Brevet FR2891094A1 — publié le 20070323

Procédé et dispositif de charge de batterie à partir d'une source de courant continu complexe La présente invention vise un procédé de charge de batterie à partir d'une source de courant continu complexe. Elle vise également un dispositif chargeur de batterie à partir d'une source de courant continu complexe, mettant en oeuvre ce procédé. Certaines sources de courant continu ont un comportement complexe, où ni le voltage ni le courant ne suffisent indépendamment à définir la puissance disponible. Il est par exemple connu qu'une batterie n'est pas une pure source de tension, et que ladite tension va fluctuer en fonction du courant consommé. Il est particulièrement connu qu'une source de puissance électrique photovoltaïque (PV) présente cette propriété de fournir à une charge donnée et à flux lumineux constant, le maximum de puissance électrique en un point de fonctionnement optimal (voltage x courant) déterminé par sa fabrication. Ce point de fonctionnement est désigné par l'acronyme MPP (Maximum Power Point). Lorsque le flux lumineux varie, le MPP d'une source photovoltaïque varie également, de manière non linéaire tant en voltage qu'en courant. On connaît dans la technique des méthodes qui tendent à optimiser à tout moment la puissance captée d'une source complexe telle qu'un panneau photovoltaïque par un suivi (poursuite) du MPP. Ces méthodes sont désignées par l'acronyme MPPT (Maximum Power Point Tracking). L'application de ces méthodes nécessite en général la mesure échantillonnée de la puissance par acquisition du voltage et du courant. Un cas particulier d'application est la charge d'une batterie à partir d'une source photovoltaïque, ce qui ressort du domaine de l'invention. Selon les méthodes les plus usuelles, on s'efforce d'alimenter la batterie en charge avec un voltage sensiblement constant et supérieur à celui de la batterie. Dans le cas d'une source photovoltaïque, la stabilisation de ce voltage ajoute à la complexité du processus MPPT. La demande de brevet 04 03012 du 23 Mars 2004, publiée sous le numéro FR2868218, décrit une méthode de charge par impulsions qui consiste à charger un condensateur intermédiaire de stockage, à détecter le franchissement d'un seuil de voltage prédéterminé - supérieur au voltage de la batterie - aux bornes de ce condensateur et à décharger ledit condensateur vers la batterie à cet instant précis. Selon la description fournie dans cette demande de brevet, un étage d'entrée du chargeur convertit le courant électrique fourni par une source de courant continu sous forme d'impulsions de haut voltage assurent la charge progressive dudit condensateur de stockage. Un tel chargeur assure donc déjà par son principe un fonctionnement peu sensible aux fluctuations de tension de la source. Comme il est déjà décrit à titre d'exemple dans le document FR2868218, ceci compense déjà en grande partie les fluctuations propres à une source complexe. Le but de la présente invention est de proposer un perfectionnement du procédé de charge divulgué dans le document FR2868218 précité, spécifique à une source complexe, comportant au moins un ajustement automatique du type MPPT. Cet objectif est atteint avec un procédé pour charger une batterie à partir d'une source de courant continu complexe, comportant des séquences cycliques comprenant chacune: - une charge progressive d'un condensateur de stockage à partir d'impulsions de tension générées depuis un étage d'entrée en aval de ladite source, selon un rapport cyclique, -une détection d'un seuil de franchissement d'une tension prédéterminée aux bornes dudit condensateur de stockage, commandant: - une décharge dudit condensateur de stockage dans la batterie. Suivant l'invention, le procédé comprend en outre une poursuite (tracking) d'un point de fonctionnement à puissance maximum (MPP) de ladite source, comportant: - une mesure indirecte de la puissance consommée à partir d'une mesure du temps de charge du condensateur de stockage, et - une modulation du rapport cyclique dudit étage d'entrée, en fonction de la mesure indirecte de puissance consommée. Lorsque le procédé selon l'invention est mis en oeuvre dans un dispositif de charge dans lequel l'étage d'entrée comprend des moyens de commutation de puissance, la modulation du rapport cyclique peut avantageusement implémenter une technique dite de perturbation dans laquelle un incrément de temps constant ATon est ajouté ou retranché à la dernière meilleure valeur connue du temps Ton de commande active dudit transistor de commutation. Le procédé selon l'invention peut aussi comprendre une exploitation de la mesure indirecte de puissance consommée pour gérer une valeur butée de sécurité pour ladite puissance consommée. On peut aussi prévoir que le procédé selon l'invention comprenne en outre un test de conditions extérieures, notamment de limite thermique ou de pleine charge de la batterie, conduisant à une commande de modulation du rapport cyclique de façon à réduire ou limiter la puissance consommée. Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un dispositif pour charger une batterie à partir d'une source de courant continu complexe, mettant en oeuvre le procédé selon l'invention, comprenant: - des moyens pour charger progressivement un condensateur de stockage à partir d'impulsions de tension générées depuis un étage d'entrée en val de ladite source, selon un rapport cyclique, - des moyens pour détecter un seuil de franchissement d'une tension prédéterminée aux bornes dudit condensateur de stockage, et - des moyens pour décharger ledit condensateur de stockage dans la batterie, commandés par lesdits moyens de détection. Suivant l'invention, le dispositif de charge comprend en outre des moyens pour suivre un point de fonction à puissance maximum (MPP) de ladite source, comportant - des moyens pour fournir une mesure indirecte de la puissance consommée à partir d'une mesure du temps de charge du condensateur de stockage, et - des moyens pour moduler le rapport cyclique dudit étage d'entrée en fonction de la mesure indirecte de puissance consommée. On démontrera dans le suite que le procédé selon l'invention peut être implémenté à très peu de frais en conservant le schéma du base du chargeur où: - on utilise la mesure de son temps de précharge comme mesure indirecte de la puissance consommée, - on module le rapport cyclique de l'étage d'entrée convertisseur pour s'ajuster continuellement au MPP de la source. La modulation du rapport cyclique dite PWM (Pulse Width Modulation) n'est pas nouvelle en soi et est déjà utilisées en régulation dans toutes sortes de dispositifs tels que les alimentations électriques stabilisées dites à découpage . La nouveauté vient de l'association de la méthode de charge de batterie divulguée dans le document FR2868218, déjà tolérante en soi aux fluctuations de la source, avec: - une mesure indirecte de la puissance consommée par le temps de cycle, - un algorithme de suivi de la puissance optimum par modulation (PWM) du convertisseur d'entrée. Ceci ne nécessite aucun moyen matériel supplémentaire dès l'instant le chargeur comporte un microcontrôleur en tant qu'unité de contrôle/commande. Le résultat est un chargeur universel de faible coût, fonctionnel dans une plage de fonctionnement plus large que la plupart des chargeurs connus, et comportant au moins un mode de fonctionnement: - spécifiquement adapté à une source complexe telle que photovoltaïque, 5 - largement insensible aux fluctuations de cette source, et - captant à tout instant un maximum de sa puissance (fonction MPPT), - comportant une fonction optionnelle de limitation de la puissance. La description d'un mode de réalisation préféré de l'invention s'appuiera sur le cas d'une source photovoltaïque (d'acronyme PV) qui est un bon exemple d'une source complexe. - La Figure 1 est un rappel sous forme de courbes types des caractéristiques connues d'une source photovoltaïque. - La Figure 20 est un schéma bloc complet d'un chargeur selon l'invention, agencé sous contrôle d'un microcontrôleur. - La Figure 3 illustre un cycle de charge et décharge du condensateur de stockage caractéristique divulgué dans le document FR2868218 et dans la présente invention. - La Figure 4 est un organigramme de principe du logiciel intégrant dans le pilotage du chargeur une fonction MPPT. En référence à la Figure 1, on représente habituellement le comportement d'une source PV à flux lumineux par une courbe dite IV (intensité x voltage) dont la forme typique est donnée par le diagramme la. Aux points de fonctionnement extrêmes: - lorsque le circuit PV est ouvert l'intensité est nulle et le voltage est 25 maximum: la puissance P = I x V est donc nulle; - lorsque l'on ferme le circuit du PV en court-circuit l'intensité est maximum mais sous une tension nulle: la puissance est nulle également Entre ces valeurs extrêmes le PV se comporte en gros comme une source à courant constant, jusqu'à une inflexion. En un point particulier situé après cette 30 inflexion dans le sens des courants croissants la puissance P = I x V passe par un maximum, qui est par définition le MPP. On caractérise un PV donné par une famille de telles courbes (diagramme lb) avec comme paramètre le flux lumineux. On obtient une famille de points MPP qui décrit précisément dans quelles conditions on tirera une puissance maximum 35 selon les fluctuations du flux lumineux (en pratique, selon l'ensoleillement.) Le processus d'optimisation dit MMPT consiste à présenter au PV source une impédance de charge variable, asservie dynamiquement pour rester au plus près du MPP; ceci est représenté par le diagramme lc. S'agissant d'un asservissement au sens de l'automatisme, les méthodes 5 MMPT doivent tenir compte de ce que la valeur de consigne MPP n'est pas une constante et n'est pas sous contrôle. Diverses stratégies connues sont utilisées dans les régulateurs de charge existants, dont la plus performante dite à perturbation consiste à effectuer de petites variations de l'impédance, et: - rester sur l'impédance courante si la puissance reste essentiellement stable, -sinon, modifier l'impédance dans le sens qui fait croître la puissance. On doit pour ce faire disposer: - de moyens de mesure des variations de la puissance instantanée, - de moyens de moduler l'impédance de la charge. En référence à la Figure 2, ce schéma reproduit fidèlement l'architecture générale d'un chargeur de batterie telle que décrite dans le document FR2868218 (Figure 1). La source est un PV 200. Le condensateur 201 de forte capacité effectue un filtrage, c'est-à-dire un lissage de la tension fournie par le PV 20 pour s'affranchir de fluctuations de très courte durée, qui comme l'on sait seraient nuisibles à la stabilité d'asservissement. La bobine d'induction 202, alimentée à partir du condensateur de filtrage 201, est en série avec un transistor de commutation 203 piloté par un signal de commande 204 du type à modulation de largeur d'impulsion (PWM). Ce signal tout ou rien est à période Tp prédéterminée, et actif (transistor passant) pendant un temps Ton On appelle le rapport (Ton / Tp) le rapport cyclique (duty cycle en anglais). Moyennée dans le temps, l'application d'un rapport cyclique variable constitue de manière connue l'équivalent d'une modulation de l'impédance de charge du PV 200 combiné avec le condensateur de filtrage 201. On dispose donc par la modulation de Ton d'un moyen de commande de la dite impédance de charge. Les impulsions de haute tension, obtenues à la jonction de la bobine 202 et du transistor 203 en réaction après sa coupure par le signal de commande 204, sont injectées vers un condensateur de stockage 205 via une diode 206. La charge énergétique de ce condensateur croît progressivement à chaque cycle du signal 203; ceci se traduit par une tension croissante aux bornes du dit condensateur. Un second transistor 207 est agencé pour commuter le condensateur 205 vers la batterie sous contrôle d'un signal de commande 208. Le pilotage des signaux de commande 204 et 208 est assuré par une unité de contrôle 209, qui sera préférentiellement réalisée sous forme d'un microcontrôleur programmable. Pour alléger la description on n'a pas représenté l'alimentation électrique de l'unité de contrôle 209, qui se réalisera: - soit à partir du PV 200 via un régulateur, - soit à partir de la batterie en charge, via une alimentation galvaniquement 10 isolée de tout type connu, - soit à partir d'une source auxiliaire telle qu'une pile électrique. Le choix de l'un ou l'autre mode d'alimentation est sans incidence sur l'invention. Ce choix relève purement de l'ingénierie de conception. L'unité de contrôle 209 comporte entre autres: - un générateur PWM 210 qui via un amplificateur 211 fournit le signal de commande 204, - un port de sortie 212 qui via un amplificateur 213 fournit le signal de commande 207, - un comparateur 214 qui est utilisé pour détecter le franchissement d'un seuil de tension prédéterminé aux bornes du condensateur de stockage 205. L'entrée de référence ( - ) du comparateur 214 est reliée à une référence de tension Vref 215, qui peut, comme dans le document FR2868218, être constituée par un pont de résistances, ou par une diode Zener en série avec un forte résistance. L'entrée variable ( + ) du comparateur 211 est connectée à un pont de résistances (216, 217) qui présente une tension proportionnelle à celle du condensateur de stockage 205. Pour la réalisation concrète d'un chargeur selon l'invention, de capacité typique 10 watt à partir d'un panneau solaire usuel vers une batterie quelconque de tension nominale 12 Volt, voici à titre indicatif une liste de composants électroniques qui permettent d'assembler ce chargeur: numéro fonction type Valeur(s) ou (Figure 2) référence Panneau solaire Nominal 12 V 10 Watt 201 Condensateur de polarisé 330 pF 25 V filtrage 202 Bobine Sur tore de ferrite 125 pH, 5 A 203 Commutation PWM Transistor MOSFET BUZ100 205 Condensateur de polarisé 100 pF 60 V stockage 206 Commutation de Transistor MOSFET BUZ100 décharge 207 Diode schottky 8QT100 209 Unité de contrôle microcontrôleur PIC16F684 (Microchip) 211 Amplificateur Driver de MOSFET TC4420 (Microchip) 213 Amplificateur Driver de MOSFET TC4420 (Microchip) 215 Référence de tension Diode zener 2,4 V 216 Diviseur de tension Résistance 10 kQ 217 Diviseur de tension Résistance 100 kQ En référence à la Figure 3, le chargeur fonctionne en conformité avec les enseignements du document FR2868218. Le générateur PWM commande le découpage (switching) du courant d'entrée et la charge progressive (step charging) du condensateur de stockage. Dès que l'unité de contrôle détecte grâce au comparateur (214) le franchissement de la tension seuil prédéterminée Vth (th comme threshold en anglais) grâce au comparateur, elle délivre un signal calibré (port 212) pour la décharge du condensateur de stockage dans la batterie. C'est ce mécanisme qui constitue la fonction de charge de batterie proprement dite. Il se traduit par une courbe de la tension aux bornes du condensateur de stockage en fonction du temps en forme de dent de scie, comportant une pente de croissance progressive 301 et une brève décharge 302. la durée T de la charge progressive (301), depuis la tension de batterie Vbat jusqu'au franchissement du seuil Vth sera appelée dans la suite temps de précharge. On observe que l'énergie transférée à chaque précharge est sensiblement constante: E:=(1/2xCxVth2)-(1/2xCxVbat2) où C est la capacité du condensateur de stockage. A court terme, la tension de batterie varie très peu. Il s'ensuit que la mesure du temps du précharge T constitue une mesure 5 échantillonnée indirecte de la puissance P traversant le chargeur à un instant donné, puisque par définition la puissance varie en raison inverse: P= E/T L'échantillonnage du temps de précharge T constitue selon l'invention l'unique moyen de mesure des variations de la puissance instantanée dont on ait besoin pour un asservissement MPPT. C'est une caractéristique essentielle de l'invention de n'utiliser que cet unique moyen de mesure indirecte de la puissance. Ceci a l'avantage d'être gratuit dans la mesure où tout microcontrôleur actuel intègre au moins une fonction de mesure des intervalles de temps (fonction timer, en anglais). En combinaison avec les avantages déjà connus de flexibilité du chargeur par impulsions, cette nouveauté annule et remplace les dispositifs matériels de mesure de courant et de tension nécessaires à la plupart des procédés MPPT actuels. En résumé le processus MPPT d'asservissement à la puissance optimum est réalisé en utilisant: - l'échantillonnage du temps de précharge comme moyen de mesure indirecte de la puissance traversante à un instant donné, - la variation du rapport cyclique (PWM) du signal de hachage comme moyen de commande de l'impédance d'entrée moyenne du chargeur. En référence à la Figure 4, le schéma de programme (algorithme) décrit ici à titre d'exemple n'est pas limitatif. Il est inspiré de méthodes connues dites par perturbation . Dans la mesure où il utilise les mêmes moyens caractéristiques décrits cidessus, tout autre schéma de programme ayant une fonctionnalité équivalente peut être utilisé sans sortir du domaine de l'invention. On utilise avantageusement dans cette version simple un incrément de temps constant tTon qui viendra s'ajouter ou se retrancher à la dernière meilleure valeur connue du temps Ton de commande active du transistor de commutation (203). Le programme effectue après initialisation une boucle à trois étapes de production - autant de grands cycles - suivies d'une étape de test et d'une étape conditionnelle de correction. A chaque étape on règle le générateur PWM et l'on relève sous la forme 5 indirecte d'un comptage de temps la puissance ayant traversé le chargeur, pendant la précharge suivante. Comme décrit ci-dessus en référence à la Figure 3, on rappelle que la puissance est inversement proportionnelle au temps de précharge. A l'étape 401 on règle le rapport cyclique PWM avec Ton-ATon, puis on 10 relève le délai de précharge: Tl. A l'étape 402 on règle le rapport cyclique PWM avec Ton, puis on relève le précharge: T2. A l'étape 403 on règle le rapport cyclique PWM avec Ton+ATon, puis on relève le délai de précharge: T3. En fin de cette séquence (étape 404), on teste en valeur absolue les différences (T2-T1) et (T2-T3) par rapport à une valeur numérique prédéterminée H (H comme: hystérésis.) Si ces deux valeurs sont inférieures à H, autrement dit si la puissance varie très peu, on recommence la boucle sans modifier Ton. Ceci constitue une précaution connue contre les instabilités d'asservissement. Dans le cas contraire (étape 405), l'une et une seule des deux différences est positive - voir courbes à la Figure 1 - et va décider dans quel sens on gagnera de la puissance en modifiant d'un incrément la valeur centrale Ton. On effectue donc à cette étape la correction: - si (T2-T1) > 0 alors Ton F- Ton-ATon; il faut réduire le rapport cyclique - si (T3-T1) > 0 alors Ton F- Ton+ATon; il faut augmenter le rapport cyclique puis l'on retourne dans la boucle à l'étape 401. On notera que si l'on est au voisinage du MPP la boucle ne produit que de petites variations complémentaires et alternées du rapport cyclique autour d'une valeur centrale Ton qui reste stable. L'impédance moyenne d'entrée reste donc 30 sensiblement constante, notamment du fait que le condensateur de filtrage 201 joue son rôle de lissage. Ainsi est réalisée la fonction de poursuite (tracking) de la puissance maximale. On voit qu'avantageusement l'asservissement décrit n'utilise qu'une 35 arithmétique très élémentaire, et donc se prête bien à la simplicité de programmation et à l'exécution très rapide sur un microcontrôleur bon marché du type RISC. - 10 - Selon une autre caractéristique de l'invention, on peut également à titre d'option utiliser l'information indirecte de puissance pour gérer une valeur butée de sécurité, qui va limiter la puissance traversant le chargeur à une valeur supérieure prédéterminée. Afin de rendre claire la fonction principale d'asservissement, on n'a pas représenté les précautions et dispositifs de confort d'exploitation dont tout homme de l'art identifiera l'utilité éventuelle, et qui viendront s'insérer dans le programme. Notamment, des tests de conditions extérieure telles qu'une alarme thermique ou la détection d'état de pleine charge de la batterie peuvent être pris en compte pour réduire la puissance (faible durée ou blocage des impulsions PWM) en prévention d'une élévation de température ou d'une surcharge qui endommageraient cette batterie. L'unité de contrôle peut également être prévue pour commander des témoins lumineux, des alarmes sonores, un affichage etc. pour le confort de l'utilisateur (état de fonctionnement, anomalies...) L'ajout de telles fonctions usuelles de protection ou de confort d'exploitation ne fait pas sortir du domaine de l'invention. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. - 11 - REVENDICATIONS 1. Procédé pour charger une batterie à partir d'une source de courant continu complexe, comportant des séquences cycliques comprenant chacune: une charge progressive d'un condensateur de stockage à partir d'impulsions de tension générées depuis un étage d'entrée en aval de ladite source, selon un rapport cyclique, une détection d'un seuil de franchissement d'une tension prédéterminée aux bornes dudit condensateur de stockage, commandant - une décharge dudit condensateur de stockage dans la batterie, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une poursuite (tracking) d'un point de fonctionnement à puissance maximum (MPP) de ladite source, comportant: - une mesure indirecte de la puissance consommée à partir d'une mesure du temps de charge du condensateur de stockage, et - une modulation du rapport cyclique dudit étage d'entrée, en fonction de la mesure indirecte de puissance consommée. 2. Procédé selon la revendication 1, mis en oeuvre dans un dispositif de charge dans lequel l'étage d'entrée comprend des moyens de commutation de puissance, caractérisé en ce que la modulation du rapport cyclique implémente une technique dite de perturbation dans laquelle un incrément de temps constant ATon est ajouté ou retranché à la dernière meilleure valeur connue du temps Ton de commande active dudit transistor de commutation. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une exploitation de la mesure indirecte de puissance consommée pour gérer une valeur butée de sécurité pour ladite puissance consommée. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un test de conditions extérieures, notamment de limite thermique ou de pleine charge de la batterie, conduisant à une commande de modulation du rapport cyclique de façon à réduire ou limiter la puissance consommée. 5. Dispositif pour charger une batterie à partir d'une source de courant continu complexe, mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant - 12 - - des moyens pour charger progressivement un condensateur de stockage à partir d'impulsions de tension générées depuis un étage d'entrée en val de ladite source, selon un rapport cyclique, - des moyens pour détecter un seuil de franchissement d'une tension prédéterminée aux bornes dudit condensateur de stockage, et - des moyens pour décharger ledit condensateur de stockage dans la batterie, commandés par lesdits moyens de détection, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour suivre un point de fonction à puissance maximum (MPP) de ladite source, comportant: - des moyens pour fournir une mesure indirecte de la puissance consommée à partir d'une mesure du temps de charge du condensateur de stockage, et - des moyens pour moduler le rapport cyclique dudit étage d'entrée en fonction de la mesure indirecte de puissance consommée. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de mesure indirecte de puissance consommée et/ou les moyens de modulation du rapport cyclique sont implémentés au sein d'un microcontrôleur. 7. Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6, dans lequel l'étage d'entrée comprend des moyens de commutation de puissance, caractérisé en ce que les moyens de modulation du rapport cyclique implémentent une technique dite de perturbation dans laquelle un incrément de temps constant ATon est ajouté ou retranché à la dernière meilleure valeur connue du temps Ton de commande active desdits moyens de commutation de puissance. 8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les moyens de modulation sont en outre agencés pour gérer une valeur butée de sécurité pour ladite puissance consommée, à partir de la mesure indirecte de puissance consommée. 9. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que les moyens de modulation sont en outre agencés pour réduire ou limiter la puissance consommée en fonction d'un test de conditions extérieures, notamment de limite thermique ou de pleine charge de la batterie. 10. Application du procédé ou du dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, à la charge d'une batterie à partir d'une source photovoltaïque.