FR2583591A1

FR2583591A1 - Circuit for charging an electrochemical storage battery through a photovoltaic panel

Info

Publication number: FR2583591A1
Application number: FR8509043A
Authority: FR
Inventors: Paul Berneuil
Original assignee: Societe National Elf Aquitaine
Current assignee: Societe National Elf Aquitaine
Priority date: 1985-06-14
Filing date: 1985-06-14
Publication date: 1986-12-19
Also published as: FR2583591B1

Abstract

The invention relates to a circuit for charging a battery 5 [lacuna] photovoltaic 4 characterised in that it comprises, between the terminals of like polarity of the battery 5 and of the panel 4, a contact 60 of a relay 6 of the first means 1 of comparing with a first threshold V ref, in closed circuit, the current delivered by the photovoltaic panel 4, second means 2 of comparing a voltage indicative of the voltage of the solar panel 4, in open circuit, with a voltage indicative of the voltage of the battery 5 and an electronic circuit 7 controlled as a function of the result of the comparisons in order to close or open the contact 60 of the relay 6.

Description

La présente invention concerne un circuit de charge d'une batterie d'accumulateurs électrochimiques par un panneau photovoltaïque. Dans la suite du texte, nous appellerons batterie, la batterie d'accumulateurs. The present invention relates to a charging circuit of a battery of electrochemical accumulators by a photovoltaic panel. In the rest of the text, we will call battery, the accumulator battery.

Il est connu des circuits de charge d'une batterie par un panneau photovoltaïque dans lesquels on dispose entre le générateur photovoltalque et la batterie une diode, dite diode anti-retour. Cette diode a essentiellement pour fonction d'empêcher que la batterie débite sur le panneau solaire photovoltaïque pendant les périodes nocturnes. Cet état de la technique présente l'inconvénient de nécessiter l'emploi, soit de diodes schottky, soit de diodes au silicium. Les diodes schottky ont une chute de tension directe faible, de l'ordre de 0,4 à 0,5 volt, mais coûtent d'autant plus cher que 1n courant qui doit y circuler est important. Ceci est le cas lorsqu'il y a plusieurs panneaux solaires mis en paralldle pour générer une puissance élevée, c'est-à-dire fournir des courants supérieurs à 5 ampères.Par ailleurs, on remarquera que la chute de tension directe de la diode équivaut à la tension de 0,4 à 0,5 volt fournie par une cellule de panneaux photovoltaïques. Par conséquent, une cellule du panneau photovoltaïque n'est utilisée que pour compenser la chute de tension au niveau de la diode. It is known charging circuits of a battery by a photovoltaic panel in which is disposed between the photovoltaic generator and the battery a diode, said non-return diode. The main function of this diode is to prevent the battery from charging to the photovoltaic solar panel during the night time periods. This state of the art has the disadvantage of requiring the use of either schottky diodes or silicon diodes. Schottky diodes have a low direct voltage drop, of the order of 0.4 to 0.5 volts, but cost all the more expensive that 1n current which must circulate there is important. This is the case when there are several solar panels put in parallel to generate a high power, that is to say to provide currents greater than 5 amperes. Moreover, it will be noted that the forward voltage drop of the diode equals the voltage of 0.4 to 0.5 volts supplied by a photovoltaic panel cell. Therefore, a cell of the photovoltaic panel is only used to compensate for the voltage drop at the diode.

Enfin, le passage du courant dans la diode va provoquer une dissipation de puissance qui va devenir prohibitive lorsqu'on dépasse des courants de 5 ampères et que l'on atteint des courants de 10 à 15 amperes. Cette puissance dissipée va nécessiter la présence d'un gros radiateur pour évacuer les calories et ce radiateur devra être d'autant plus gros que ce type de matériel à panneaux solaires est destiné à être utilisé dans les pays chauds.Finally, the passage of the current in the diode will cause a dissipation of power that will become prohibitive when exceeding currents of 5 amperes and that one reaches currents of 10 to 15 amperes. This dissipated power will require the presence of a large radiator to evacuate the calories and this radiator will have to be even larger than this type of solar panel equipment is intended to be used in hot countries.

Dans le cas où on utilise une diode au silicium, un peu moins coûteuse, la chute de tension directe est de 0,8 à 1 volt et équivaut donc à deux cellules de panneau solaire. Par conséquent, ces diodes présentent les mêmes inconvénients que les diodes shottky. In the case where using a silicon diode, a little less expensive, the direct voltage drop is 0.8 to 1 volt and is therefore equivalent to two solar panel cells. Therefore, these diodes have the same disadvantages as shottky diodes.

Un premier but de l'invention est donc de proposer un circuit de charge de batterie par un panneau solaire photovoltaïque qui ne présente pas les
inconvénients des diodes anti-retour et qui soit susceptible de remplacer celles-ci.A first object of the invention is therefore to propose a battery charging circuit by a photovoltaic solar panel which does not have the
disadvantages of the anti-return diodes and which is likely to replace them.

Ce premier but est atteint par le fait que le circuit de charge de batterie par panneau photovoltaïque comprend entre les bornes de même polarité de la batterie et du panneau un contact d'un relai, des premiers moyens de comparer, à un premier seuil, en circuit fermE, le courant débité par le panneau photovoltaïque, des seconds moyens de comparer une tension représentative de la tension du panneau solaire en circuit ouvert avec une tension représentative de la tension de batterie et un circuit électronique commandé en fonction du résultat des comparaisons pour assurer la fermeture ou l'ouverture du contact du relai. This first goal is achieved by the fact that the battery charging circuit per photovoltaic panel comprises between the terminals of the same polarity of the battery and the panel a contact of a relay, first means of comparing, at a first threshold, closed circuit, the current delivered by the photovoltaic panel, second means for comparing a voltage representative of the solar panel voltage in an open circuit with a voltage representative of the battery voltage and an electronic circuit controlled according to the result of the comparisons to ensure closing or opening the relay contact.

Un deuxième but de l'invention est de réaliser un circuit qui, en plus des fonctions et des avantages précédents réalise la fonction de limiteur de charge pour
la batterie. Ceci présentera l'avantage d'éviter de trop charger la batterie irosque celle-ci n'est pas utilisée pendant une longue période. Ce peut être le cas d'une télévision alimentée par panneaux solaires et inutilisée pendant les périodes scolaires.A second object of the invention is to provide a circuit which, in addition to the preceding functions and advantages performs the function of load limiter for
drums. This will have the advantage of avoiding over charging the battery when it is not used for a long time. This may be the case of a television powered by solar panels and unused during school periods.

Ce deuxième but est atteint par le fait que le circuit comprend en plus des troisièmes moyens de comparer
la tension de la batterie à un deuxième seuil pour commander l'ouverture du contact en cas de dépassement du deuxième seuil.This second goal is achieved by the fact that the circuit comprises in addition third means of comparing
the voltage of the battery at a second threshold to control the opening of the contact in case of exceeding the second threshold.

Selon une caractéristique supplémentaire, le circuit électronique assure la fermeture du contact lorsque la tension du panneau dépasse la tension de la batterie, tandis qu'il assure l'ouverture du contact lorsque le courant délivré par le panneau devient inférieur au premier seuil. According to an additional characteristic, the electronic circuit ensures the closure of the contact when the panel voltage exceeds the voltage of the battery, while it ensures the opening of the contact when the current delivered by the panel becomes less than the first threshold.

Selon une autre caractéristique, les premiers moyens de comparaison comportent une résistance shunt branchée en série entre la masse du panneau et la masse de la batterie et en parallèle aux entrées d'un circuit amplificateur dont la sortie est reliée à une première entrée du premier circuit de comparaison dont la deuxième entrée reçoit une tension de référence constituant le premier seuil. According to another characteristic, the first comparison means comprise a shunt resistor connected in series between the mass of the panel and the ground of the battery and in parallel with the inputs of an amplifier circuit whose output is connected to a first input of the first circuit. comparing the second input receives a reference voltage constituting the first threshold.

Selon une autre caractéristique, les troisièmes moyens de comparaison sont constitués par un troisième comparateur recevant sur une entrée une tension de référence constituant le deuxième seuil et sur une deuxième entrée une tension représentant la tension de batterie et dont la sortie est reliée par une résistance à la deuxième entrée du comparateur de façon à constituer unhystérésis. According to another characteristic, the third comparison means are constituted by a third comparator receiving on one input a reference voltage constituting the second threshold and on a second input a voltage representing the battery voltage and the output of which is connected by a resistance to the second input of the comparator so as to constitute a hysteresis.

D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après, faite en référence à la figure 1 qui represente le schéma du circuit de l'invention. Other advantages and features of the present invention will emerge more clearly on reading the following description, made with reference to FIG. 1 which represents the circuit diagram of the invention.

Les différentes cellules de panneaux photovoltaïques sont associées de façon à constituer un générateur de courant (4) dont la puissance est suffisante pour charger une batterie (5). Les poules positifs du générateur photovoltaïque et de la batterie sont reliés entre eux par l'intermédiaire du contact (60) d'un relai (6). Une résistance shunt (9) relie le pôle négatif de la batterie au pôle négatif du générateur photovoltaïque, lequel est également relié à la masse. Les deux extrémités de la résistance shunt (9) sont reliées aux entrées d'un amplificateur (8) à gain élevé dont la sortie est reliée à une première entrée d'un premier comparateur (1).Une deuxième entrée de ce comparateur (1) reçoit une tension de reférence (V ref) délivrée par un générateur de tension (10), réalisé par des moyens connus de l'homme de métier. la sortie du comparateur (1) délivrant le signal logique (A), est reliée ià l'entrée (70) d'un circuit logique dont l'unique sortie (S) commande la base d'un transistor (73) dont l'émetteur est relié à la masse et le collecteur à la borne positive de la batterie par l'intermédiaire de la bobine du relai (6). La bobine du relai (6) commande, par l'intermédiaire de la- liaison (61) représentée en pointillés, l'ouverture ou la fermeture du contact (60). The different cells of photovoltaic panels are associated so as to constitute a current generator (4) whose power is sufficient to charge a battery (5). The positive hens of the photovoltaic generator and the battery are interconnected via the contact (60) of a relay (6). A shunt resistor (9) connects the negative pole of the battery to the negative pole of the photovoltaic generator, which is also connected to ground. The two ends of the shunt resistor (9) are connected to the inputs of a high gain amplifier (8) whose output is connected to a first input of a first comparator (1). A second input of this comparator (1) ) receives a reference voltage (V ref) delivered by a voltage generator (10), made by means known to those skilled in the art. the output of the comparator (1) delivering the logic signal (A), is connected to the input (70) of a logic circuit whose single output (S) controls the base of a transistor (73) whose transmitter is connected to ground and the collector to the positive terminal of the battery via the relay coil (6). The coil of the relay (6) controls, via the link (61) shown in dashed lines, the opening or closing of the contact (60).

Un point intermédiaire (D), représentatif de la tension panneau, situé entre le contact (60) et le pôle positif du générateur photovoltaïque, est relié par un potentiomètre (21) à la masse. Le point variable de ce potentiomètre (21) est relié à une première entrée d'un deuxième comparateur (2) dont la sortie délivrant le signal logique (B) est branchée à entrée (71) du circuit (7). La borne positive de la batterie (5) est également reliée, par l'intermédiaire d'un potentiomètre (20) à la masse. Le point variable du potentiomètre (20) est relié à une deuxième entrée du deuxième comparateur (2). La sortie du potentimètre (21) délivre une tension proportionnelle à la tension aux bornes de la batterie. Enfin, la borne positive de la batterie (5) est également reliée par un potentiomètre (32) à la masse. Le point variable de ce potentiomètre est relié à l'entrée d'un troisième comprateur (3) dont une deuxieme entrée reçoit une tension de référence (U ref) fournie par un générateur de tension (30). La sortie du comparateur (3) délivre le signal logique (C) à l'entrée (72) du circuit logique (7).An intermediate point (D), representative of the panel voltage, located between the contact (60) and the positive pole of the photovoltaic generator, is connected by a potentiometer (21) to ground. The variable point of this potentiometer (21) is connected to a first input of a second comparator (2) whose output delivering the logic signal (B) is connected to the input (71) of the circuit (7). The positive terminal of the battery (5) is also connected via a potentiometer (20) to ground. The variable point of the potentiometer (20) is connected to a second input of the second comparator (2). The output of the potentiometer (21) delivers a voltage proportional to the voltage across the battery. Finally, the positive terminal of the battery (5) is also connected by a potentiometer (32) to ground. The variable point of this potentiometer is connected to the input of a third computer (3) whose second input receives a reference voltage (U ref) provided by a voltage generator (30). The output of the comparator (3) delivers the logic signal (C) to the input (72) of the logic circuit (7).

Cette sortie du comparateur (3) est également reliée par une résistance (31) à la première entrée qui reçoit la sortie variable du potentiomètre (32). Cette résistance (31) constitue ainsi un hystérésis qui permet d'éviter une oscillation autour de la valeur de charge maximale de la batterie définie par la tension (U ref). Le circuit logique (7) réalise la fonction logique suivante (A + B) C, dont le résultat commande la bobine du relai (6). Ce circuit peut facilement être constitué par un circuit OU recevant en entrée les sorties des premiers et deuxièmes moyens (1, 2) de comparaison et un circuit ET recevant en entrée la sortie du circuit OU et la sortie des troisièmes moyens de comparaison.This output of the comparator (3) is also connected by a resistor (31) to the first input which receives the variable output of the potentiometer (32). This resistor (31) thus constitutes a hysteresis which makes it possible to avoid an oscillation around the maximum charge value of the battery defined by the voltage (U ref). The logic circuit (7) performs the following logical function (A + B) C, the result of which controls the coil of the relay (6). This circuit can easily be constituted by an OR circuit receiving as input the outputs of the first and second comparison means (1, 2) and an AND circuit receiving as input the output of the OR circuit and the output of the third comparison means.

En fonctionnement, lorsque le panneau est capable de charger la batterie, un courant circule du panneau vers la batterie et engendre une différence de potentiel aux bornes du shunt (9) qui est amplifiée en (8) et comparée avec la tension de référence (V ref). Dès que la tension aux bornes du shunt devient inférieure à la tension de référence (V ref), le sighan (A) de sortie du comparateur (1) passe d'une tension représentative du niveau logique "1" à une tension représentative du niveau logique n o n qui inhibe l'alimentation de la bobine du relai (6) pour ouvrir l'interrupteur (60). Ce fonctionnement correspond au moment où, lors du crépuscule, le courant devient insuffisant pour charger la batterie. A ce moment-là, on ouvre l'interrupteur de façon à éviter que la batterie ne débite dans le panneau solaire.A titre d'ordre de grandeur, pour une installation destinée à livrer un courant de 15 ampères, on ouvrira l'interrupteur lorsque le courant sera aux alentours de 50 milliampères. In operation, when the panel is able to charge the battery, a current flows from the panel to the battery and generates a potential difference across the shunt (9) which is amplified in (8) and compared with the reference voltage (V ref). As soon as the voltage at the terminals of the shunt becomes lower than the reference voltage (V ref), the sighan (A) of the comparator output (1) goes from a voltage representing the logic level "1" to a voltage representative of the level non logic that inhibits the supply of the relay coil (6) to open the switch (60). This operation corresponds to the moment when, at dusk, the current becomes insufficient to charge the battery. At this time, the switch is opened so as to prevent the battery from discharging into the solar panel. As an order of magnitude, for an installation intended to deliver a current of 15 amperes, the switch will be opened. when the current will be around 50 milliamps.

Pour redéclencher le circuit, on compare les sorties des potentiomètres (21) et (20) dont les tensions sont proportionnelles respectivement aux tensions aux bornes du panneau solaire et de la batterie. Lorsque la tension du panneau solaire devient supérieure à la tension de la batterie, et tant que celle-ci respecte cette condition, le signal (B) de sortie du comparateur (2) passe d'une tension représentative du niveau logique "O" à une tension représentative du niveau logique "1" et la sortie du circuit logique (7) assure l'alimentation de la bobine (6), entraînant la fermeture du contact (60). To restart the circuit, the outputs of the potentiometers (21) and (20) whose voltages are proportional to the voltages at the terminals of the solar panel and the battery respectively are compared. When the voltage of the solar panel becomes greater than the voltage of the battery, and as long as it respects this condition, the output signal (B) of the comparator (2) changes from a voltage representing the logic level "O" to a voltage representative of the logic level "1" and the output of the logic circuit (7) supplies the coil (6), causing the contact (60) to close.

Enfin, la fonction limiteur de charge pour la batterie est assurée par la sortie du potentiomètre (12) qui délivre une tension proportionnelle à la tension de charge de la batterie, laquelle est comparée à une tension de référence (U ref) par le comparateur (3), le signal (C) de sortie de ce comparateur passe d'une tension représentative du niveau logique "1" à une tension représentative du niveau logique "0" dès que la tension aux bornes de la batterie dépasse la tension de référence. Ce signal provoque la fin de l'alimentation par le circuit (7) du relai (6) et par voie de conséquence, l'ouverture de l'interrupteur (60). La résistance (31) assure un hystérésis de façon que le système ne se réenclenche pas dès que la tension de la batterie varie un petit peu par rapport à sa tension de charge maximale.Cet hystérésis évite ainsi les oscillations du système aux alentours de la tension maximale de charge. Par conséquent, on a ainsi réalisé un circuit qui permet à la fois de remplacer une diode anti-retour et de limiter la charge de la batterie lorsque celle-ci ne doit pas débiter sur une utilisation pendant un certain temps. Les explications ci-dessus peuvent être résumées dans les deux tableaux ci-après. Finally, the charge limiter function for the battery is ensured by the output of the potentiometer (12) which delivers a voltage proportional to the charge voltage of the battery, which is compared to a reference voltage (U ref) by the comparator ( 3), the output signal (C) of this comparator changes from a voltage representative of the logic level "1" to a voltage representative of the logic level "0" as soon as the voltage across the battery exceeds the reference voltage. This signal causes the end of the power supply by the circuit (7) of the relay (6) and consequently the opening of the switch (60). The resistor (31) ensures a hysteresis so that the system does not reset when the voltage of the battery varies a little with respect to its maximum charge voltage. This hysteresis thus avoids the oscillations of the system around the voltage maximum load. Consequently, a circuit has thus been realized which makes it possible both to replace a non-return diode and to limit the charge of the battery when the latter must not charge for use for a certain time. The explanations above can be summarized in the two tables below.

Tension Batterie < U ref C = 1
Tension Batterie > U ref C = 0
Tension Panneau > Tension Batterie B = 1
Tension Panneau > Tension Batterie B = 0
Tension Shunt > V ref A = 1
Tension Shunt > V ref A = 0
A B C S Bobine 0 1 1 1 Alimentée 1 0 1 1 Alimentée 1 0 0 0 Non alimentée 0 0 1 0 Non alimentée
On pourra utiliser de façon avantageuse un relai qui a une résistance de contact de l'ordre de 3 à 4 milliohms. Cette résistance représente, pour un courant de 15 ampères, à une chute de tension de 45mV. Enfin, le shunt pourra être choisi de façon avantageuse avec une résistance de 3 milliohms, ce qui correspond également, pour un courant de 15 ampères, à une chute de tension de 45 mV.Par conséquent, la chute de tension totale est de l'ordre de 90 mV, qui sont à comparer à la chute de tension d'une très bonne diode schottky qui est de l'ordre de 0,4 à 0,5 volt. Ceci est le cas le plus défavorable, car dans un circuit classique avec diode et limiteur, il y a toujours un interrupteur série. Cette diminution de la chute de tension présente l'avantage, pour un constructeur de panneaux, d'économiser, pour une tension de fonctionnement identique, la cellule photovoltalque dont le rôle est purement et simplement de compenser la chute de tension de la diode.Battery voltage <U ref C = 1
Battery voltage> U ref C = 0
Panel Voltage> Battery Voltage B = 1
Panel Voltage> Battery Voltage B = 0
Shunt voltage> V ref A = 1
Shunt voltage> V ref A = 0
ABCS Coil 0 1 1 1 Powered 1 0 1 1 Powered 1 0 0 0 Not Powered 0 0 1 0 Not Powered
It is advantageous to use a relay which has a contact resistance of the order of 3 to 4 milliohms. This resistance represents, for a current of 15 amps, a voltage drop of 45mV. Finally, the shunt can advantageously be chosen with a resistance of 3 milliohms, which also corresponds, for a current of 15 amperes, to a voltage drop of 45 mV.Therefore, the total voltage drop is of order of 90 mV, which are to be compared to the voltage drop of a very good schottky diode which is of the order of 0.4 to 0.5 volts. This is the worst case, because in a conventional circuit with diode and limiter, there is always a series switch. This reduction in the voltage drop has the advantage, for a panel builder, of saving, for an identical operating voltage, the photovoltaic cell whose role is purely and simply to compensate for the voltage drop of the diode.

Par ailleurs, la puissance dissipée par le contact du relai et le shunt, pour un courant de 15 ampères, sera de l'ordre de 1,3 à 1,4 Watt, ce qui, par rapport aux 6 Watts que dissiperait une diode shottky dans les mêmes conditions, est négligeable. Enfin, on remarquera que les contacts du relai fonctionnent toujours dans de bonnes conditions par l'ouverture des contacts se fait dans le cas où le courant est très faible, soit parce que la luminosité n'est plus suffisante, soit parce que la batterie est complètement chargée. Les courants importants passent donc au moment où les contacts sont fermés, ce qui permet de garantir une longue durée de vie au dispositif. Moreover, the power dissipated by the contact of the relay and the shunt, for a current of 15 amps, will be of the order of 1.3 to 1.4 Watt, which, compared to the 6 Watts that would dispel a shottky diode under the same conditions, is negligible. Finally, it will be noted that the contacts of the relay always work in good conditions by the opening of the contacts is done in the case where the current is very low, either because the brightness is no longer sufficient, or because the battery is fully charged. Large currents therefore pass when the contacts are closed, which ensures a long life of the device.

Pour conclure, compte tenu de l'économie d'au moins une cellule de panneau solaire, de la diode et d'autre part du fait qu'en plus du remplacement de la diode, ce circuit permet d'assurer la fonction limiteur, un tel circuit est d'un prix de revient plus économique que les circuits de l'art antérieur. To conclude, considering the economy of at least one solar panel cell, the diode and secondly the fact that in addition to the replacement of the diode, this circuit ensures the limiter function, a such circuit is more cost effective than the circuits of the prior art.

D'autres modifications à la portée de l'homme de métier font également partie de l'esprit de l'invention. Other modifications within the scope of those skilled in the art are also within the spirit of the invention.

Claims

1 - Charge circuit of a battery (5) photovol

talque (4), characterized in that it comprises between

the terminals of the same polarity of the battery (5) and the

panel (4), a contact (60) of a relay (6),

first means (1) of comparing to a first

threshold (V ref), in a closed circuit, the current discharged

by the photovoltaic panel (4), seconds

means (2) to compare a representative voltage of

the solar panel voltage (4), in open circuit,

with a voltage representative of the voltage of

battery (5) and in electronic circuit (7) command

according to the result of the comparisons to ensure

the

closing or opening of the contact (60) of the

relay (6).

2 - Circuit according to claim 1, characterized in that

it includes third means (3) to compare

the battery voltage (5) to a second

threshold (U ref) to control the opening of the

contact (60) if the second threshold is exceeded.

3 - Circuit according to claim 1 or 2, characterized in

the electronic circuit (7) ensures the

closing the contact (60) when the voltage of the

panel (4) exceeds the voltage of the battery (5),

while it ensures the opening of the contact (60)

when the current delivered by the panel (4) becomes

less than the first threshold (V ref).

4 - Circuit according to one of the preceding claims,

characterized in that the logic circuit (7) is

constituted by an OR circuit receiving as input the

outputs of the first and second means (1, 2) of

comparison and an AND circuit receiving input the

output of the OR circuit and the output of the third

means of comparison.

5 - Circuit according to claim 1 or 4, characterized in

what the first means of comparison (1)

have a shunt resistor (9) connected in series

between the panel and the battery and parallel to

between an amplifier circuit (8) whose output

is connected to a first input of a circuit of

comparison (1) whose second entry receives a

reference voltage (V ref) constituting the first

threshold.

6 - Circuit according to claim 2 or 4, characterized in

what the third comparison means (3) are

constituted by a comparator (3) receiving on a

input a reference voltage (U ref) constituting

the second threshold and on a second entry a

voltage representative of the battery voltage (5)

provided by the output of a potentiometer (32) and

the output is connected by a resistor (31) to the

second input of the comparator.