Brevet FR2903822A1 — publié le 20080118

L'invention se rapporte à un dispositif et à un procédé de charge d'une batterie par un panneau solaire de type photovoltaïque. Plus particulièrement, l'invention concerne le réchauffage de cette batterie afin d'éviter les situations de détérioration des performances de la batterie lorsque sa température descend au-dessous d'une température critique. Il est largement connu de procéder au réchauffage d'une batterie afin de conserver ses performances à un niveau acceptable. Le brevet US 5,055,656 décrit un système de gestion de charge permettant de réchauffer la batterie avec l'excédent de puissance électrique fournie par un alternateur lorsque la température est basse. La demande de brevet US 2005/0274705 décrit un procédé dans lequel c'est la batterie elle-même qui fournit l'énergie de chauffage. On retrouve cet aspect dans les demandes de brevets JP 11025948, US 2006/0012342 ou US 2005/0017690. Le brevet US 5,834,131 présente une telle conception dans le cas de batteries à usage militaire. Dans le brevet US 5,508,126, l'élément chauffant la batterie est un transistor de puissance. Le brevet US 3,469,072 décrit une batterie d'automobile qui est réchauffée par une résistance pouvant être alimentée soit directement sur le secteur alternatif, soit à partir de la tension fournie par l'alternateur entraîné par le moteur, quand celui-ci tourne. Le brevet US 3,594,547 prévoit un chauffage par programmation horaire, quelques heures avant utilisation (démarrage du moteur). Le brevet US 5,281,792 décrit également une résistance alimentée à partir du secteur alternatif, placée en parallèle avec un chargeur alimenté également sur le secteur. MS\2.S649.12FR.569.dpt.doc 2903822 2 La demande de brevet FR 2 282 735 utilise la tension de la batterie comme indicateur d'activation du chauffage. 5 Dans la demande de brevet JP 58019879, un panneau solaire est utilisé pour réchauffer la batterie : il s'agit d'une installation à fluide caloporteur. II est par ailleurs connu des brevets US 5,731,568 et US 6,596,433 d'utiliser une enveloppe isolante constituée d'un matériau à changement 10 de phase, de manière à conserver aussi longtemps que possible la température au-dessus d'une température critique, même en absence de chauffage. Le brevet US 5,795,664 présente l'avantage de situer les limites de ces 15 approches de chauffage en termes énergétiques : il faut que la quantité d'énergie nécessaire au réchauffement de la batterie soit inférieure au gain résultant de la modification de température. Tous les contenus des ces documents sont incorporés par référence à la 20 présente demande. Le cas de la charge exclusive d'une batterie par un dispositif de panneau solaire photovoltaïque présente certaines spécificités rendant intéressante l'utilisation d'un procédé de fonctionnement différent de ceux 25 décrits dans les documents de l'art antérieur énumérés précédemment, le but recherché étant, à moindre coût, de sauvegarder les performances de la batterie lorsque décroît la température. Le but de l'invention est d'améliorer les procédés de fonctionnement 30 connus de l'art antérieur. En particulier, l'invention permet d'optimiser la MS\2. S649.12FR.569. dpt.doc 2903822 3 charge d'une batterie réalisée de manière exclusive par un panneau solaire photovoltaïque. Selon l'invention, le procédé de fonctionnement d'une installation 5 comprenant une batterie destinée à alimenter une charge électrique et destinée à être chargée de manière exclusive par un panneau photovoltaïque est caractérisé en ce qu'il comprend une étape dans laquelle l'énergie fournie par le panneau photovoltaïque est intégralement utilisée pour réchauffer la batterie. 10 L'étape dans laquelle l'énergie fournie par le panneau photovoltaïque est intégralement utilisée pour réchauffer la batterie peut être maintenue tant qu'une température est inférieure à un premier seuil prédéterminé. 15 L'étape dans laquelle l'énergie fournie par le panneau photovoltaïque est intégralement utilisée pour réchauffer la batterie peut être alternée avec une étape dans laquelle l'énergie fournie par le panneau photovoltaïque est intégralement utilisée pour recharger la batterie, le rapport cyclique temporel des deux étapes étant déterminé par une température. 20 L'étape dans laquelle l'énergie fournie par le panneau photovoltaïque est intégralement utilisée pour réchauffer la batterie peut être maintenue tant que la tension de sortie du panneau photovoltaïque est inférieure à un deuxième seuil prédéterminé. Le procédé peut comprendre une étape dans laquelle de l'énergie de la batterie est utilisée pour réchauffer celle-ci lorsque la tension de sortie du panneau photovoltaïque est sensiblement nulle et lorsque la température est inférieure au premier seuil. MS\2. S 649.12FR. 5 69. dpt. doc 25 30 2903822 4 L'installation selon l'invention comprend une batterie destinée à alimenter une charge électrique et destinée à être chargée de manière exclusive par un panneau photovoltaïque. Elle est caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens matériels et logiciels pour mettre en oeuvre le 5 procédé défini précédemment. L'installation peut comprendre un régulateur muni de moyens pour alimenter sélectivement la batterie ou une résistance électrique et des moyens de mesure d'une température. L'installation peut comprendre un régulateur muni d'un contact inverseur à activation thermique. Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, un mode de réalisation 15 d'une installation selon l'invention permettant la charge d'une batterie par un panneau photovoltaïque et un mode d'exécution d'un procédé de fonctionnement d'une telle installation. La figure 1 est un schéma d'un mode de réalisation d'une installation 20 selon l'invention. La figure 2 est un ordinogramme d'un premier mode d'exécution d'un procédé de fonctionnement selon l'invention. 25 La figure 3 est un graphique représentant, dans deux variantes d'exécution, les utilisations de la puissance photovoltaïque en fonction de la température. La figure 4 est un ordinogramme d'un deuxième mode d'exécution d'un 30 procédé de fonctionnement selon l'invention. MS\2. S649.12FR.569.dpt.doc 10 2903822 5 La figure 5 est un schéma d'un mode de réalisation simplifié du régulateur utilisé dans l'installation selon l'invention. La figure 1 représente de manière schématique une installation INST 5 selon l'invention. Cette installation est par exemple destinée à l'alimentation d'une charge électrique telle que notamment un actionneur de portail, un panneau de circulation routière ou un équipement électrique de voilier de plaisance, la charge n'étant pas représentée. 10 Un panneau photovoltaïque PVC est globalement raccordé à une batterie BAT par l'intermédiaire d'un régulateur REG. La batterie BAT est placée à l'intérieur d'une résistance chauffante RES, l'ensemble étant disposé à l'intérieur d'une enceinte thermiquement isolante INSU. Alternativement, la résistance chauffante pourrait être placée à l'intérieur de la batterie ou 15 localisée sur une seule face de la batterie. Le panneau photovoltaïque convertit en puissance électrique la puissance lumineuse LUX captée. II est raccordé au régulateur REG par un conducteur positif VDD et par un conducteur de masse GND. Le 20 panneau est unidirectionnel : il ne peut que fournir du courant sur le conducteur positif VDD. On désigne par UP la tension électrique disponible aux bornes du panneau. Le régulateur REG comprend une première sortie CHRG et une 25 deuxième sortie HEAT. La première sortie CHRG est raccordée à la borne positive BPOS de la batterie BAT. La deuxième sortie HEAT est raccordée à une première borne HT1 de la résistance chauffante RES. Le conducteur de masse GND traverse le régulateur REG. Il est 30 éventuellement utilisé dans le régulateur REG comme référence des potentiels. Ce conducteur de masse GND est raccordé à la borne MS\2.S649.12FR.569.dpt.doc 2903822 6 négative BNEG de la batterie BAT. Il est également raccordé à une deuxième borne HT2 de la résistance chauffante RES. Le régulateur REG comprend un moyen de commutation K permettant de 5 raccorder le conducteur positif VDD soit à sa première sortie CHRG, soit à sa deuxième sortie HEAT. Ces liaisons figurent sous forme de deux traits pointillés. La commutation se fait sous contrôle d'une information logique délivrée par des moyens de mesure de température TEMP, représentés à l'extérieur du régulateur. Ces moyens de mesure 10 comprennent également un capteur de température dans la batterie ou à proximité de celle-ci, ce capteur étant en liaison (représentée en traits pointillés) avec le reste des moyens de mesure. Alternativement, le moyen de mesure de température TEMP est disposé à l'intérieur du régulateur REG. En variante, la commutation du moyen de commutation 15 dépend également d'une horloge CLK interne au régulateur REG. La commutation est effectuée de manière semi-permanente, l'une ou l'autre des connexions restant stable sur une longue période de temps, par exemple plusieurs heures, ou de manière alternative à fréquence fixe 20 mais avec un rapport cyclique variable en fonction de l'information logique délivrée par les moyens de mesure de température TEMP, par exemple avec une fréquence de 10 KHz. Dans le dernier cas, le moyen de commutation comprend des transistors. 25 Dans le premier cas, qui correspond à la version préférée, le moyen de commutation comprend un simple relais inverseur. Dans un autre mode de réalisation, le moyen de commutation K est fortement dissymétrique : il contient un dispositif élévateur de tension 30 dans la liaison avec la première sortie CHRG, alors qu'il y a liaison directe dans la liaison avec la deuxième sortie HEAT. MS\2. S649.12FR.569.dpt.doc 2903822 7 Dans tous les cas, la charge électrique, branchée sur les deux bornes de la batterie ou entre la masse et une borne spécifique de sortie du régulateur, n'est pas représentée. Cette charge est constituée comme vu 5 précédemment par un moyen d'éclairage, un moteur ou tout autre dispositif nécessitant une alimentation électrique autonome. Comme décrit dans les documents de l'art antérieur, le régulateur peut être conçu de manière à interrompre la connexion entre la batterie et la charge dans certaines situations dites de délestage, de manière à préserver la charge 10 électrique emmagasinée dans la batterie. La figure 2 décrit un premier mode d'exécution du procédé de fonctionnement selon l'invention. 15 Dans une première étape E21, on établit une condition de commutation COND sur au moins une variable interne de l'installation. Cette variable interne est par exemple une température TETA, mesurée par les moyens de mesure de température. 20 Alternativement, c'est la température ambiante qui est mesurée, celle-ci influençant considérablement la température de la batterie. En première variante de mesure, les deux températures sont mesurées. Alternativement, c'est la température de la résistance chauffante RES qui est mesurée à partir de sa valeur ohmique de résistance. 25 La condition COND consiste à comparer la variable interne choisie à un seuil prédéterminé. La condition est vérifiée si la variable interne est supérieure à ce seuil, non vérifiée dans le cas contraire. Par exemple la température TETA est comparée à une valeur de seuil de décharge. La 30 valeur de seuil de décharge est contenue en mémoire. Alternativement, cette valeur est fixée par un potentiomètre non représenté. MS\2. S649.12FR.569.dpt.doc 2903822 8 Alternativement, la condition COND combine plusieurs variables internes et/ou leur taux de variation. D'autres variables internes sont la tension UP disponible aux bornes du panneau solaire, l'heure courante (astronomique) fournie par l'horloge CLK, ou encore la tension UBAT 5 disponible aux bornes de la batterie. Dans une deuxième étape E22, un test vérifie la réalisation de la condition COND. Si la condition n'est pas réalisée, par exemple si la température TETA n'est pas supérieure au seuil de décharge, alors le 10 procédé de fonctionnement passe à une troisième étape E23, dans laquelle l'énergie issue du capteur photovoltaïque PVC est utilisée pour réchauffer la batterie BAT. Autrement dit, la connexion réalisée dans le régulateur REG est celle du conducteur VDD vers la deuxième sortie HEAT, ce qui a pour effet d'alimenter la résistance RES. 15 Si la condition est réalisée, par exemple si la température TETA est supérieure au seuil de décharge, alors le procédé passe à une quatrième étape E24, dans laquelle l'énergie issue du capteur photovoltaïque PVC est utilisée pour charger la batterie BAT. 20 Ainsi, même sous des éclairements faibles, et en particulier en soirée, alors que la tension disponible aux bornes du panneau photovoltaïque devient tout à fait insuffisante pour charger la batterie, et même, dans certains cas, insuffisante, pour être convertie en une tension plus élevée 25 grâce à un convertisseur-élévateur, l'énergie issue du panneau reste utilisable pour être en intégralité transformée en énergie thermique. De préférence, lorsque la tension aux bornes du panneau photovoltaïque est inférieure à un seuil déterminé, l'énergie issue du panneau photovoltaïque est intégralement utilisée pour chauffer la batterie. 30 MS\2. S649.12FR.569.dpt.doc 2903822 9 La condition COND peut n'être testée que pendant une fraction de période d'un signal périodique délivré par l'horloge CLK, cette fraction (ou rapport cyclique) étant définie par la valeur de la température TETA. Ainsi, l'invention permet également d'ajuster la proportion de puissance 5 photovoltaïque utilisée pour le réchauffage de la batterie. La figure 3 représente, dans deux variantes d'exécution, sous forme d'un diagramme représentant la puissance en ordonnées et la température TETA en abscisses, deux lois d'affectation de la puissance 10 photovoltaïque. On désigne par WPV la puissance électrique totale fournie à un instant donné par le panneau photovoltaïque, par WH la puissance utilisée pour le chauffage de la batterie et par WQ la puissance utilisée pour charger la batterie. 15 La température TETA est ici celle de la batterie. Cette température doit se situer au-delà d'une température critique TC. On a représenté par une zone hachurée le domaine interdit des températures inférieures à TC. Quand la température TETA s'élève, le besoin de chauffage diminue. Plutôt que d'utiliser une loi à seuil fixe comme précédemment décrit, il est 20 utilisé ici une décroissance linéaire de la puissance de chauffage WH quand la température TETA s'élève, décroissance qui part de la puissance électrique totale fournie WPV jusqu'à zéro. Réciproquement, la puissance WQ utilisée pour recharger la batterie s'élève de la même façon depuis zéro jusqu'à atteindre la puissance totale fournie par le 25 panneau. Les deux courbes de variation des puissances WH et WQ sont représentées en trait plein. Elles correspondent à un horaire H1. II est en effet possible de faire dépendre ces lois de variation d'une deuxième variable interne, par exemple l'horaire. L'heure astronomique 30 permet d'anticiper sur l'évolution de la puissance électrique totale WPV fournie par le panneau. II est clair que cette puissance va tendre à MS\2. S649.12FR.569. dpt. doc 2903822 10 diminuer au fur et à mesure qu'on se rapproche de la nuit. Dans ce cas, il y a tout intérêt à favoriser le chauffage de la batterie, qui risque de ne pas être possible par la suite. Les courbes de variation des puissances WH et WQ pour un horaire H2 supérieur à H1 sont représentées en trait 5 pointillé. Cette situation correspond à des horaires de fin de journée. Elle est opposée en début de journée. D'autres lois plus ou moins complexes peuvent être élaborées. On a représenté en figure 3 des lois concernant la puissance électrique. 10 Ces lois peuvent être également modifiées pour représenter l'énergie électrique correspondant à des intervalles de temps donnés. La figure 4 représente un deuxième mode d'exécution du procédé de fonctionnement. Ce deuxième mode d'exécution diffère du mode 15 précédent en ce que deux conditions COND1 et COND2 sont définies dans une première étape E41. Ces conditions portent de nouveau sur des variables internes, mesurées par des moyens internes à l'installation. Lors d'une deuxième étape E42, une première condition COND1 est 20 testée. Si le résultat est positif, on passe à une troisième étape E43 dans laquelle l'énergie fournie par le panneau photovoltaïque est utilisée pour charger la batterie BAT. Sinon, on passe à une quatrième étape E44 dans laquelle c'est, cette 25 fois, la deuxième condition qui est testée. Si la deuxième condition est vérifiée, on passe à une cinquième étape E45 dans laquelle l'énergie fournie par le panneau photovoltaïque est transmise à la résistance RES de manière à chauffer la batterie. MS\2.S649.12FR.569.dpt.doc 2903822 11 Si la deuxième condition n'est pas vérifiée, on passe à une sixième étape E46, dans laquelle on utilise cette fois la batterie elle-même pour fournir l'énergie de chauffage. 5 Par exemple, la première condition COND1 est de nouveau la comparaison de la température TETA à un seuil de température prédéfini, tandis que la deuxième condition COND2 est la comparaison de la tension disponible aux bornes du panneau UP à un seuil de tension prédéfini. 10 Tant que la tension UP est supérieure à ce seuil prédéfini, la deuxième condition COND2 est vérifiée et le procédé reste analogue au procédé précédent. Par contre, si la tension disponible aux bornes du panneau devient inférieure à ce seuil, alors on utilise de l'énergie de la batterie 15 pour chauffer celle-ci. Ce dernier fonctionnement est possible dès lors que le moyen de commutation K comprend une capacité tampon CT de stockage d'énergie, par exemple un condensateur, disposée au niveau de la 20 liaison avec le conducteur positif VDD, comme représenté en figure 1. Quand le moyen de commutation bascule d'une position établissant le contact avec la première sortie CHRG vers une position établissant le contact avec la deuxième sortie HEAT, le condensateur tampon CT qui a été chargé par la batterie BAT se décharge dans la résistance RES. 25 On pourrait également prévoir dans le régulateur REG un moyen de commutation permettant une liaison directe entre la première sortie CHRG et la deuxième sortie HEAT. 30 La figure 5 représente un mode de réalisation simplifié d'un régulateur REG combinant les fonctions de l'élément de commutation K et des MS\2. S649.12FR.569.dpt.doc 2903822 12 moyens de mesure de température TEMP : il y est utilisé un contact inverseur à activation thermique KT, basculant pour une température supérieure à une valeur de seuil TH. La situation représentée est celle d'une température TETA inférieure au seuil TH, correspondant à une 5 valeur considérée comme suffisante. La condition COND s'écrit alors : TETA > TH 10 Si la condition COND est réalisée, alors l'énergie photovoltaïque est intégralement transmise à la batterie, dans le cas contraire elle est intégralement transmise à la résistance chauffante. Préférentiellement, tous les éléments du régulateur REG susceptibles de 15 dissiper de l'énergie sont associés à la résistance RES de manière à contribuer au réchauffage de la batterie. De plus, l'isolation thermique INSU est de préférence réalisée à l'aide d'un matériau à changement de phase, dont la température de transition est supérieure à la température critique TC de la batterie. 20 MS\2. S649.12FR.569. dpt.doc Revendications : 1. Procédé de fonctionnement d'une installation (INST) comprenant une batterie (BAT) destinée à alimenter une charge électrique et destinée à être chargée de manière exclusive par un panneau photovoltaïque (PVC), caractérisé en ce qu'il comprend une étape dans laquelle l'énergie fournie par le panneau photovoltaïque est intégralement utilisée pour réchauffer la batterie. 2. Procédé de fonctionnement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape dans laquelle l'énergie fournie par le panneau photovoltaïque est intégralement utilisée pour réchauffer la batterie est maintenue tant qu'une température est inférieure à un premier seuil prédéterminé. 3. Procédé de fonctionnement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape dans laquelle l'énergie fournie par le panneau photovoltaïque est intégralement utilisée pour réchauffer la batterie est alternée avec une étape dans laquelle l'énergie fournie par le panneau photovoltaïque est intégralement utilisée pour recharger la batterie, le rapport cyclique temporel des deux étapes étant déterminé par une température. 4. Procédé de fonctionnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape dans laquelle l'énergie fournie par le panneau photovoltaïque est intégralement utilisée pour réchauffer la batterie est maintenue tant que la tension de sortie du panneau photovoltaïque est inférieure à un deuxième seuil prédéterminé. MS\2.S649.12FR.569.dpt.doc 13 2903822 14 5. Procédé de fonctionnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape dans laquelle de l'énergie de la batterie est utilisée pour réchauffer celle-ci lorsque la tension de sortie du panneau photovoltaïque est 5 sensiblement nulle et lorsque la température est inférieure au premier seuil. 6. Installation (INST) comprenant une batterie (BAT) destinée à alimenter une charge électrique et destinée à être chargée de 10 manière exclusive par un panneau photovoltaïque (PVC), caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens matériels (REG, TEMP, CLK) et logiciels pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications précédentes. 15 7. Installation selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle comprend un régulateur muni de moyens (K) pour alimenter sélectivement la batterie ou une résistance électrique et des moyens (TEMP) de mesure d'une température. 20 8. Installation selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce qu'elle comprend un régulateur muni d'un contact inverseur (KT) à activation thermique. MS \2 . S 649.12 FR. 5 69. dpt. do c