Brevet FR2916049A1 — publié le 20081114

Procédé de diagnostic d'éléments défectueux dans un système autonome, alimenté par une source d'alimentation intermittente. Domaine technique de l'invention L'invention est relative à un procédé de diagnostic d'éléments défectueux dans un système autonome, alimenté par une source d'alimentation 10 intermittente et comportant en série un générateur, un dispositif de gestion de puissance et un élément de stockage d'énergie. État de la technique 15 Les systèmes autonomes alimentés par des sources d'énergie intermittentes (par exemple : des panneaux photovoltaïques, des générateurs de type éoliens...) sont appelés à se développer. De plus, ces systèmes autonomes seront préférentiellement installés dans des endroits isolés, d'accès difficile 20 pour lesquels le coût d'une alimentation classique en énergie, par câble, serait prohibitif. Dans ce type de configuration, l'optimisation de l'entretien et de l'autonomie revêt un caractère primordial pour permettre une réduction importante des coûts de fonctionnement. 25 Or, les systèmes classiques, s'ils permettent parfois de suivre la production d'énergie, ne sont pas conçus pour réagir en cas de faible production, ni pour informer l'utilisateur ou le personnel de maintenance de l'origine d'un défaut. Dans un système autonome conventionnel, la batterie peut être branchée 30 directement sur le panneau photovoltaïque. Le panneau photovoltaïque est conçu (nombre et disposition des cellules) pour charger une batterie au5 plomb. Le point de puissance du panneau photovoltaïque est ajusté par la tension aux bornes de la batterie. En effet, plus la batterie est chargée, plus sa tension est élevée et plus la puissance délivrée par le panneau est faible. Enfin, les batteries au plomb supportent facilement les surcharges. Cependant, dans la plupart des systèmes autonomes : il y a une gestion de la charge de la batterie (seuils de tension, connexion / déconnexion des différentes charges), il n'y a pas de composant de conversion de puissance, il y a une surveillance de la production du système, il n'y a pas de surveillance du fonctionnement du panneau. La demande de brevet japonais JP2005340464 décrit un système de diagnostic utilisant la comparaison du rapport de la puissance instantanée sur la puissance standard entre les différents panneaux d'une centrale photovoltaïque. Le bon fonctionnement ou le mauvais fonctionnement des panneaux photovoltaïques est déduit de cette comparaison. La puissance standard des différents panneaux photovoltaïques en fonction de l'heure ainsi que la puissance délivrée par chaque panneau durant les journées précédentes ont été préalablement mises en mémoire dans le système. Le brevet US6892165 décrit le calcul de caractéristiques standard d'un système photovoltaïque, calcul basé sur les conditions d'installation du système, et la comparaison de cette valeur standard à des valeurs mesurées. Le bon fonctionnement du système est déduit de cette comparaison. Dans les systèmes de gestion des installations autonomes actuelles, l'utilisateur (ou le personnel d'entretien) est prévenu trop tard, lorsqu'il n'y a plus de source d'énergie et que la batterie est déchargée. De plus, l'utilisateur n'a aucune information sur la cause de la défaillance. Objet de l'invention L'objet de l'invention consiste à pallier les inconvénients précités et en particulier à détecter les causes de défaillance avant qu'il n'y ait plus de source d'énergie et que la batterie soit déchargée. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que le procédé comporte la mesure du courant et de la tension réels de charge, la détermination en fonction desdites mesures de la puissance réelle de charge de l'élément de stockage d'énergie, la comparaison de ladite puissance réelle de charge à un seuil de puissance prédéfini, la déconnexion de l'élément de stockage d'énergie si la puissance de charge est inférieure au seuil de puissance, l'élément de stockage d'énergie étant déconnecté, la mesure de la puissance maximale délivrable par le générateur à l'instant de la mesure, la détermination de l'état de charge de l'élément de stockage d'énergie déconnecté, ainsi que de la tension et de la puissance théoriques de charge correspondant, la différenciation entre un comportement normal, un mauvais fonctionnement du générateur et un mauvais fonctionnement de l'élément de stockage d'énergie en fonction de la comparaison entre la puissance réelle de charge de l'élément de stockage et la plus petite des valeurs représentatives de la puissance théorique de charge de l'élément de stockage d'énergie et de la puissance maximale délivrable par le générateur et de la comparaison entre la tension réelle de charge et la tension théorique de charge de l'élément de stockage d'énergie. 330 Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : La figure 1 représente de façon schématique un système autonome dans lequel le procédé selon ('invention peut être mis en oeuvre. La figure 2 représente, sous forme d'organigramme, un mode particulier de réalisation d'un procédé selon l'invention. La figure 3 illustre un mode particulier de réalisation du test du régulateur du procédé selon la figure 2. Description d'un mode particulier de réalisation de l'invention Comme illustré sur la figure 1, le système autonome comporte au moins une batterie 1 constituant un élément de stockage d'énergie, un générateur 2 d'énergie, délivrant une alimentation intermittente, et un régulateur de puissance 3 connecté entre le générateur 2 et la batterie 1. Le régulateur de puissance 3 comporte, avantageusement, non seulement un circuit de régulation de la puissance mais également un module de recherche du point de puissance maximale délivrable par le générateur 2, avec un algorithme de recherche correspondant, et un module de charge de l'élément de stockage d'énergie 1 avec un algorithme de charge dédié. Les algorithmes de recherche et de charge peuvent être intégrés dans le régulateur de puissance 3 et/ou dans une unité de contrôle 6. Des circuits de mesures 4 et 5, permettant respectivement de mesurer la tension et le courant à la sortie du générateur 2 et aux bornes de la batterie 1, sont connectés à une unité de contrôle 6, également connectée au régulateur de puissance 3. Un circuit 7 de mesure de la température est également connecté à l'unité de contrôle 6 et une charge 8 est classiquement alimentée par la batterie 1. Le générateur 2 d'énergie est, par exemple, de type éolien ou micro-hydraulique ou avantageusement un panneau photovoltaïque. Le régulateur de puissance 3 comporte, de préférence, un convertisseur de type BUCK. L'unité de contrôle 6 est ainsi destinée à gérer, par l'intermédiaire du régulateur de puissance 3, l'adéquation entre la puissance fournie par le générateur 2 et la charge de la batterie 1. L'unité de contrôle 6 commande l'ouverture et la fermeture d'éléments de commutation (non représentés) connectés entre le panneau photovoltaïque 2 et la batterie 1 et destinés à permettre la déconnexion de la batterie 1. Les éléments de commutation sont, de préférence, intégrés au régulateur de puissance 3. De manière avantageuse, des données relatives à des profils de charge de la batterie 1, permettant de déterminer la puissance de charge théorique Pthbatt ainsi que la tension de charge théorique Uthbatt en fonction de l'état de charge et de la température de la batterie 1, sont mises en mémoire dans l'unité de contrôle 6. Le circuit 7 mesure, avantageusement, la température T de la batterie 1. Le système autonome comporte, avantageusement, un dispositif de communication avec l'extérieur (non représenté), qui peut être intégré dans l'unité de contrôle 6. 30 Dans le mode de réalisation particulier illustré par l'organigramme de la figure 2, l'unité de contrôle 6 détermine (étape F1) la puissance réelle de25 charge Pbatt de la batterie 1 à partir des mesures (IN) de la tension et du courant aux bornes de la batterie 1, fournies par le circuit de mesure 5. Elle compare (F2) la puissance réelle de charge Pbatt de la batterie 1 à un seuil prédéfini, préférentiellement 0,1 watt. Si la puissance réelle de charge Pbatt est inférieure au seuil prédéfini (sortie OUI de F2), l'unité de contrôle 6 provoque (F3) la déconnexion de la batterie 1 après avoir mis en mémoire les dernières valeurs de tension et du courant mesurées par les circuits de mesures 4 et 5. 10 L'unité de contrôle 6 déclenche, ensuite, un protocole de test afin de vérifier que tous les éléments, intervenant dans le processus de charge de la batterie 1, sont fonctionnels. Le protocole de test utilise notamment les valeurs de courant et de tension mesurées juste avant la déconnexion de la 15 batterie 1 Le protocole de test peut commencer par (F4) un test, facultatif, du régulateur de puissance 3. Un mode particulier de réalisation de ce test sera décrit plus en détail ultérieurement, en référence à la figure 3. Le test a 20 ensuite pour but de détecter un mauvais fonctionnement du générateur et/ou de la batterie 1. Dans une étape F5, l'unité de contrôle 6 calcule la puissance maximale délivrable par le panneau photovoltaïque 2 Pmpp, sur la base de mesures de la tension e1: du courant aux bornes du panneau photovoltaïque lorsque ce dernier est réglé à son point de puissance maximale, avec 25 l'ensoleillement réel au moment des mesures. La mesure de ces deux grandeurs (tension et courant) nécessite d'être en mesure de dissiper ou d'utiliser cette puissance dans le système. Or, l'électronique de puissance, n'est pas prévue pour ce type de fonctionnement 30 et n'est donc pas capable de dissiper la totalité de la puissance fournie par le panneau photovoltaïque 2.5 Une première possibilité consiste à mesurer successivement la tension à vide Voc et le courant de court-circuit du panneau afin d'en déduire la tension au point de puissance maximale Vmpp et le courant lmpp associé. II faut 5 pour cela commuter rapidement d'un état à l'autre. Une autre possibilité consiste à faire des variations d'impédance et des mesures très brèves, afin de pouvoir interpoler le point de puissance maximale. La puissance est élevée, mais le temps et donc l'énergie sont 10 faibles. On peut, par exemple, réaliser un certain nombre de mesures pendant la commutation entre le circuit ouvert et le court-circuit. L'unité de contrôle 6 peut alors avantageusement comparer les valeurs de tension en circuit ouvert Voc et au point de puissance maximale Vmpp à des 15 valeurs nominales, connues. Cette comparaison peut, de plus, permettre de s'assurer que toutes les cellules du panneau photovoltaïque fonctionnent. Si c'est le cas, l'unité de contrôle 6, calcule la puissance Pmpp. Ensuite, l'unité de contrôle 6 détermine l'état de charge (SOC) de la batterie 20 1, par exemple, en mesurant la tension à vide et la température T de la batterie 1 (fournies par les circuits de mesure 5 et 7) et au moyen d'abaques. Pour permettre une mesure précise de l'état de charge (SOC), cette étape F6 est préférentiellement réalisée, après une durée d'attente prédéfinie fonction du type, de la température et de l'état de charge de la batterie, typiquement 25 de l'ordre de 10 minutes pour une batterie au Lithium, après déconnexion de la batterie. Cette durée d'attente permet à la batterie de stabiliser sa tension à vide. Cette estimation de l'état de charge (SOC) est avantageusement utilisée par l'unité de contrôle 6 pour définir la puissance de charge souhaitable pour divers profils de charges de la batterie 1. L'unité de contrôle 30 6 détermine, en particulier, pour l'état de charge déterminé (SOC), la puissance de charge théorique Pthbatt(SOC) ainsi que la tension théorique Uthbatt(T,SOC), qui dépend également de la température de la batterie 1, permettant, en théorie, une charge optimale de la batterie. Les valeurs Pthbatt et Uthbatt utilisées par la suite sont donc fonction de l'état de charge (SOC) réel de la batterie 1 au moment de leur détermination (étape F6). Les données relatives à des profils de charge de la batterie 1 comportent, préférentiellement, non seulement le type de batterie utilisé et le courant maximum de charge autorisé, mais aussi la puissance de charge et le type de charge en fonction de l'état de charge de la batterie. 10 L'unité de contrôle 6 utilise alors différentes grandeurs mesurées et déterminées, pour déterminer l'origine de la faible puissance de charge détectée auparavant (sortie OUI de F2). 15 Sur la figure 2, la puissance théorique de charge Pthbatt, est (F7) d'abord comparée à la puissance maximale Pmpp. Si (sortie OUI de F7) la puissance maximale Pmpp du panneau photovoltaïque 2 est supérieure à la puissance théorique de charge de la 20 batterie 1 (Pmpp > Pthbatt), alors le panneau photovoltaïque 2 ne limite pas, a priori, la charge de la batterie 1. La puissance réelle de charge Pbatt est alors comparée (F8) à la puissance théorique de charge Pthbatt de la batterie 1. 25 Si (sortie OUI de F8), la puissance réelle de charge est égale à la puissance théorique de charge (Pbatt = Pthbatt) de la batterie 1, alors, la batterie 1 est considérée comme chargée (F9), ce qui explique la faible puissance de charge nécessaire à la batterie 1. Dans cette configuration, le système autonome peut avantageusement prévenir l'utilisateur. 30 Dans un exemple correspondant, lorsque la puissance réelle de charge Pbatt atteint la valeur seuil 0,1W, l'unité de contrôle 6 mesure une puissance maximale Pmpp délivrable par le panneau photovoltaïque 2 de 10W et un état de charge de la batterie 1 de 95%. Au moyen des données relatives à des profils de charge cle la batterie 1, l'unité de contrôle 6 détermine une puissance théorique de charge Pthbatt de 0,1W. La puissance maximale Pmpp du panneau photovoltaïque 2 est alors supérieure à la puissance théorique de charge de la batterie 1 (Pmpp (10W) > Pthbatt (0,1 W)) et la puissance réelle de charge Pbatt est égale à la puissance théorique de charge (0,1W) de la batterie 1. La batterie 1 est donc chargée. Par contre, si (sortie NON de F8) la puissance réelle de charge Pbatt est différente de la puissance théorique de charge Pthbatt, on suppose que la puissance de charge est inférieure à la puissance théorique de charge (Pbatt Pthbatt), correspond au cas où la batterie 1 est chargée et le régulateur 3 lui délivre plus de puissance que nécessaire. Les puissances en oeuvres étant faibles (Pbatt Si (sortie OUI de F10) la tension de charge réelle est égale à la tension théorique fonction de l'état de charge de la batterie 1 et de la température (Ubatt = Uthbatt(T, SOC;)), alors, la batterie semble dégradée et l'utilisateur est averti (F11). En effet, on suppose que la principale conséquence de la dégradation de la batterie 1 est une augmentation de son impédance interne et donc un décalage des points de fonctionnement courant et tension de la batterie 1. Dans le cas contraire (sortie NON de F10), on suppose que la tension de charge réelle est inférieure à la tension théorique de charge (Ubatt Uthbatt est considéré comme impossible ou improbable au niveau de l'étape F10. Dans un exemple correspondant, lorsque la puissance réelle de charge atteint la valeur seuil 0,1W, l'unité de contrôle 6 mesure une puissance maximale délivrable par le panneau photovoltaïque 2 de 10W et un état de charge de la batterie 1 de 70%. Au moyen des données relatives à des profils de charge de la batterie 1, l'unité de contrôle 6 détermine une puissance théorique de charge Pthbatt de 5W. D'autre part, l'unité de contrôle 6 détermine que la tension de charge Ubatt est inférieure à la tension théorique de charge Uthbatt. La puissance maximale du panneau photovoltaïque 2 est donc supérieure à la puissance théorique de charge de la batterie 1 (Pmpp (10W) > Pthbatt (0,1 W)), la puissance réelle de charge est inférieure à la puissance théorique de charge (Pbatt(0,1W) Dans un autre exemple correspondant, lorsque la puissance réelle de charge atteint la valeur seuil 0,1W, l'unité de contrôle 6 mesure une puissance maximale délivrable par le panneau photovoltaïque 2 de 1W et un état de charge de la batterie 1 de 70%. La puissance théorique de charge Pthbatt est de 5W. La puissance maximale du panneau photovoltaïque 2 est donc inférieure à la puissance théorique de charge de la batterie 1 (Pmpp (1W) Si (sortie NON de F7) la puissance maximale du panneau est inférieure à la puissance théorique de charge de la batterie (Pmpp Si (sortie OUI de F13) la puissance réelle de charge de la batterie 1 est égale à la puissance maximale du panneau photovoltaïque 2 (Pbatt = Pmpp), cela signifie que l'irradiation est faible (F14) et que la batterie 1 utilise toute la puissance disponible. Le fonctionnement est donc normal. Dans un exemple correspondant, lorsque la puissance réelle de charge atteint la valeur seuil 0,1W, l'unité de contrôle 6 mesure une puissance maximale délivrable par le panneau photovoltaïque 2 de 0,1W et un état de charge de la batterie 1 de 70%. La puissance théorique de charge Pthbatt est de 5W. La puissance maximale du panneau photovoltaïque 2 est donc inférieure à la puissance théorique de charge de la batterie 1 (Pmpp (0,1W) Si (sortie NON de F13) la puissance réelle de charge de la batterie 1 n'est pas égale à la puissance maximale du panneau photovoltaïque 2, la puissance de charge ne pouvant jamais être supérieure à la puissance délivrée par le générateur, cela signifie que la puissance réelle de charge de la batterie 1 est inférieure à la puissance maximale du panneau photovoltaïque (Pbatt De façon plus générale, au sein du protocole de test, la puissance réelle de charge Pbatt est comparée à la plus petite des valeurs représentatives de la puissance théorique de charge Pthbatt de l'élément de stockage d'énergie 1 et de la puissance maximale Pmpp délivrable par le générateur 2. En effet, si la puissance théorique de charge Pthbatt est inférieure à la puissance maximale Pmpp délivrable par le générateur 2 (sortie OUI de F7), la puissance réelle de charge Pbatt est alors comparée à la puissance théorique de charge Pthbatt, dans le cas contraire (sortie NON de F7), la puissance réelle de charge Pbatt est comparée à la puissance maximale délivrable par le générateur 2. De plus, la comparaison de la tension de charge Ubatt avec la tension théorique de charge Uthbatt n'a lieu que si la puissance de charge Pbatt est inférieure à la puissance théorique de charge Pthbatt et à la puissance maximale Pmpp délivrable par le générateur 2. La réinitialisation d'un algorithme (F11 ou F12) ne permet pas de considérer le générateur 2 comme défectueux la première fois. Dans un mode de réalisation préférentiel, le générateur 2 est signalé comme défectueux après un certain nombre de réinitialisations, par exemple après trois réinitialisations. Comme représenté à la figure 3, le test du régulateur (F4) peut comporter la mesure la tension aux bornes du régulateur de puissance 3. Dans le système autonome représenté à la figure 1, les mesures des tensions peuvent être réalisées par les circuits de mesure 4 et 5. Dans ce cas de figure particulier, la tension d'entrée du régulateur de puissance correspond à la tension aux bornes du générateur Vg et la tension de sortie du régulateur, Ubatt, est la tension aux bornes de l'élément de stockage 1. Le protocole de test (F4) du régulateur de puissance 3 peut comporter les étapes suivantes. L'unité de contrôle 6 fait réaliser une nouvelle mesure (F15) de la tension fournie par le générateur 2 ou utilise la valeur préalablement mise en mémoire. L'unité de contrôle 6 fait également réaliser une nouvelle mesure (F16) de la tension fournie à la batterie 1 ou utilise la valeur préalablement mise en mémoire. L'unité de contrôle 6 teste (F17) ensuite si la valeur de la tension fournie à la batterie 1 est nulle. Si (sortie OUI de F17) la tension fournie à la batterie est nulle et le régulateur de puissance 3 est alors déclaré défectueux (F20). Dans le cas contraire (sortie NON de F17), l'unité de contrôle 6 compare alors (F18) la tension Vg aux bornes du générateur 2 et la tension Ubatt fournie à la batterie 1. Si (sortie OUI de F18) la tension fournie à la batterie est égale à la tension délivrée par le générateur 2, le régulateur de puissance 3 est alors déclaré défectueux (F20). Dans le cas contraire (sortie NON de F19), le régulateur de puissance 3 est considéré comme fonctionnel (F20). Revendications 1. Procédé de diagnostic d'éléments défectueux dans un système autonome, alimenté par une source d'alimentation intermittente et comportant en série un générateur (2), un régulateur de puissance (3) et un élément de stockage d'énergie (1), procédé caractérisé en ce qu'il comporte la mesure du courant et de la tension (Ubatt) réels de charge, la détermination en fonction desdites mesures de la puissance réelle de charge (Pbatt) de l'élément de stockage d'énergie (1), la comparaison de ladite puissance réelle de charge à un seuil de puissance prédéfini, la déconnexion de l'élément de stockage d'énergie (1) si la puissance de charge est inférieure au seuil de puissance, l'élément de stockage d'énergie (1) étant déconnecté, la mesure de la puissance maximale (Pmpp) délivrable par le générateur (2) à l'instant de la mesure, la détermination de l'état de charge (SOC) de l'élément de stockage d'énergie (1) déconnecté, ainsi que de la tension (Uthbatt) et de la puissance (Pthbatt) théoriques de charge correspondant, la différenciation entre un comportement normal, un mauvais fonctionnement du générateur (2) et un mauvais fonctionnement de l'élément de stockage d'énergie (1) en fonction de la comparaison entre la puissance réelle de charge (Pbatt) de l'élément de stockage (1) et la plus petite des valeurs représentatives de la puissance théorique (Pthbatt) de charge de l'élément de stockage d'énergie (1) et de la puissance maximale (Pmpp) délivrable par le générateur (2) et de la comparaison entre la tension réelle (Ubatt) de charge et la tension théorique (Uthbatt) de charge de l'élément de stockage d'énergie (1). 14 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte la mesure des tensions d'entrée et de sortie du régulateur de puissance (3) et la détection d'un défaut dans le dispositif du régulateur de puissance (3) en fonction desdites mesures. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le régulateur de puissance (3) est considéré comme défectueux si sa tension de sortie (Ubatt) est nulle ou est égale à sa tension d'entrée (Vg). 10 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que si la puissance réelle de charge (Pbatt) de l'élément de stockage (1) est inférieure à la puissance théorique de charge (Pthbatt) et à la puissance maximale (Pmpp) délivrable par le générateur (2) et si la tension théorique de charge (Uthbatt) est égale à la tension réelle de charge (Ubatt), l'élément 15 de stockage d'énergie (1) est considéré comme dégradé (F11). 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que si l'élément de stockage d'énergie (1) est considéré comme dégradé, la signalisation de la défectuosité est réalisée. 20 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que si la puissance réelle de charge (Pbatt) de l'élément de stockage d'énergie (1) est inférieure à la puissance maximale (Pmpp) délivrable par le générateur (2) et à la puissance théorique de charge (Pthbatt) et si la tension 25 théorique de charge (Uthbatt) est supérieure à la tension réelle de charge (Ubatt), le générateur (2) est considéré comme dégradé (F12). 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que si le générateur (2) est considéré comme dégradé, un algorithme de charge est réinitialisé. 30 8. Procédé selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que si le générateur (2) est considéré comme dégradé, un algorithme de recherche du point de puissance maximale du régulateur (3) est réinitialisé. 9. Procédé selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce qu'il comporte la signalisation de la défectuosité du générateur (2) après un nombre prédéfini de réinitialisations successives d'au moins un algorithme. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le générateur (2) est un panneau photovoltaïque. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le générateur (2) est de type éolien.15