de lui associer un convertisseur élévateur, de façon à ce que la charge ne soit pas pénalisée dans le cas ou l'éclairement diminue. Le domaine du dispositif de charge selon l'invention est celui des accumulateurs très basse tension, c'est à dire dont la tension nominale est inférieure ou égale à 24 Volts, ou toute valeur pour laquelle il existe très communément des panneaux photo-voltaïques, permettant une charge directe de l'accumulateur. Plus précisément, l'invention concerne des dispositifs du type photo-voltaïque, destinés à satisfaire la charge d'accumulateur électrique dans des circonstances d'éclairement très variables. En particulier, les dispositifs utilisant un procédé selon l'invention se prêtent à une charge de l'accumulateur lorsque l'éclairement disponible diminue fortement par rapport à sa valeur nominale. Il est connu de ne pas utiliser directement la sortie des panneaux photo-voltaïques, dans les dispositifs capteurs d'énergie. Le brevet US- 4,494, 180 cite de très nombreuses références scientifiques sur des travaux menés sur la recherche d'un point de fonctionnement optimal. Dans la littérature anglo-saxone, cette démarche est connue sous l'abréviation MPPT : maximum power point tracking . Il s'agit de faire fonctionner le panneau selon des conditions de tension et courant débité qui correspondent au maximum de puissance. Un tel point optimal est représenté par la référence (48) sur la figure 2 du brevet cité. Ce brevet décrit notamment comment optimiser la puissance de manière à alimenter directement un moteur, sans même passer par un accumulateur. On remarquera que dans ce brevet est utilisé un convertisseur DC/DC de rapport N, comme dans la présente invention, mais celui-ci est abaisseur ( buck converter ) et non élévateur. Il s'agit de faire varier la charge apparente vue par le panneau, de manière à rester au coude de la caractéristique (I, U) du panneau, quels que soient l'éclairement ou la température. On trouvera d'ailleurs le même souci d'adaptation d'impédance apparente de la charge, vue par le panneau, dans le brevet plus ancien US-3,384, 806. Dans le brevet US-3,696, 286, il s'agit cette fois de piloter au moins un convertisseur à fréquence variable par l'écart entre la tension délivrée par au moins un panneau principal, fonctionnant en charge, et une cellule de référence, fonctionnant à vide tout en étant placée dans les mêmes conditions de température et d'éclairement que le panneau principal. La structure de convertisseur est celle d'un élévateur conventionnel, mais celui-ci joue explicitement le rôle d'amplificateur de puissance, et non de tension, comme représenté en figure 1 et revendiqué. Le but est de diminuer automatiquement la puissance appelée par la charge si la puissance disponible du panneau diminue : il s'agit de nouveau d'un système d'adaptation, de type MPPT. Ce brevet prévoit d'utiliser plusieurs amplificateurs, chacun fonctionnant à des fréquences variables, pour équilibrer les tensions de sortie de panneaux mis en parallèle. Le brevet US-4,695, 785 décrit enfin un dispositif MPPT vis à vis de variations d'éclairement et/ou de température (figure 4). Le pilotage du dispositif au maximum de puissance disponible est assuré à partir de la mesure périodique (et brève) du courant de court-circuit disponible. Cette valeur est utilisée pour agir sur un régulateur à découpage afin d'adapter la puissance appelée par la charge à la puissance disponible. On remarquera que le résumé de l'invention ne mentionne pas le caractère élévateur ou abaisseur du régulateur à découpage. Dans la description de la forme de réalisation préférée, il est cependant mentionné (col 4, ligne 34) que les composants sont ceux d'un convertisseur élévateur, ce qui correspond à la figure 1, mais cette caractéristique n'est à l'évidence pas essentielle puisqu'il est clairement stipulé dans la description de la figure 1 (col 7, ligne 27) que cette structure est prise en tant que régulateur de courant. Il est indiqué dans le paragraphe suivant que d'autres montages régulateurs pourraient tout aussi bien être utilisés comme convertisseurs de type blocking ou forward . Dans les dispositifs connus de l'art antérieur, le but est exclusivement de se rapprocher des conditions de travail au coude de la caractéristique de sortie, courbe intensité-tension, du panneau, tandis que le dispositif de l'invention est conçu pour exploiter préférentiellement la zone dans laquelle le panneau photo-voltaïque, travaille en générateur de courant c'est-à-dire la partie horizontale de la courbe intensité-tension, quitte à ce que la puissance ne soit pas optimale, et le convertisseur hacheur à pour rôle de maintenir le point de fonctionnement sur le coude de la caractéristique de sortie. Ajoutons que le dispositif de l'invention, est avantageusement utilisée par exemple pour l'alimentation de moteurs à courant continu pour la manoeuvre temporaire et peu fréquente de protections solaires ou autres, à partir de l'accumulateur. Ainsi, le procédé de dimensionnement et d'utilisation d'un panneau photovoltaïque de surface S destiné à la charge d'accumulateur très basse tension, de valeur nominale, est caractérisé en ce que le panneau est choisi de manière à délivrer, dans les conditions nominales d'éclairement, une intensité de court-circuit aussi élevée que possible pour autant que la tension à vide, inférieure à la tension nominale, reste supérieure au seuil de fonctionnement d'un convertisseur élévateur de tension intercalé entre ledit panneau et ledit accumulateur. Selon une caractéristique complémentaire, le panneau est choisi de manière à délivrer, dans les conditions nominales d'éclairement, une intensité de court-circuit aussi élevée que possible pour autant que la tension de coude, inférieure à la tension nominale, reste supérieure au seuil de fonctionnement d'un convertisseur élévateur de tension intercalé entre ledit panneau et ledit accumulateur. Selon une autre caractéristique complémentaire, le panneau comporte une seule cellule, ou des cellules exclusivement connectées en parallèle, et en ce que en ce que le convertisseur présente une tension minimum de fonctionnement inférieure à la tension à vide dudit panneau. Selon une autre caractéristique, le panneau comporte qu'une seule cellule, ou des cellules exclusivement connectées en parallèle, et en ce que le convertisseur présente une tension minimum de fonctionnement inférieure à la tension de coude dudit panneau. L'invention concerne aussi le dispositif destiné à mette en oeuvre le procédé de l'invention, qui est caractérisé en ce que le convertisseur élévateur utilise une fréquence constante. Selon une variante d'exécution, le convertisseur comporte des périodes actives et des périodes inactives, lesquelles périodes inactives sont mises à profit pour charger à l'aide du panneau un condensateur de stockage amont. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention se dégageront de la description qui va suivre en regard des dessins annexés qui ne sont donnés qu'à titre d'exemples non limitatifs. La figure 1 est une vue illustrant le dispositif traditionnel. La figure 2 est une vue schématique du dispositif selon l'invention. La figure 3 est une représentation graphique de la courbe de charge d'un dispositif traditionnel et du dispositif selon l'invention. La figure 4 est une vue schématique du dispositif de charge selon l'invention et notamment de son convertisseur élévateur. La figure 5 illustre le fonctionnement, et visualise les temps de conduction de l'interrupteur. La figure 1 représente un dispositif de charge traditionnel (12) pour assurer la charge d'un accumulateur (11) de tension nominale (UA), ledit dispositif étant du type à panneau photo-voltaïque, comportant une configuration des cellules donnant une tension à vide (UB) supérieure à la tension nominale (UA), et ce pour un éclairement nominal (WR). La figure 2 représente un dispositif de charge selon l'invention. Pour une même surface de panneau, le procédé selon l'invention consiste à choisir plutôt une configuration des cellules de panneau (23) donnant une tension à vide égale à UB/N pour cette même valeur d'éclairement nominal, et à intercaler entre le panneau et l'accumulateur (11) un élément convertisseur élévateur de tension (24) de facteur multiplicatif égal à N, N étant normalement constant, supérieur à l'unité et aussi grand que possible. Dans la forme de réalisation préférée d'un dispositif selon l'invention, ce convertisseur (24) possède au moins un mode de fonctionnement par intermittence, associé à un élément de stockage amont de l'énergie électrique. Un dispositif conventionnel de charge d'un accumulateur de tension nominale (UA) conduit à choisir un panneau tel que la caractéristique (I, U) présente une tension à vide (UB) supérieure, voire très supérieure, à (UA), comme représenté schématiquement à la figure 3, par la courbe (31). Pour faciliter la description, on supposera que cette tension est obtenue par la mise en série de 4 cellules photo-voltaïques. A l'optimum, comme dans tous les dispositifs MPPT de l'art antérieur, le point de fonctionnement est tel que (UA) correspond au coude (32) de la courbe (31). En rupture avec les pratiques courantes, l'invention préconise, pour une même surface de panneau photo-voltaïque, de favoriser la valeur Imax du courant de court-circuit, au détriment de la tension (UB) à vide. Par rapport à un dimensionnement normal, cette tension (UB) sera divisée par N, alors que le courant sera multiplié par le même facteur. On obtient alors la courbe (33). Dans l'exemple, les 4 cellules du panneau sont maintenant disposées en parallèle. L'invention ne recherche pas spécifiquement à suivre le point (34) de maximum de puissance, mais utilisera préférentiellement la plage (35) dans laquelle le panneau se comporte en générateur de courant. On remarquera que, pour des valeurs importantes de N, la caractéristique (33) tend d'ailleurs à devenir rectangulaire, et qu'il n'est pas possible de rester, de manière stable, ailleurs que sur la plage (35). Les tensions de coude et à vide ont alors sensiblement la même valeur. Bien entendu, ce dimensionnement de panneau impose d'intercaler un véritable dispositif élévateur de tension de manière à permettre la charge de l'accumulateur. Pour simplifier, on prendra comme facteur multiplicatif la même valeur N que précédemment, mais on pourrait prendre tout aussi bien une valeur différente M, pourvu que la tension à vide multipliée par N ou par M soit supérieure à la tension (UA) nominale de l'accumulateur. Ce dimensionnement de panneau photo-voltaïque, peut paraître très surprenant, puisqu'il conduit à rendre nécessaire un convertisseur élévateur dont on pourrait très bien se passer par un dimensionnement normal. Cependant, son intérêt réside dans la capacité du panneau à fournir du courant même dans des circonstances de faible éclairement, ce courant étant exploité, quelle que soit sa dynamique de variation. En pratique, N peut prendre une valeur (non nécessairement entière) aussi grande que possible. Il existe cependant une limitation technologique : il est impératif que la tension UB/N reste supérieure à la tension d'entrée minimum d'un convertisseur à semi-conducteurs ou autres. Idéalement, la conception selon l'invention revient à utiliser un panneau photovoltaïque ne comportant que des cellules en parallèle (ou de manière équivalente, une seule cellule) pour une surface totale donnée. Il convient alors que la technologie de réalisation du convertisseur présente une tension minimum de fonctionnement inférieure à la tension de coude ou au moins à la tension à vide d'une cellule du panneau photovoltaïque. La figure 4, illustre de façon schématique un dispositif dans lequel le panneau (42) est dimensionné selon le procédé de l'invention pour la charge d'un accumulateur (11). D'autres dispositifs, non représentés peuvent venir se brancher en parallèle sur cet accumulateur. Le convertisseur élévateur comprend ici une inductance (43), un interrupteur (44) piloté par un oscillateur (45) dont le rapport cyclique définit l'élévation en tension, et fonctionnant par exemple à fréquence constante, et enfin une diode (46). Toute autre structure élévatrice connue de l'homme de métier conviendrait de même. Dans une première version simplifiée, la diode (47) pourrait être remplacée par un fil conducteur, et le condensateur (48) pourrait être omis. On peut également conserver l'un sans l'autre. Un tel montage permet par exemple la charge d'un accumulateur 6 Volt à partir d'un panneau qui sera choisi pour délivrer 2.8 Volt à vide. Le rapport cyclique est alors choisi à 0.8, ce qui donne un facteur multiplicatif normal du convertisseur égal à 5. On constate que toutes les conditions selon l'invention sont réunies. Ce montage est amélioré en ajoutant les éléments (47) et (48), qui permettent de réaliser un élément de stockage amont. Par ailleurs, le convertisseur (45) est muni d'une entrée (451) inhibant son fonctionnement si la tension sur cette entrée devient inférieure à un seuil donné (Ul), et le maintient alors inhibé tant que cette tension n'a pas repris une valeur au moins égale à (U2). Il faut noter que certains circuits, utilisés dans des conditions de faible tension d'alimentation, présentent spontanément ce comportement. Ainsi le circuit LT1613 de Linear, qui réalise l'ensemble de la fonction élévateur et oscillateur, cesse-t-il naturellement de fonctionner si sa tension devient inférieure à IV environ, et reprend pour une tension de légèrement supérieure, avec une hystérésis de 0, 1 V. Le montage avec diode et condensateur d'entrée est connu de l'homme de l'art : il évite de solliciter directement le panneau lors de la mise en conduction de l'interrupteur. Il prend cependant ici une autre fonction, en association avec l'entrée (451), ou le fonctionnement intrinsèque équivalent à cette entrée, celle d'un fonctionnement de type relaxation. La figure 5 illustre un tel fonctionnement, en visualisant les temps de conduction de l'interrupteur. Il s'agit d'un fonctionnement par bouffées , délivrant quelques impulsions lorsque le faible courant délivré par le panneau a pu charger suffisamment le condensateur pour atteindre la tension de seuil (U2), ce qui provoque aussitôt une décharge, jusqu'à atteindre (Ul). Dans certains cas de faible courant de charge, on ne dispose ainsi que de quelques impulsions (51), à la limite une ou deux, qui sont séparées par un temps (52) diminuant quand le courant augmente. Dès que le courant débité devient suffisant, la conduction devient continue. Cette configuration permet de ne rien perdre des charges électriques fournies par le panneau photo-voltaïque. Dans la réalisation préférée, la diode (47) n'est d'ailleurs pas utilisée, de manière à éviter une chute de tension supplémentaire. Enfin, il peut être fait également usage d'une entrée d'inhibition (452) dans le cas où la tension de sortie viendrait à dépasser la tension maximum de l'accumulateur à pleine charge. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés à titre d'exemples, mais elle comprend aussi tous les équivalents techniques ainsi que leurs combinaisons. REVENDICATIONS 1. Procédé de dimensionnement et d'utilisation d'un panneau photovoltaïque de surface S destiné à la charge d'accumulateur très basse tension, de valeur nominale UA, caractérisé en ce que le panneau est choisi de manière à délivrer, dans les conditions nominales d'éclairement, une intensité de court-circuit aussi élevée que possible pour autant que la tension à vide, inférieure à UA, reste supérieure au seuil de fonctionnement d'un convertisseur élévateur de tension intercalé entre ledit panneau et ledit accumulateur. 2. Procédé de dimensionnement et d'utilisation d'un panneau photovoltaïque de surface S destiné à la charge d'accumulateur très basse tension, de valeur nominale UA, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le panneau est choisi de manière à délivrer, dans les conditions nominales d'éclairement, une intensité de court-circuit aussi élevée que possible pour autant que la tension de coude, inférieure à UA, reste supérieure au seuil de fonctionnement d'un convertisseur élévateur de tension intercalé entre ledit panneau et ledit accumulateur. 3. Procédé de dimensionnement et d'utilisation d'un convertisseur élévateur destiné à la charge d'accumulateur très basse tension à partir d'un panneau photovoltaïque selon la revendication 2, caractérisé en ce le panneau comporte une seule cellule, ou des cellules exclusivement connectées en parallèle, et en ce que le convertisseur présente une tension minimum de fonctionnement inférieure à la tension à vide dudit panneau. 4. Procédé de dimensionnement et d'utilisation d'un convertisseur élévateur destiné à la charge d'accumulateur très basse tension à partir d'un panneau photovoltaïque selon la revendication 2, caractérisé en ce que le panneau comporte qu'une seule cellule, ou des cellules exclusivement connectées en parallèle, et en ce que le convertisseur présente une tension minimum de fonctionnement inférieure à la tension de coude dudit panneau. 5. Dispositif destiné à mette en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le convertisseur élévateur utilise une fréquence constante. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le convertisseur comporte des périodes actives et des périodes inactives, lesquelles périodes inactives sont mises à profit pour charger à l'aide du panneau un condensateur de stockage amont.