FR2476929A1 - Circuit de charge d'une pile et d'alimentation en energie electrique a partir de l'energie solaire - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN CIRCUIT DE CHARGE D'UNE PILE ET D'ALIMENTATION EN ENERGIE ELECTRIQUE A PARTIR DE L'ENERGIE SOLAIRE. CE CIRCUIT COMPREND UN PANNEAU DE CELLULES PHOTOVOLTAIQUES 10 RELIE PAR UNE DIODE 11 DE BLOCAGE A UNE PILE SECONDAIRE 12 CONNECTEE A UNE CHARGE 14. UN CIRCUIT 17 APPLIQUE UNE TENSION DE REFERENCE, SENSIBLE A LA TEMPERATURE, A UNE PREMIERE ENTREE D'UN COMPARATEUR 16 DONT L'AUTRE ENTREE RECOIT DE LA PILE 12 UN SIGNAL VARIANT AVEC LA CHARGE DE CELLE-CI. UN COMMUTATEUR 20 DE SHUNTAGE EST MONTE ENTRE LES BORNES DU PANNEAU DE CELLULES 10 ET S'OUVRE PENDANT DES DUREES DEPENDANT DU SIGNAL DE SORTIE D'UN GENERATEUR 18 D'IMPULSIONS DE LARGEUR VARIABLE QUI EST RELIE A LA SORTIE DU COMPARATEUR 16 DE TENSION. DOMAINE D'APPLICATION : SYSTEMES COMBINES A CELLULES SOLAIRES ET PILES SECONDAIRES.
Description
Les piles solaires, telles que des cellules photovoltaiques et autres,
sont de plus en plus répandues dans diverses applications. Ces piles sont très fiables, ont une longue durée de vie et sont à présent produites à bon marché. Au début, les applications de ces piles concernaient des systèmes de commande électronique à distance, placés en des lieux relativement éloignés des sources classiques d'alimentation en énergie, par exemple des équipements de télémesure de météorologie, des balises lumineuses maritimes, etc. Dans le domaine des biens de consommation, de petites piles photovoltaiques sont utilisées -comme source d'énergie pour des montres-bracelets électroniques et des
récepteurs radiophoniques portatifs.
Etant donné que les piles photovoltaiques produisent de l'énergie électrique en réponse à l'éclairement ou au rayonnement solaire, il est nécessaire de prévoir une alimentation par pile supplémentaire ou secondaire, devant être utilisée conjointement avec les piles solaires photovoltaiques lorsque l'on ne peut utiliser le soleil pour exciter la cellule photovoltaique. D'une manière idéale, la pile photovoltaique est utilisée pour charger une pile
secondaire rechargeable pendant les périodes au cours des-
quelles cette pile photovoltaique peut fournir de l'énergie, de manière que la pile secondaire puisse prendre le relais
pendant les périodes au cours desquelles la pile photo-
volta;que n'est pas exposée aux rayons du soleil. et, par conséquent, est pratiquement inopérante. De cette manière, de l'énergie électrique peut être fournie de façon continue à une charge, quelle que soit la disponibilité des rayons du
soleil.
Il est nécessaire de limiter le courant de charge de la pile lorsque cette dernière a atteint sa charge maximale. Dans le passé, cette limitation était assurée principalement par des dispositifs utilisant un shunt résistif placé entre les bornes de la pile photovoltalque ou de la source d'alimentation afin de dissiper l'énergie une fois le niveau de charge maximale de la pile atteint. Des dispositifs de ce type demandent des radiateurs thermiques relativement importants, et des éléments de shuntage à dissipation thermique relativement grande sont nécessaires pour dissiper la totalité de l'énergie et de la chaleur produites par le shunt. Un dispositif de ce type est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N0 3 979 656. Ce dispositif comporte un transistor de puissance monté dans le circuit de dérivation et utilisé comme shunt à résistance variable. Lorsque le niveau de charge de la pile secondaire arrive à son maximum, des quantités d'énergie de plus en plus grandes doivent être dissipées par le transistor de shuntage
à résistance variable.
Un autre procédé essayé pour régler le courant de charge fourni à une pile secondaire dans un système à pile
solaire/pile secondaire est décrit dans le brevet des Etats-
Unis d'Amérique NI 3 384 806. Ce brevet concerne un dispositif de charge à modulation par impulsions de largeur variable, utilisant un commutateur à transistor monté en série entre l'ensemble de piles solaires et la pile ou batterie à charger. Le rapport du temps de conduction au temps d'ouverture de ce commutateur série est déterminé en fonction de la dérivée de la puissance de sortie par rapport au courant de sortie transmis à la charge. Le système adapte de manière continue l'impédance de sortie du générateur d'énergie électrique comprenant le dispositif aux charges que ce générateur alimente. Cependant, la relation entre le fonctionnement du dispositif et la pile secondaire ou de secours ne dépend pas de l'état de charge de la pile dans le cas de la forme de réalisation représentée dans le brevet précité et dont les circuits utilisent un ensemble de piles
solaires comme source primaire d'énergie. En variante du dis-
positif décrit dans le brevet n0 3 384 806 précité, un générateur thermoionique détecte l'état de charge de la pile secondaire afin de faire varier la quantité de combustible
fournie à un brûleur qui, lui-même, détermine le fonctionne-
ment d'un convertisseur chaleur/tension utilisé pour fournir
le courant de charge à la pile et le courant de fonctionne-
ment aux charges utilisées dans le dispositif.
Les brevets des Etats-Unis d'Amérique N0 3 696 286, NO 3 740 636 et NO 3 816 804 décrivent d'autres dispositifs typiques de l'art antérieur utilisant des ensembles à pile solaire/pile secondaire oitbatterie. Le brevet NO 3 696 286 précité décrit un circuit de charge d'une pile comportant un transistor destiné à tirer périodiquement
un courant important de la cellule solaire par l'intermé-
diaire d'une bobine sous la commande d'un amplificateur
différentiel afin d'élever la tension d'ensemble de la pile.
Cependant, ce brevet ne décrit pas de dispositif destiné à détecter l'état de charge d'une pile en réserve. Le brevet NI 3 740 636 précité décrit un dispositif dans lequel un amplificateur de shuntage charge l'ensemble ou réseau de cellules solaires par l'intermédiaire de résistances en réponse à un état prédéterminé de la charge de la pile. Des résistances de dissipation thermique sont donc nécessaires, ce qui affecte ces dispositifs des inconvénients décrits précédemment. Le brevet NI 3 816 804 précité concerne un dispositif complexe qui charge une pile par modulation par
impulsions de largeur variable et qui commande alternative-
ment et périodiquement la charge et la décharge de la pile.
Des inconvénients importants affectant tous les dispositifs de l'artantérieur concernent le mode de charge de la pile secondaire ou pile de secours lorsque son état de pleine charge est atteint. Pendant le fonctionnement normal
de ces dispositifs, lorsque la lumière du soleil est utili-
sable, l'état de pleine charge de la pile de secours ou d'attente est en général obtenu relativement rapidement, de sorte qu'un fonctionnement de plusieurs heures est possible alors que la pile secondaire est chargée au maximum. Il est souhaitable de pouvoir commander de manière simple et efficace la charge d'une pile secondaire d'un ensemble à cellule solaire/pile sans avoir à utiliser des éléments de dissipation thermique importants, cette commande de la charge de la pile secondaire devant pouvoir être effectuée au moyen d'un dispositif relativement simple à réaliser et mettre en oeuvre. De plus, il est souhaitable de disposer d'un circuit de charge dans lequel l'énergie d'origine solaire est
utilisée pour charger rapidement une pile secondaire.
L'invention a donc pour objet un circuit de charge perfectionné pour la pile secondaire d'un dispositif d'alimentation en énergie à pile solaire/pile secondaire. Le circuit de charge selon l'invention utilise une source d'énergie solaire et il ne nécessite pas l'utilisation de shunts résistifs dissipant la chaleur. La source d'énergie solaire fournit des impulsions de courant de charge élevé à une pile secondaire, ces impulsions de courant ayant une durée inversement proportionnelle à l'état de charge de la pile secondaire. Le circuit de charge selon l'invention utilise comme source d'énergie une cellule solaire dont les bornes sont court-circuitées périodiquement par un commutateur de shuntage afin de faire varier les intervalles
de temps déterminés par l'état de charge de la pile.
Selon une forme préférée de réalisation de
l'invention, un circuit de charge d'une pile et d'alimenta-
tion en énergie électrique à partir de l'énergie solaire comprend une source d'énergie solaire qui fournit un courant d'utilisation à une charge et un courant de charge à une pile secondaire lorsque la source utilisant l'énergie solaire est soumise au rayonnement du soleil. La pile secondaire est montée dans un circuit série avec la source utilisant l'énergie solaire et elle est chargée par le courant provenant de cette source. Un circuit de commande est relié à la pile afin de détecter son état de charge et, par suite, de régler le fonctionnement d'un générateur d'impulsions, de largeur variable. Les impulsions de sortie du générateur sont appliquées à un commutateur de shuntage en court-circuit, monté entre les bornes de la source utilisant l'énergie solaire, afin d'ouvrir périodiquement ce commutateur pendant des intervalles variables et déterminés d'après l'état de
charge de la pile secondaire.
L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel - la figure 1 est un schéma simplifié d'une forme préférée de réalisation de l'invention; et - la figure 2 est un diagramme des temps montrant des formes d'ondes qui permettent de mieux comprendre le
fonctionnement du circuit représenté sur la figure 1.
La figure 1 représente une forme préférée de réalisation d'un dispositif photovoltaique de charge d'une pile et d'alimentation en énergie de l'invention. Une cellule photovoltaIque ou cellule solaire 10 est utilisée comme source primaire d'énergie pour le dispositif montré sur la figure 1. De telles cellules sont bien connues et, comme montré sur la figure 1, la cellule 10 est reliée par une diode anti-retour 11 à la borne positive d'une pile secondaire 12 placée, de même que les composants précédents, dans un circuit de charge. La cellule 10 et la pile 12 sont elles-mêmes montées en parallèle avec une charge convenable 14 qui peut être de tout type communément utilisé avec les sources d'alimentation photovoltaiques. Ainsi qu'il est bien
connu, l'énergie fournie à la charge 14 provient principale-
ment de la cellule photovoltaique 10 lorsque cette dernière est exposée aux rayons du soleil. Cette énergie est fournie par la pile 12 lorsque la puissance de sortie de la cellule photovoltalque 10 tombe à un potentiel inférieur à celui fourni par la pile 12. Dans ce cas, la diode 11 d'arrêt isole la cellule photovo-taique de la pile 12. Ce circuit est communément utilisé dans des applications différentes et très
diverses.
La pile 12 est considérée comme une pile
secondaire ou source d'énergie secondaire dans le dispositif.
Divers types de piles sèches rechargeables peuvent être utilisés pour la pile 12 mais, dans tous les cas, il est nécessaire d'éviter une charge excessive de la pile 12 afin d'empêcher sa destruction et de réduire le risque d'explosion. Par conséquent, le dispositif de charge de la pile, montré sur la figure 1, comprend un circuit destiné à régler la charge tout en permettant à la pile 12 d'être chargée aussi rapidement que possible lorsqu'elle est
déchargée ou lorsque sa charge est faible.
Pour réaliser ce réglage, un comparateur 16 de tension détecte la tension de la pile à une première entrée et la compare à une tension de référence appliquée à son autre entrée. La tension de référence est elle-même établie par un circuit 17 à tension de référence, sensible à la température. Une tension fixe de référence pourrait être utilisée mais, pour que le rendement du dispositif soit maximal, on utilise la tension de référence produite par le circuit représenté schématiquement dans le bloc 17 et comprenant un diviseur de tension constitué d'une diode de Zener, ou tout autre composant produisant une chute de tension à une valeur stable,monté en série avec une résistance dont la valeur varie en fonction de la température, entre les bornes de la pile 12. Le circuit particulier utilisé dans la source 17 de tension de référence variant en fonction de la température n'est pas important et, si cela est nécessaire, il peut également comprendre des
composants de circuit actifs.
La caractéristique du circuit 17 qui varie en fonction de la température est choisie de manière à avoir une valeur variant en fonction de la température ambiante à laquelle la pile est soumise et le circuit 17 est donc placé à proximité immédiate de la pile 12. Le circuit 17 fonctionne de manière à produire à sa sortie une tension de référence plus grande lorsque la pile 12 est froide que lorsqu'elle est chaude. Ceci permet de charger la pile 12 sous une tension plus élevée lorsqu'elle est froide que lorsqu'elle est chaude, car cela est nécessaire pour une pile froide, comme c'est bien connu. En utilisant ce type de circuit de référence pour le circuit 17 produisant la tension de référence, il est possible de donner au dispositif un rendement maximal. Les éléments du circuit de référence sensible à la température sont choisis de manière qu'une caractéristique de référence stable soit établie, hormis la variation qui se produit en fonction des changements de la température ambiante. Par conséquent, l'état de charge particulier de la pile 12, pourvu qu'il dépasse une certaine quantité minimale, n'a pas d'effet sur la tension de référence appliquée par le circuit 17 au comparateur 16 de tension. La sortie du' comparateur 16 de tension est ensuite reliée à l'entrée d'un générateur 18 d'impulsions de largeur variable et, lorsque la tension souhaitée pour la pile est atteinte, un signal de sortie est produit de manière à mettre en marche le générateur 18 d'impulsions de largeur variable. La largeur des impulsions apparaissant à la sortie de ce générateur 18 est indiquée par la forme d'onde C-de la figure 2. Ce signal de sortie se présente sous la forme d'impulsions positives de largeur constante, séparées par des intervalles négatifs de largeur variable dépendant de l'état du signal de sortie du comparateur 16 de tension, et le signal de sortie du générateur 18 est utilisé pour commander un commutateur 20 de shuntage en court-circuit. Les intervalles négatifs du signal de sortie du générateur 18 d'impulsions peuvent être considérés comme des impulsions de
largeur variable dans le fonctionnement décrit.
Le commutateur 20 de shuntage, montré sur la figure 1, comprend généralement tout type convenable de commutateur à commande électronique, capable d'établir sensiblement un court-circuit entre les bornes de la cellule
photovoltaique 10 lorsqu'il est fermé. Ce commutateur est.
représenté sur la figure 1 sous la forme d'un transistor NPN, mais il peut comprendre d'autres composants, et il se comporte essentiellement comme un commutateur unipolaire à une direction, c'est-à-dire un interrupteur. Le commutateur doit pouvoir supporter le courant relativement élevé provenant du panneau de cellules photovoltaiques, compte tenu
du fait qu'il est nécessaire de dériver un courant de court-
circuit par ce commutateur pendant la durée de chacune des impulsions provenant du générateur 18. Lorsqu'un transistor est utilisé, il est évident que la fermeture du commutateur consiste à rendre totalement conducteur et à saturer le transistor en réponse à l'application des impulsions provenant du générateur 18 à la base ou électrode de commande de ce transistor. A la fin de chaque impulsion positive de sortie du générateur 18, le commutateur 20 est rendu non conducteur et se comporte comme un circuit ouvert pour la cellule photovoltaique 10. Par conséquent, la durée pendant laquelle le courant de charge est appliqué à la pile 12, comme montré par la forme d'onde B de la figure 2, varie directement avec les intervalles de temps compris entre les impulsions provenant du générateur 18, comme représenté à la ligne C de la figure 2. Lorsque le commutateur 20 est ouvert, la tension maximale produite par le panneau 10 de cellules photovolta!ques est appliquée à la pile 12 afin de la charger. Dans le passé, comme décrit précédemment dans le préambule, on a considéré qu'il était nécessaire d'utiliser un shunt résistif d'un certain type dans la position occupée dans le circuit par le commutateur de shuntage 20 montré sur la figure 1. Des sources d'alimentation classiques ne peuvent supporter sans dommage un court-circuit se produisant entre leurs bornes. Contrairement à cette constatation générale faite sur les dispositifs antérieurs, il est apparu que la cellule photovoltalquel10 n'est détériorée en aucune manière
par l'application d'un court-circuit à ses bornes de sortie.
Par conséquent, aucun radiateur thermique ni aucune résistance de dissipation de puissance ne sont utilisés dans le commutateur 20 de shuntage, mais un simple interrupteur, pouvant supporter le courant produit, est mis en oeuvre de manière à établir soit une condition-de circuit totalement ouvert entre les bornes de la cellule photovoltaique, soit un
court-circuit total lorsque cet interrupteur 20 est fermé.
Lorsque la pile 12 atteint l'état de pleine charge, l'intervalle d'ouverture du commutateur 20 de shuntage entre les impulsions périodiques de sortie du générateur 18 est sensiblement plus petit que lorsque la pile 12 est faiblement chargée ou déchargée. Ceci est indiqué par les formes d'ondes B et C de la figure 2, progressivement de la gauche vers la droite. La partie gauche de ces formes d'ondes indique une condition de décharge de la pile 12, auquel cas le commutateur 20 de shuntage est bloqué ou ouvert pendant une proportion relativement grande du temps total de
fonctionnement du dispositif.
Lorsque la pile 12 arrive à l'état de pleine charge, le signal de sortie du comparateur 16 de tension se produit presque instantanément après l'achèvement de l'impulsion précédente provenant du générateur 18, afin de déclencher l'impulsion suivante. Par conséquent, les impulsions de charge de la pile 12 sont très étroites, ainsi qu'il ressort d'une observation de la partie droite de la forme d'onde B de la figure 2. Le dispositif fonctionne alors en mode de charge d'entretien ou d'attente. Etant donné que le circuit ne comporte aucune résistance de dissipation d'énergie entre la sortie de la cellule photovoltaïque 10 et la borne positive de la pile 12, la charge d'entretien se présente sous la forme de courtes impulsions de courant élevé. Ceci constitue une condition souhaitable pour appliquer la charge d'entretien à une pile et cette condition de travail est de loin préférable à celle d'une charge par des courants inférieurs, comme c'est le cas avec de nombreux
dispositifs classiques n'utilisant pas un shunt de court-
circuit tel que le commutateur 20 du circuit représenté sur
la figure 1.
La forme d'onde A de la figure 1 illustre la condition de charge de la pile 12 (VBAT) par rapport à la
tension de référence (VREF) produite par le circuit 17 de.
tension de référence. On peut voir que la tension de la pile chute pendant les intervalles de temps au cours desquels le signal de sortie du générateur d'impulsions est à un niveau élevé, provoquant la fermeture du commutateur 20 de shuntage et l'établissement d'un court-circuit entre les bornes de la cellule photovoltalque 10, et on peut voir également que la tension de la pile s'élève pendant les intervalles de temps
au cours desquels le commutateur 20 de shuntage est ouvert.
Ainsi qu'il est évident à l'homme de l'art, il peut être souhaitable de conférer une caractéristique d'hystérésis au fonctionnement du comparateur 16 de tension pour permettre -l'ajustement de la tension de référence "en charge" et "sans charge" afin de tenir compte de la
résistance de la pile 12.
La description précédente et le circuit
représenté sur la figure 1 constituent un exemple non limitatif de l'invention. Le circuit selon l'invention est simple et efficace, et il permet de tirer un rendement effectif maximal d'un dispositif de charge d'une pile et d'alimentation en énergie à partir de l'énergie solaire, ce circuit pouvant être utilisé dans toute application employant normalement une telle association pour assurer une
alimentation en énergie. Le commutateur de shuntage de court-
circuit peut avoir toute configuration lui permettant de fonctionner de la manière décrite précédemment et lui
permettant également de supporter les courants de court-
circuit produits par la cellule photovoltaique 10.
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au circuit décrit et représenté sans
sortir du cadre de l'invention.
Claims (7)
1. Circuit de charge d'une pile et d'alimentation en énergie électrique à partir de l'énergie solaire, comprenant une source (10) de courant continu qui utilise l'énergie solaire et qui est connectée à une pile secondaire (12) afin de la charger, et un dispositif de commande destiné à détecter l'état de charge de la pile, le circuit étant caractérisé en ce qu'il comporte un commutateur (20) de shuntage en court-circuit monté entre les bornes de la source de courant continu, et un générateur (18) d'impulsions de largeur variable, connecté au dispositif de commande afin de produire des impulsions dont la largeur est proportionnelle à l'état de charge détecté par le dispositif de commande, ce générateur étant également connecté au commutateur de shuntage afin de le fermer et l'ouvrir périodiquement en réponse à des impulsions de sortie de largeur variable
produites par le générateur.
2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le commutateur de shuntage établit un court-circuit entre les bornes de la source de courant continu utilisant l'énergie solaire lorsque ce commutateur est fermé sous l'effet d'impulsions provenant du générateur, ledit commutateur établissant un circuit ouvert entre les bornes de
la source lorsqu'il est ouvert.
3. Circuit selon l'une des revendications 1 et 2,
caractérisé en ce que le commutateur de shuntage comporte un transistor.
4. Circuit selon l'une quelconque des revendica-
tions 1, 2 et 3, caractérisé en ce qu'il comporte une diode (11) de blocage montée en série entre la source de courant continu et la pile secondaire, le commutateur de shuntage étant connecté par une extrémité à une jonction entre la
source de courant continu et la diode.
5. Circuit selon l'une quelconque des revendica-
tions précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de commande comprend un comparateur (16) de tension connecté à un circuit (17) de référence de tension et à la pile (12) afin de produire des signaux représentatifs d'une relation prédéterminée entre les tensions appliquées à ce comparateur, la sortie de ce dernier étant reliée au générateur (18) d'impulsions de largeur variable afin que ledit comparateur détermine la largeur des impulsions produites par le générateur.
6. Circuit selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit de référence de tension produit une tension de référence sensible à la température et variant
proportionnellement à la température ambiante.
7. Circuit selon la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit de référence de tension est placé à proximité immédiate de la pile afin de détecter la
température ambiante à laquelle cette pile est soumise.
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