Brevet FR3007220A1 — publié le 20141219

Procédé dynamique de décharge d'un accumulateur rechargé pour une source d'énergie renouvelable Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine de l'alimentation électrique d'une charge électrique par une source d'énergie renouvelable et par un élément de stockage d'énergie. Elle concerne notamment des systèmes dont la charge est constituée par un ensemble de diodes électroluminescentes, pour une application telles qu'un système d'éclairage autonome comprenant un module d'éclairage à LED, une batterie d'alimentation, un moyen de rechargement tel que des cellules photovoltaïques ou une éolienne, et un circuit électronique de gestion de l'énergie. L'invention n'est toutefois pas limitée à l'éclairage, et s'applique également à d'autres équipements alimentés par une source d'énergie renouvelable et incorporant 20 un moyen de stockage. Etat de la technique De nombreux travaux font état de systèmes autonomes 25 comprenant un système de charge de type ENR et un système de stockage, comme par exemple la demande internationale WO 2006022590 qui fait état d'un système dont la charge peut être de type photovoltaïque, éolienne ou encore générée par un système de type solaire thermique. Par ailleurs, le brevet 30 US4200904 propose un certain nombre d'applications pour ce type de système, comme par exemple un feu tricolore de signalisation routière ou un lampadaire solaire. Afin d'optimiser la gestion de l'énergie au sein du système, en prenant pour exemple une recharge de type solaire comme recharge à énergie renouvelable dans des applications solaires autonomes, l'une des contraintes majeures concerne la gestion de l'autonomie de la batterie. Pour contourner ce problème, dans la plupart des 5 systèmes autonomes solaires, le système de stockage est surdimensionné afin de pouvoir assurer un bon fonctionnement du système, même dans le cas où la charge serait insuffisante durant plusieurs jours. Le document de brevet FR 2 922 628 présente une telle solution. 10 Ce type de stratégie permet certes de pouvoir assurer un bon fonctionnement du système quoi qu'il arrive, mais présente un coût 4 à 5 fois plus élevé tout en présentant des risques de défaillances du système. Une autre approche consiste à ne faire fonctionner 15 l'application que si nécessaire en utilisant des capteurs adaptés. Le document de brevet FR 2922628 qui se rapporte à des lampadaires solaires décrit des capteurs de présence permettant de stopper l'éclairage lorsqu'un individu est détecté dans une zone donnée. Cette solution présente des 20 inconvénients. D'abord l'absence totale d'éclairage dans un quartier peut entrainer un vif sentiment d'insécurité d'une part. De plus, en fonction de la zone de détection couverte, les risques de non détection dans des parties peu accessibles restent importants avec ce type de système. Par ailleurs, un 25 lampadaire non éclairé au milieu de lampadaires éclairés signale habituellement la présence de défauts. Mais la recherche de défaillances est en général plus complexe. Par ailleurs, le document de brevet EP 1451916 présente une méthode de gestion d'installations autonomes qui 30 provoque - dès que l'énergie disponible atteint un seuil critique - soit une diminution du nombre de charges dépendant de l'application, soit un arrêt du système pour garantir une quantité d'énergie minimale toujours présente dans la batterie. Ainsi, une durée de vie maximale peut être garantie en évitant les sous-décharges, mais ce mode de gestion conduit nécessairement in fine à une réduction brutale du service rendu, voire à un arrêt prématuré, par exemple un arrêt de lumière en pleine nuit pour un lampadaire solaire. Il est également connu de prendre en compte des données météorologiques relatives à la zone géographique concernée. Par exemple, dans le document de brevet EP1451916 des données préenregistrées sont utilisées pour corriger l'énergie fournie par un facteur multiplicatif. Ceci a pour inconvénient de figer le système de manière statique avec un tel facteur multiplicatif. Inconvénients de l'art antérieur Afin d'éviter les black-out, les systèmes de stockage connus dans l'art antérieur sont en général surdimensionnés. Cela conduit à un premier inconvénient relatif au coût des moyens de stockage nécessaire pour garantir la permanence de service. Par ailleurs, il est difficile de gérer un système de stockage, en l'occurrence une batterie, avec une charge aléatoire de type ENR. Le stockage d'énergie est dimensionné pour assurer une fonction, l'éclairage par exemple, qui permet une certaine autonomie. Dans le cas d'un lampadaire solaire, le dimensionnement de ce lampadaire est réalisé de sorte que, lorsque la batterie est pleinement chargée, le lampadaire est capable d'assurer le service d'éclairage prédéfini pendant une nuit complète. Ainsi, pour une nuit de 12 heures avec un éclairage consommant 8 W, une batterie de 96 Wh est utilisée (en supposant un rendement total du système de 100%). Plaçons-nous après une décharge complète durant la nuit suivie d'une recharge partielle due à un ensoleillement médiocre le jour suivant, par exemple une recharge de 50% soit 48 Wh, toujours pour un rendement de 100%. De manière générale les systèmes de gestion de batterie actuels, en abrégé BMS (initiales de « Battery Monitoring Systems » en terminologie anglaise) vont permettre de décharger notre batterie pendant 6 heures la nuit suivante, garantissant ainsi 6 heures d'éclairage. Cependant, ces 6 heures d'éclairage seront suivies de 6 heures de non éclairage non volontaire (non anticipé) que l'on regroupe sous la notion de « black-out » (qui inclue à la fois la notion de non éclairage, de non anticipation de l'interruption d'éclairage ou de décharge non volontaire). Solution apportée par l'invention Afin de remédier aux inconvénients de l'art antérieur, la présente concerne selon son acception la plus générale un procédé de gestion de cycle de décharge d'une batterie électrique associée à une charge d'une part et à un moyen de rechargement fournissant un courant variable en fonction de paramètres climatiques d'autre part, caractérisé en ce que l'on détermine à chaque nouveau cycle de décharge un profil de décharge calculé à partir d'un profil de décharge de référence d'une part et de l'énergie accumulée lors du cycle de recharge précédent de telle sorte que la consommation estimée pendant le cycle à venir, définie par le calcul de l'intégrale dudit profil de décharge soit inférieure à l'énergie accumulée moins une valeur seuil Vseuil déterminée afin de préserver une réserve d'énergie Vréserve. Selon une première variante, le procédé comporte 30 une étape additionnelle de recalcul de la valeur seuil Vse., dans le cas où l'énergie résiduelle à la fin du cycle de fonctionnement précédent est inférieur à la valeur de réserve Vréserve - Selon une deuxième variante, ladite valeur de réserve Vréserve est calculée en fonction des valeurs maximales et minimales d'énergie pendant au moins une alternance de cycles de recharge et de fonctionnement de la charge. Selon un premier mode de mise en oeuvre, ledit profil de référence est une constante, correspondant à une alimentation de la charge avec une puissance constante. Selon un deuxième mode de mise en oeuvre, ledit profil de référence varie dans le temps pendant un cycle de fonctionnement correspondant à une alimentation de la charge avec une puissance variable entre des périodes de pleine puissance et des périodes de moindre puissance. La variation de la puissance est définie par des fonctions plus ou moins élaborées pour prendre en compte au mieux les circonstances du fonctionnement de la charge. Optionnellement, ledit profil de référence varie 20 dans le temps pendant un cycle de fonctionnement en fonction d'au moins une variable externe. Cette variable externe est par exemple associée à des informations météorologiques ou fonction de la moyenne d'irradiation journalière, de manière dynamique sur une 25 période de temps prédéfinie. L'invention concerne également un système de production d'électricité renouvelable pour l'alimentation d'une charge comportant une batterie, un moyen de rechargement fournissant un courant variable en fonction de paramètres 30 climatiques et un circuit de commande de l'énergie appliquée à ladite charge, caractérisé en ce que ledit circuit de commande comprend une mémoire pour l'enregistrement des données relatives au cycle de fonctionnement nominal de ladite charge, ledit circuit de commande étant piloté par un calculateur selon un procédé consistant, à déterminer à chaque nouveau cycle de décharge un profil de décharge calculé à partir d'un profil de décharge de référence d'une part et de l'énergie accumulée lors du cycle de recharge précédent de telle sorte que la consommation estimée pendant le cycle à venir, définie par le calcul de l'intégrale dudit profil de décharge soit inférieure l'énergie accumulée moins une valeur seuil Vseuil déterminée afin de préserver une réserve d'énergie Vrése'. EXPOSÉ D'UN EXEMPLE NON LIMITATIF DE L'INVENTION D'autres données, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la 5 description non limitée qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement : - la figure 1 représente le schéma de principe d'un circuit de commande pour la mise en oeuvre de l'invention - la figure 2 représente un exemple de courbe 10 représentatif du profil d'éclairage - les figures 3 à 5 représentent des variantes des courbes représentatifs de profils d'éclairage. L'invention sera décrite dans ce qui suit en 15 référence à une application constituant un simple exemple non limitatif, correspondant à un lampadaire solaire autonome. La finalité de l'invention est de commander le cycle de rechargement de la batterie par les cellules 20 photovoltaïques pendant le cycle diurne et de fonctionnement des LED pendant le cycle nocturne d'une manière garantissant la permanence du service, y compris dans les conditions climatiques les plus défavorables (temps couvert pendant le cycle diurne, besoin d'éclairage élevé pendant le cycle 25 nocturne en raison de brouillard par exemple). Ces performances doivent être atteintes par le dispositif sans surdimensionnement excessif de la batterie, afin d'éviter des coûts trop importants. 30 Les enjeux principaux sont : - d'éviter un "black out" au sens défini d'une interruption non planifiée de l'éclairage, afin de fournir un profil d'éclairage prédéterminé toute la nuit et ce toute l'année, quelle que soit la saison. Ce profil n'est pas nécessairement constant : il peut varier en fonction de l'horaire, ou encore de circonstances extérieures. Le profil peut prévoir un éclairage maximum pendant les heures de forte circulation, et un éclairage moindre pendant les heures pendant lesquelles la circulation est faible. Les circonstances extérieures peuvent être le bruit, provoquant une augmentation de l'intensité, ou un signal fournit par un détecteur de présence. - de constituer de réserves d'énergie en vue de 10 deux grands types d'applications : 1. Pallier un manque d'énergie disponible de manière à garantir une puissance d'éclairage minimum et/ou un service minimum y compris dans les situations les plus défavorables, 15 2. Augmenter la valeur moyenne d'énergie comprise dans la batterie lors des périodes de charge de plus en plus faibles (en hiver par exemple pour la France) par la maîtrise du profil de puissance d'éclairage. 20 La figure 1 représente un schéma de principe d'un système (1) selon l'invention. Ce système (1) comprend : - un module de production d'énergie renouvelable (2), par exemple un panneau photovoltaïque ou une génératrice 25 éolienne ou hydraulique - une batterie (3), par exemple une batterie plomb ou Nickel métal hydrure ou lithium - une charge électrique (4), par exemple un module LED 30 - un circuit électronique de commande (5) pilotant l'énergie entre la batterie (3) d'une part, et respectivement le module de production d'énergie renouvelable (2) et la charge électrique (4). Ce circuit électronique (5) comprend une électronique de puissance régulant l'énergie appliquée à la charge (4) en fonction d'une loi de commande déterminée par un micro-contrôleur associée à des mémoires de stockages de 5 données numériques. Le circuit électronique (5) comprend également un capteur délivrant un signal représentatif de l'état de charge de la batterie (3) ainsi que des capteurs fournissant en temps réels des informations telles que la température de la batterie (3), des courants et des tension de 10 la charge (4), du module de production d'énergie renouvelable (2), ainsi que de la batterie pour déterminer l'état de charge de la batterie (2) et détecter sa fin de charge et de décharge. 15 Le calculateur est commandé par une loi de commande déterminée par un procédé décrit ci-après tend à répondre positivement aux enjeux visés et dont la figure 2 illustre un exemple de profil d'éclairage pendant le cycle de fonctionnement de la charge (4), pendant le cycle nocturne. 20 Le principe de ce procédé repose sur le fait que la source de lumière (LED ici) est entièrement pilotable en puissance (ou en courant, on remplacera alors les Wh par des Ah). Dans la phase de définition du service d'éclairage, 25 on définit une puissance maximale d'éclairage (Pmax) et en parallèle une puissance minimale d'éclairage acceptable (Purin)- Cette valeur minimale peut éventuellement être nulle. Dans l'exemple illustré par la figure 2, la courbe (10) représente la puissance maximale applicable à la charge 30 (4). La courbe (11) représente la puissance minimale applicable à la charge (4), correspondant au niveau de service minimal garanti. La courbe (12) représente le niveau de puissance calculé avant chaque début de cycle, en fonction du procédé objet de l'invention. La batterie sera ensuite déchargée suivant un profil de puissance (12 compris entre ces deux bornes (10, 11). Pour simplifier cet exemple les profils de puissance (10, 11 et 12) seront ici une constante sur la durée du cycle, par exemple de la nuit. Dans cet exemple, la batterie (3) est dimensionnée de telle sorte que lors de la nuit la plus longue de l'année, le lampadaire soit au minimum capable d'éclairer toute la nuit à Pmax- Il est évident que la batterie peut être surdimensionnée, mais que ce surdimensionnement sera optimisé en fonction des conditions opérationnelles du système et d'un arbitrage entre le coût de la batterie et l'assurance du service garanti en toutes circonstances. Le concept de ce procédé consiste à ne décharger que ce qui a été chargé la veille tant que la puissance de 20 décharge est comprise entre P. et Pmin- La puissance de décharge étant ajustable si l'on maitrise la quantité d'énergie chargée, on peut ajuster, avant chaque début de nuit, la puissance P de décharge en fonction de ce qui a été chargé la veille et en fonction de la durée de 25 la nuit. Ceci permet donc d'éclairer de manière permanente toute la nuit sans variation de la quantité d'éclairage ou selon le profil choisi. On rappelle qu'un profil de puissance variable pourrait être défini à la place d'une puissance constante et unique, par exemple avec des paliers comme 30 l'illustrent les figures 3 à 5. Un objectif supplémentaire est de pouvoir éclairer même dans les saisons non ensoleillées avec une puissance d'éclairage supérieure à Pmin- Ceci implique une étape supplémentaire dans la gestion de la puissance de consommation et créer des réserves en cas de fort ensoleillement, réserves qui pourront alors être utilisées en cas de faible ensoleillement. Ceci va être possible par la prise en compte de la météo ou encore de la moyenne d'irradiation journalière, de manière dynamique sur une période de temps prédéfinie. De manière un peu plus détaillée, on peut définir les grandes étapes suivantes du procédé : - Phase d'initialisation non détaillée ici puisque indépendante de l'idée décrite ici. Le but de cette étape est d'amener la batterie à un état de charge (SOC) de 100% (comptage du courant pour une surcharge supérieure à 100%) avant de lancer l'algorithme de gestion à proprement parlé. On pourrait également amener la batterie à 0%, initialiser le SOC à cette valeur et attendre un état de charge à 100% sans créer de surcharge. Cette solution prévaut dans le cas de zones à fort niveau d'ensoleillement (ex : Zone désertique en Afrique du Nord). - Lors des phases de charge, on compte l'énergie en Wh chargés. On corrige ensuite cette information en fonction de la température et du régime de charge pour se ramener à une quantité d'énergie stockée de référence fixe à un régime et une température. Ceci permettra de prendre en compte le rendement charge / décharge. On nommera ensuite E l'énergie chargée lors de cette phase. Cette énergie sera comprise entre 0 et Emax, énergie de la batterie pleinement chargée. On notera par exemple que si la batterie est légèrement surdimensionnée, lors de la nuit la plus longue de l'année Pmax x durée de la nuit Pmax, possible si batterie surdimensionnée, Pmin Pmax on va décharger à Pmax. On ne va 20 donc pas utiliser la totalité de l'énergie disponible et l'on va ainsi créer une réserve Vréserve dont la valeur maximale correspond à la quantité d'énergie du surdimensionnement préalablement réalisé. Il en résulte l'équation suivante : Vré''e=rxE-(Pm'xt) avec t temps réel de décharge 25 - Si Pmin La figure 5, quant à elle, représente un second exemple de courbe de puissance d'éclairage complexe par rapport à la figure 3 car elle est composée de quatre parties sans discontinuités : - Partie 1 : fonction simple (40) de type droite affine à coefficient directeur négatif représentatif d'une gradation à variation linéaire pendant un intervalle de temps dTl, - Partie 2 : fonction simple (41) de type droite affine à coefficient directeur positif représentatif d'une gradation à variation linéaire pendant un intervalle de temps dT2, - Partie 3 : fonction simple (42) de type droite affine à coefficient directeur négatif représentatif d'une gradation à variation linéaire pendant un intervalle de temps dT3, - Partie 4 : fonction simple (43) de type droite affine à coefficient directeur positif représentatif d'une gradation à variation linéaire pendant un intervalle de temps dT4, La zone hachurée (44) correspond au niveau de service d'éclairage garanti par le lampadaire solaire autonome utilisant le procédé objet de l'invention. Cette zone est calculée en énergie à partir de l'intégrale sous la courbe (40). Les paramètres (coefficient directeur, ordonnée à l'origine) des courbes (41), (42) et (43) ne sont donc pas ajustables dans cet exemple et seuls les paramètres de la droite affine (40) sont recalculés avant chaque début de nuit selon le procédé objet de l'invention. Exemple concernant l'application 2 : Augmentation de la valeur moyenne d'énergie comprise dans la batterie lors des périodes de charge de plus en plus faibles (cas hiver) par la maîtrise du profil de puissance d'éclairage. On considère comme précédemment que l'éclairage sera satisfaisant entre deux puissances d'éclairage limites 5 qualifiées dans cet exemple par deux courants de décharge limites. On considère aussi ici, dans un souci de simplification, que l'éclairage est constant tout au long de la nuit. On prend par exemple un courant maximum d'éclairage de 7 A et un courant minimum d'éclairage de 3.5 A. Toujours 10 pour simplifier on considère que dans la phase hiver on charge chaque jour un peu moins la batterie de 0.1 Ah et pendant la phase été on charge chaque jour un peu plus la batterie de l'énergie, exprimée par exemple en ampère x heure, de 0.1 Ah. On prend aussi une durée de nuit fixe de 10h quelle que soit 15 la période de l'année. On choisit ensuite par exemple une batterie de 10 Ah. Le graphe suivant propose le profil de charge pendant 180 jours avec un hiver de 145 jours environ. On propose tout d'abord de regarder le fonctionnement du système sans utiliser de gestion 20 particulière et en déchargeant chaque nuit ce qui a été chargé la journée précédente. Le premier graphique (figure 6) montre l'état de charge de la batterie en fin de charge et fin de décharge. La zone 1 correspond à une phase où la charge est supérieure de 25 l'énergie, exprimée par exemple en ampère x heures déchargé durant la nuit suivante. On décharge donc au courant max de 7 A ce qui correspond à une décharge de 7 Ah pendant la nuit. C'est ce que l'on observe sur la figure 6. Comme la charge est supérieure à 7 Ah la batterie est toujours chargée pleinement 30 durant la journée et donc on a une réserve permanente de 3 Ah. On passe ensuite dans la zone 2. Ici la charge journalière devient inférieure à 7 Ah, le SOC moyen de la batterie diminue donc. Le courant de décharge et donc la quantité d'Ah déchargée durant la nuit diminue donc aussi. On garde une réserve de 3 Ah puisque l'on n'a pas encore atteint le courant min d'éclairage. La zone 3 correspond à une zone où la quantité d'Ah chargée est inférieure à la quantité d'Ah nécessaire pour éclairer toute une nuit au courant minimum. On maintient ce Imin un certain temps avec la réserve de 3 Ah constituée précédemment puis une fois qu'elle est épuisée on ne peut plus garantir l'éclairage comme on le voit dans la figure 6 (fin de de zone 3, début de zone 4). La zone 4 correspond au retour de l'été et donc un SOC moyen de la batterie qui remonte. On décide maintenant de gérer la batterie. Les deux graphes (figures 7 et 8) reprennent exactement le fonctionnement précédent à la différence que quand le SOC moyen de la batterie passe en dessous d'un certain niveau on va décharger la nuit suivante 95% de ce qui a été chargé le jour précédent (zone 3). Quand la batterie est à nouveau pleine, on recommence à la décharger de manière classique (zone 4). Ceci permet de remonter par la gestion le SOC moyen de la batterie et permet aussi ensuite d'avoir une réserve suffisante pour ne jamais passer en dessous de Imin (zone 5). REVENDICATIONS1 - Procédé de gestion de cycle de décharge d'une batterie électrique associée à une charge d'une part et à un 5 moyen de rechargement fournissant un courant variable en fonction de paramètres climatiques d'autre part, caractérisé en ce que l'on détermine à chaque nouveau cycle de décharge un profil de décharge calculé à partir d'un profil de décharge de référence d'une part et de l'énergie accumulée lors du cycle 10 de recharge précédent de telle sorte que la consommation estimée pendant le cycle à venir, définie par le calcul de l'intégrale dudit profil de décharge soit inférieure à l'énergie accumulée moins une valeur seuil Vse., déterminée afin de préserver une réserve d'énergie Vréserve. 15 2 - Procédé de gestion de cycle de décharge d'une batterie électrique selon la revendication principale caractérisé en ce qu'il comporte une étape additionnelle de recalcul de la valeur seuil Vse,111 dans le cas où l'énergie 20 résiduelle à la fin du cycle de fonctionnement précédent est inférieur à la valeur de réserve Vréserve. 3 - Procédé de gestion de cycle de décharge d'une batterie électrique selon la revendication principale 25 caractérisé en ce que ladite valeur de réserve Vréserve est calculée en fonction des valeurs maximales et minimales d'énergie pendant au moins une alternance de cycles de recharge et de fonctionnement de la charge. 30 4 - Procédé de gestion de cycle de décharge d'une batterie électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ledit profil de référence est une constante. 5 - Procédé de gestion de cycle de décharge d'une batterie électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ledit profil de référence varie dans le temps pendant un cycle de fonctionnement. 6 - Procédé de gestion de cycle de décharge d'une batterie électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit profil de référence varie dans le temps pendant un cycle de fonctionnement en fonction d'au moins une variable externe. 7 - Procédé de gestion de cycle de décharge d'une batterie électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce que la dite variable externe est associée à 15 des informations météorologiques. 8 - Procédé de gestion de cycle de décharge d'une batterie électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce que la dite variable externe est une 20 fonction de la moyenne d'irradiation journalière. 9 - Système de production d'électricité renouvelable pour l'alimentation d'une charge comportant une batterie, un moyen de rechargement fournissant un courant 25 variable en fonction de paramètres climatiques et un circuit de commande de l'énergie appliquée à ladite charge, caractérisé en ce que ledit circuit de commande comprend une mémoire pour l'enregistrement des données relatives au cycle de fonctionnement nominal de ladite charge, ledit circuit de 30 commande étant piloté par un calculateur selon un procédé consistant, à déterminer à chaque nouveau cycle de décharge un profil de décharge calculé à partir d'un profil de décharge de référence d'une part et de l'énergie accumulée lors du cycle de recharge précédent de telle sorte que la consommationestimée pendant le cycle à venir, définie par le calcul de l'intégrale dudit profil de décharge soit inférieure l'énergie accumulée moins une valeur seuil vse,, déterminée afin de préserver une réserve d'énergie Vréserve.5