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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Régulateur de charge de batterie pour cellules solaires. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Sources d'énergie alternatives Divers appareils peuvent être alimentés directement à partir de cellules solaires. Cependant, une connexion aussi simple de cellules solaires n'est possible que si le manque de soleil et, par conséquent, d'alimentation électrique n'entraîne pratiquement pas de conséquences indésirables. Dans de nombreux cas, il est nécessaire que les appareils et équipements électriques fonctionnent même en l’absence de soleil. Pour ce faire, l’énergie solaire générée pendant la journée doit être stockée dans des batteries pour une utilisation ultérieure. Les batteries au plomb sont les plus adaptées à ces fins. Batteries au plomb Les batteries au plomb sont en réalité constituées de plusieurs cellules individuelles connectées en série. Chaque élément, qui développe une tension allant jusqu'à 2 V, contient deux plaques de plomb placées dans une solution faible d'acide sulfurique. Lorsque le courant électrique traverse l'élément, une réaction électrochimique réversible se produit et l'énergie électrique est stockée dans l'élément, qui peut ensuite être utilisée si nécessaire. Malgré son apparente simplicité, le processus de chargement d’une batterie est en réalité assez complexe. Une batterie au plomb est un appareil électrique sensible qui nécessite une manipulation soigneuse, notamment lors de la charge. Pour le prouver, examinons les différentes étapes d’un cycle de charge typique. La charge de la batterie commence lorsqu'une tension est appliquée aux plaques de la cellule, ce qui entraîne le courant électrique à la traverser. Cela conduit à une réaction électrochimique qui modifie la composition chimique des plaques et de l’électrolyte de la cellule de la batterie. La vitesse de cette réaction dépend de l’ampleur du courant de charge. Plus le courant est élevé, plus la réaction est rapide. En fin de compte, c'est la charge associée à ce courant qui est stockée dans la cellule pour une utilisation ultérieure. La batterie accumule de plus en plus de charge et finit par saturer. Essentiellement, la réaction chimique est stabilisée ou équilibrée et l’accumulation de charges cesse. L'équilibre se produit lorsque la plupart des ions sulfate absorbés de la solution d'acide sulfurique par les plaques de plomb pendant le cycle de décharge de la batterie sont renvoyés des plaques vers la solution. Dans ce cas, les plaques acquièrent à nouveau des propriétés métalliques et commencent à se comporter comme des électrodes placées dans une solution aqueuse (un excellent milieu d'électrolyse). Le courant de charge commence à décomposer l'eau contenue dans l'électrolyte en ses composants élémentaires (hydrogène et oxygène). Ce processus peut être remarqué sans même connaître son existence, en observant ce qu'on appelle « l'ébullition » de la batterie. Ce terme est utilisé à tort en raison de la similitude externe entre le bouillonnement de bulles de gaz lors de l'électrolyse et l'ébullition. Il est plus correct d’appeler cet effet évolution gazeuse. Le dégazage commence lorsque la batterie est à environ 70 à 80 % de sa pleine charge. Si la batterie était chargée au même rythme, le dégagement de gaz endommagerait les cellules de la batterie. Cependant, le taux d’électrolyse provoquant un dégagement de gaz est proportionnel au courant circulant dans la cellule. Plus le courant est faible, plus l’eau se décompose lentement et plus le dégagement gazeux est faible. Vous pouvez réduire considérablement les effets néfastes du dégazage en réduisant le courant de charge lorsque le dégazage se produit. Bien qu'il ne s'arrête complètement que lorsqu'il n'y a pas de courant, la quantité de courant de charge peut être réduite à un niveau qui ne dégrade pas la qualité de la batterie à mesure que la charge s'accumule. Lors de la phase de charge finale, la batterie est chargée avec un courant qui représente généralement une petite fraction du courant de charge initial. Ce courant charge lentement la batterie et évite ainsi un dégagement de gaz intense. Une fois la batterie complètement chargée, elle peut être déconnectée de la source d'alimentation. En raison de la présence d'impuretés dans l'électrolyte et des modifications de la composition chimique des plaques, des courants internes apparaissent dans les cellules de la batterie, réduisant ainsi la charge accumulée au fil du temps. La batterie finira par se décharger. Régulateurs de charge de batterie Bien entendu, le courant nécessaire pour charger la batterie dépend de l’état de charge des éléments de la batterie. Cela implique la nécessité de créer un régulateur de charge qui évalue l'état de décharge de la batterie et, en fonction de celui-ci, contrôle le courant de charge. Il existe trois manières connues de charger des batteries au plomb. Lors du chargement à partir de cellules solaires, la méthode la plus appropriée est un cycle de chargement en deux étapes (Fig. 1).
Tout d’abord, supposons que la batterie soit complètement déchargée. Commençons par faire passer le courant à travers les éléments. Etant donné que le cycle de charge de la batterie doit correspondre à la période de génération d'énergie électrique utile par les cellules solaires, il est souhaitable que la batterie soit chargée dans les plus brefs délais. Le mode de charge optimal sera celui dans lequel le dégagement de gaz commence environ 4 heures après le début de la charge de la batterie. Cette période correspond à l'intensité la plus élevée du rayonnement solaire pendant la journée, généralement comprise entre 10 et 14 heures. Indépendamment des changements saisonniers et des conditions météorologiques, c'est à cette heure de la journée que l'efficacité maximale des cellules solaires peut être atteinte. Ce temps de charge correspond numériquement à un courant de charge de 20 A pour 100 Ah de capacité de batterie, si bien entendu les cellules solaires permettent de recevoir un tel courant. Par exemple, une batterie de 75 Ah doit être chargée à 15 A. Après 4 heures de charge à vitesse fixe jusqu'au début du dégagement de gaz, la batterie aura stocké 80 % de sa pleine charge. L'étape suivante consiste à réduire le courant de charge à un niveau inférieur. L'ampleur de ce courant représente généralement 2 à 5 % de la capacité de la batterie. Pour une batterie de 75 Ah prise comme exemple, le courant de charge au stade de charge final peut être de 1,5 à 3,75 A. En fonction du courant sélectionné, il faudra encore 4 à 10 heures pour charger définitivement la batterie. À cette vitesse, il faut plus d’une journée pour charger complètement la batterie. Cependant, dans les appareils énergétiques avancés, les batteries sont généralement complètement chargées pendant la majeure partie de la durée de fonctionnement, et leur décharge complète est extrêmement rare. Recharge de secours (compensation) des batteries Après la charge finale de la batterie, il est recommandé de lui fournir en plus un courant de charge de secours (compensatoire). L'ampleur de ce courant représente généralement 1 à 2 % de la pleine capacité de la batterie. Cette troisième étape supplémentaire de charge de la batterie ajoute de la complexité à la conception du régulateur de charge. Vous pouvez sortir de cette situation en combinant les deuxième et troisième étapes de charge, en utilisant le même courant que le courant final ou courant de charge de réserve, dont la valeur est de 2 % de la capacité de la batterie. De ce fait, la conception du régulateur est simplifiée et sa fiabilité est augmentée. Conception du régulateur Pour le fonctionnement normal d'un régulateur de charge satisfaisant aux exigences de courant de charge énumérées ci-dessus, il est nécessaire de disposer à tout moment d'informations sur l'état de charge de la batterie. Heureusement, la batterie elle-même fournit la clé pour résoudre ce problème : il existe une relation établie de manière fiable entre la quantité de charge stockée dans la batterie et la tension qui la traverse. Comme on peut le voir sur la Fig. 2, cette relation est presque toujours linéaire.
La zone de charge qui nous intéresse se situe entre 70 et 80 % de la charge complète de la batterie. C'est lorsque ce degré de charge est atteint que le dégagement gazeux commence et qu'il faut modifier le courant de charge. Pour une batterie de 12 volts, la tension à ce stade est de 12,6 V. Une batterie complètement chargée développe une tension de 13,2 V. En déterminant la tension sur la batterie, vous pouvez réguler le courant de charge. Si la tension est inférieure à 12,6 V, les cellules de la batterie contiennent moins de 80 % de charge et le régulateur fournit un courant de charge complet. Lorsque la tension sur la batterie dépasse 12,6 V, il est nécessaire de réduire le courant de charge au niveau du courant d'alimentation. La tension sur la batterie est surveillée par un dispositif spécial (comparateur), qui n'est rien de plus qu'un amplificateur ordinaire avec un gain très élevé. En effet, le comparateur inclus dans le circuit représenté sur la Fig. 3, peut être utilisé comme amplificateur opérationnel.
Le comparateur compare deux tensions - la tension mesurée et la tension de référence, fournies à ses entrées. La tension de référence de la diode Zener D2 est fournie à l'entrée inverseuse du comparateur (-). Cette tension définit le niveau de réponse de l'appareil. La tension de la batterie est divisée par les résistances R1 et R2 pour qu'elle soit approximativement égale à la tension de stabilisation de la diode D2. La tension divisée par les résistances est fournie à l'entrée non inverseuse (+) du comparateur depuis le curseur du potentiomètre pour affiner le seuil de commutation. Si la tension de la batterie diminue tellement que le signal à l'entrée non inverseuse tombe en dessous de la limite déterminée par la diode D2, la sortie du comparateur sera réglée sur une tension négative. Si la tension de la batterie dépasse la tension de référence, une tension positive s'établira à la sortie du comparateur. Changer le signe de la tension à la sortie du comparateur assurera la régulation nécessaire du courant de charge. Le principe de fonctionnement du régulateur de charge Le courant de charge est régulé à l'aide d'un relais électromagnétique. Le relais est commandé via le transistor QI par la tension de sortie du comparateur. Une tension négative à la sortie du comparateur signifie que la batterie est déchargée et qu'un courant de charge complet est requis (le transistor Q1 est bloqué). Par conséquent, le courant du collecteur est nul et le relais est désactivé. Les contacts du relais normalement fermés contournent la résistance de limitation de courant Rs. Lorsque le relais est désactivé, la résistance est retirée du circuit et tout le courant des cellules solaires circule vers la batterie. À mesure que l’état de charge augmente, la tension sur la batterie augmente. La génération de gaz commence lorsque la tension atteint 12,6 V. Le comparateur, réglé à ce niveau, commute (la sortie du comparateur est positive). Le transistor s'allume et le courant du collecteur active le relais. Les contacts du relais qui ont contourné la résistance Rs s'ouvrent.
Le courant de charge des cellules solaires doit désormais vaincre la résistance de limitation. La valeur de cette résistance est choisie pour que le courant de charge soit 2% de la capacité de la batterie. Dans le tableau de la Fig. La figure 4 montre les valeurs Rs en fonction de la capacité de la batterie. Il existe une certaine incertitude autour de la tension de commutation du comparateur. Supposons, par exemple, que la tension sur la batterie monte à 12,6 V, dépassant le seuil de réponse. Dans des conditions normales, la tension de sortie du comparateur changera, le relais fonctionnera et le courant de charge diminuera. Cependant, la tension de sortie de la batterie dépend non seulement de l'état de charge, mais également d'autres facteurs, et il n'est donc pas si rare d'observer une légère diminution de la tension après avoir coupé un courant de charge important. Il est fort probable, par exemple, que la tension diminue de plusieurs centièmes de volt (jusqu'à 12,55 V). Comment le dispositif fonctionnera-t-il dans ce cas ? Évidemment, le comparateur reviendra et le mode courant de charge élevé sera rétabli. Étant donné que la tension de la batterie est très proche de 12,6 V, une augmentation soudaine du courant fera certainement monter la tension à un niveau supérieur à 12,6 V. Cela entraînera la désactivation du relais. Dans ces conditions, le comparateur effectuera des va-et-vient à proximité de la tension de déclenchement. Pour éliminer cet effet indésirable, appelé « lacet », une petite rétroaction positive est introduite dans l'amplificateur à l'aide d'une résistance, créant une zone morte hystérétique. En cas d'hystérésis, un changement de tension plus important est nécessaire pour que le comparateur fonctionne qu'auparavant. Comme auparavant, le comparateur commutera à 12,6 V, mais pour qu'il revienne à son état d'origine, il faut que la tension sur la batterie descende à 12,5 V. Cela élimine l'effet oscillatoire. L'inclusion séquentielle de la diode D1 dans le circuit de charge empêche la batterie de se décharger via les cellules solaires dans l'obscurité (la nuit). Cette diode empêche également le régulateur de charge de tirer de l'énergie de la batterie. Le régulateur est entièrement alimenté par des cellules solaires. dispositif indicateur Un dispositif indicateur est inclus dans le régulateur de charge, conçu pour afficher à tout moment le mode de fonctionnement du régulateur. Bien que l'indicateur ne soit pas un élément nécessaire de l'appareil (le régulateur fonctionnera sans lui), sa présence augmente néanmoins le confort de travail avec le régulateur. Le dispositif indicateur (Fig. 3) se compose de deux comparateurs et de deux diodes électroluminescentes (LED). L'entrée inverseuse d'un comparateur et l'entrée non inverseuse de l'autre sont connectées à une diode Zener qui génère une tension de référence. Les entrées restantes des comparateurs sont connectées à la sortie du comparateur qui contrôle le courant de charge. Le comparateur supérieur se déclenche et allume la LED LED1 lorsque le régulateur fonctionne en mode courant de charge élevé. Si le régulateur passe en mode courant d'alimentation, le comparateur supérieur s'éteint et celui du bas se déclenche et allume la LED LED2. Conception du régulateur de charge Le régulateur de charge est monté sur une carte de circuit imprimé (Fig. 5), dont l'emplacement des composants du circuit est illustré à la Fig. 6. Une attention particulière doit être portée au placement des éléments semi-conducteurs (pour éviter une connexion erronée des broches). Le circuit terminé est placé dans n'importe quel boîtier (de préférence étanche). Une petite boîte en plastique convient parfaitement à ces fins. Si le boîtier est opaque, un trou pour les LED doit être percé dans son couvercle pour indiquer les modes de fonctionnement. Il est également nécessaire de réaliser un trou sur le côté du boîtier pour permettre la sortie des conducteurs de liaison.
Régulateurs puissants Le régulateur décrit peut contrôler un courant de charge d'environ 5 A. Sa valeur est limitée par les propriétés du contacteur du relais électromagnétique utilisé. Les contacts de relais sont conçus pour des courants jusqu'à 3 A, et il est tout à fait naturel de se demander pourquoi il est recommandé de les utiliser jusqu'à 5 A. Cela peut s'expliquer comme suit. Lorsque les contacts ouvrent un circuit, un petit arc électrique se produit généralement entre eux. L'arc entraîne des phénomènes similaires au soudage électrique, et des rainures apparaissent à la surface des contacts. Plus le courant circulant est important, plus l’effet de l’arc électrique est fort. Pour éviter un tel processus dans le circuit du régulateur décrit, les contacts du relais sont pontés par une petite résistance. Par conséquent, une partie importante de l’énergie est absorbée par la résistance plutôt que dissipée dans l’arc électrique. Ainsi, les contacts, sans être détruits, peuvent réguler des courants dépassant celui nominal. S'il est nécessaire d'augmenter le courant régulé, il est nécessaire d'utiliser dans le circuit un relais plus puissant, activé par les contacts d'un relais à faible courant, comme le montre la Fig. 7.
Pour installer un deuxième relais, des modifications appropriées doivent être apportées à la conception du circuit imprimé. Commencez par retirer les cavaliers qui vont aux contacts du relais. Cela déconnecte les contacts de la résistance de limitation de courant. Utilisez maintenant ces contacts pour contrôler un relais plus puissant. Il est également nécessaire de remplacer la diode D1 et la résistance de limitation de courant Rs par une diode et une résistance pouvant supporter des courants élevés. Il est plus logique de placer ces deux éléments hors carte, à proximité du relais, car ils dissipent plus de chaleur que les éléments du circuit précédents. Connectez la batterie et les cellules solaires directement au relais puissant à l'aide de fils épais et utilisez des fils fins pour alimenter le circuit régulateur à partir de la borne positive des cellules solaires. Régulateur de faible puissance Il est possible que l’énergie électrique d’une petite batterie solaire ne soit même pas suffisante pour alimenter le relais. Le relais peut alors simplement être remplacé par un transistor. Pour cela, vous pouvez supprimer le relais RL1 et le transistor Q1 qui le contrôle et connecter un transistor pnp à la résistance Rs, et sa base à la résistance R5. En figue. La figure 8 montre le schéma électrique après modification complète.
Lorsque la tension à la sortie du comparateur est positive, le transistor est activé et le courant de charge complet circule vers la batterie. Lorsque le régulateur passe en mode charge boost, la tension à la sortie du comparateur devient négative, le transistor est désactivé et le courant de charge circule désormais uniquement à travers la résistance Ra, contournant le transistor. L'avantage de ce circuit par rapport au circuit relais est que son fonctionnement ne se limite pas à une tension de 12 V. L'appareil peut réguler la charge des batteries conçues pour des tensions de 3-30 V. Bien entendu, il est nécessaire de modifier les valeurs des résistances et R2 et le type de diode D2 afin de rapprocher les valeurs de chute de tension sur le potentiomètre VR1 et celle de référence sur la diode zener. Le courant est limité à environ 250 mA. La carte de circuit imprimé elle-même sert de dissipateur thermique qui permet d'évacuer l'excès de chaleur du transistor utilisé. Le dissipateur thermique est formé à l’arrière de la carte et ne nécessite aucune isolation. Calibration Pour connecter le régulateur, seules quatre connexions doivent être effectuées. Deux - aux bornes positives et négatives de la batterie solaire et deux, respectivement, aux bornes positives et négatives de la batterie. Après avoir installé le régulateur dans le chargeur, il est nécessaire de calibrer le circuit et, en particulier, d'ajuster sa sensibilité aux changements de tension afin que le courant commute au bon moment. Pour ce faire, laissez d'abord la batterie se décharger légèrement. Tournez ensuite le curseur du potentiomètre VR1 dans le sens des aiguilles d'une montre jusqu'à la butée (selon le schéma en position haute). Dans ce cas, les contacts du relais se fermeront. La tension sur la batterie lors de sa recharge est surveillée à l'aide d'un voltmètre. Lorsqu'il atteint 12,6 V, le potentiomètre VR1 tourne dans le sens inverse jusqu'à ce que le relais s'éteigne. Cela correspondra à la charge « alimentation ». Malheureusement, la tension de charge de la batterie dépend également de sa température. Plus la batterie est froide, plus la tension nécessaire pour la charger est élevée. Cela modifie la tension seuil à laquelle le régulateur doit fonctionner. Graphique de la Fig. 9 montre la dépendance de la tension d'actionnement sur la température.
Une erreur de réglage de la tension de réponse peut en principe être négligée. Si la température de la batterie pendant la charge est relativement stable et positive, ce qui peut être assuré d'une manière ou d'une autre, par exemple en la couvrant bien, alors de petits changements de température n'auront pratiquement aucun effet sur le fonctionnement du régulateur.
Auteur : Byers T.
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