FR2891094A1 - Battery charging method, involves tracking maximum power point of source by indirectly measuring consumed power and modulating duty factor of input stage based on measurement of consumed power - Google Patents
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Abstract
Description
Procédé et dispositif de charge de batterie à partir d'une source deA method and device for charging a battery from a source of
courant continu complexe complex direct current
La présente invention vise un procédé de charge de batterie à partir d'une source de courant continu complexe. Elle vise également un dispositif chargeur de batterie à partir d'une source de courant continu complexe, mettant en oeuvre ce procédé. The present invention is directed to a method of charging a battery from a complex DC source. It also relates to a battery charger device from a complex DC source, implementing this method.
Certaines sources de courant continu ont un comportement complexe, où ni le voltage ni le courant ne suffisent indépendamment à définir la puissance disponible. Some DC sources have a complex behavior, where neither the voltage nor the current is sufficient independently to define the power available.
Il est par exemple connu qu'une batterie n'est pas une pure source de tension, et que ladite tension va fluctuer en fonction du courant consommé. It is for example known that a battery is not a pure source of voltage, and that said voltage will fluctuate depending on the current consumed.
Il est particulièrement connu qu'une source de puissance électrique photovoltaïque (PV) présente cette propriété de fournir à une charge donnée et à flux lumineux constant, le maximum de puissance électrique en un point de fonctionnement optimal (voltage x courant) déterminé par sa fabrication. It is particularly known that a source of photovoltaic electric power (PV) has this property of providing at a given load and constant luminous flux, the maximum of electrical power at an optimum operating point (voltage x current) determined by its manufacture. .
Ce point de fonctionnement est désigné par l'acronyme MPP (Maximum Power Point). Lorsque le flux lumineux varie, le MPP d'une source photovoltaïque varie également, de manière non linéaire tant en voltage qu'en courant. This operating point is designated by the acronym MPP (Maximum Power Point). When the luminous flux varies, the MPP of a photovoltaic source also varies, in a non-linear manner in both voltage and current.
On connaît dans la technique des méthodes qui tendent à optimiser à tout moment la puissance captée d'une source complexe telle qu'un panneau photovoltaïque par un suivi (poursuite) du MPP. Methods are known in the art that tend to optimize at any time the power captured from a complex source such as a photovoltaic panel by monitoring (continuation) of the MPP.
Ces méthodes sont désignées par l'acronyme MPPT (Maximum Power Point Tracking). L'application de ces méthodes nécessite en général la mesure échantillonnée de la puissance par acquisition du voltage et du courant. These methods are referred to by the acronym MPPT (Maximum Power Point Tracking). The application of these methods generally requires the sampled measurement of the power by acquisition of voltage and current.
Un cas particulier d'application est la charge d'une batterie à partir d'une source photovoltaïque, ce qui ressort du domaine de l'invention. A particular case of application is the charging of a battery from a photovoltaic source, which is within the scope of the invention.
Selon les méthodes les plus usuelles, on s'efforce d'alimenter la batterie en charge avec un voltage sensiblement constant et supérieur à celui de la batterie. According to the most usual methods, efforts are made to supply the battery under load with a voltage that is substantially constant and greater than that of the battery.
Dans le cas d'une source photovoltaïque, la stabilisation de ce voltage ajoute à la complexité du processus MPPT. In the case of a photovoltaic source, the stabilization of this voltage adds to the complexity of the MPPT process.
La demande de brevet 04 03012 du 23 Mars 2004, publiée sous le numéro FR2868218, décrit une méthode de charge par impulsions qui consiste à charger un condensateur intermédiaire de stockage, à détecter le franchissement d'un seuil de voltage prédéterminé - supérieur au voltage de la batterie - aux bornes de ce condensateur et à décharger ledit condensateur vers la batterie à cet instant précis. The patent application 04 03012 of March 23, 2004, published under the number FR2868218, describes a pulse charging method which consists of charging an intermediate storage capacitor, to detect the crossing of a predetermined voltage threshold - greater than the voltage of the battery - at the terminals of this capacitor and to discharge said capacitor to the battery at this precise moment.
Selon la description fournie dans cette demande de brevet, un étage d'entrée du chargeur convertit le courant électrique fourni par une source de courant continu sous forme d'impulsions de haut voltage assurent la charge progressive dudit condensateur de stockage. According to the description provided in this patent application, an input stage of the charger converts the electric current supplied by a DC source in the form of high voltage pulses ensure the progressive charging of said storage capacitor.
Un tel chargeur assure donc déjà par son principe un fonctionnement peu sensible aux fluctuations de tension de la source. Comme il est déjà décrit à titre d'exemple dans le document FR2868218, ceci compense déjà en grande partie les fluctuations propres à une source complexe. Such a charger thus already ensures by its principle operation insensitive to voltage fluctuations of the source. As already described by way of example in the document FR2868218, this already largely offsets the fluctuations specific to a complex source.
Le but de la présente invention est de proposer un perfectionnement du procédé de charge divulgué dans le document FR2868218 précité, spécifique à une source complexe, comportant au moins un ajustement automatique du type MPPT. The object of the present invention is to provide an improvement of the charging method disclosed in the aforementioned document FR2868218, specific to a complex source, comprising at least one automatic adjustment of the MPPT type.
Cet objectif est atteint avec un procédé pour charger une batterie à partir d'une source de courant continu complexe, comportant des séquences cycliques comprenant chacune: - une charge progressive d'un condensateur de stockage à partir d'impulsions de tension générées depuis un étage d'entrée en aval de ladite source, selon un rapport cyclique, -une détection d'un seuil de franchissement d'une tension prédéterminée aux bornes dudit condensateur de stockage, commandant: - une décharge dudit condensateur de stockage dans la batterie. This object is achieved with a method for charging a battery from a complex DC source, having cyclic sequences each comprising: - a progressive charge of a storage capacitor from voltage pulses generated from a stage input downstream of said source, in a duty cycle, -a detection of a threshold crossing a predetermined voltage across said storage capacitor, controlling: - a discharge of said storage capacitor in the battery.
Suivant l'invention, le procédé comprend en outre une poursuite (tracking) d'un point de fonctionnement à puissance maximum (MPP) de ladite source, comportant: - une mesure indirecte de la puissance consommée à partir d'une mesure du temps de charge du condensateur de stockage, et - une modulation du rapport cyclique dudit étage d'entrée, en fonction de la mesure indirecte de puissance consommée. According to the invention, the method further comprises a tracking (tracking) of a maximum power operating point (MPP) of said source, comprising: an indirect measurement of the power consumed from a measurement of the time of charging of the storage capacitor, and - a modulation of the duty cycle of said input stage, as a function of the indirect measurement of power consumed.
Lorsque le procédé selon l'invention est mis en oeuvre dans un dispositif de charge dans lequel l'étage d'entrée comprend des moyens de commutation de puissance, la modulation du rapport cyclique peut avantageusement implémenter une technique dite de perturbation dans laquelle un incrément de temps constant ATon est ajouté ou retranché à la dernière meilleure valeur connue du temps Ton de commande active dudit transistor de commutation. When the method according to the invention is implemented in a charging device in which the input stage comprises power switching means, the modulation of the duty cycle can advantageously implement a so-called perturbation technique in which an increment of ATon constant time is added or subtracted from the last known best value of the active control time of said switching transistor.
Le procédé selon l'invention peut aussi comprendre une exploitation de la mesure indirecte de puissance consommée pour gérer une valeur butée de sécurité pour ladite puissance consommée. The method according to the invention may also include an exploitation of the indirect measure of power consumed to manage a safety stop value for said power consumed.
On peut aussi prévoir que le procédé selon l'invention comprenne en outre un test de conditions extérieures, notamment de limite thermique ou de pleine charge de la batterie, conduisant à une commande de modulation du rapport cyclique de façon à réduire ou limiter la puissance consommée. It can also be provided that the method according to the invention further comprises a test of external conditions, in particular of thermal limit or of full charge of the battery, leading to a modulation control of the duty cycle so as to reduce or limit the power consumed. .
Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un dispositif pour charger une batterie à partir d'une source de courant continu complexe, mettant en oeuvre le procédé selon l'invention, comprenant: - des moyens pour charger progressivement un condensateur de stockage à partir d'impulsions de tension générées depuis un étage d'entrée en val de ladite source, selon un rapport cyclique, - des moyens pour détecter un seuil de franchissement d'une tension prédéterminée aux bornes dudit condensateur de stockage, et - des moyens pour décharger ledit condensateur de stockage dans la batterie, commandés par lesdits moyens de détection. According to another aspect of the invention, there is provided a device for charging a battery from a complex DC source, implementing the method according to the invention, comprising: - means for progressively charging a capacitor of storing from voltage pulses generated from an input stage in val of said source, in a duty cycle, means for detecting a threshold for crossing a predetermined voltage across said storage capacitor, and means for discharging said storage capacitor into the battery, controlled by said detecting means.
Suivant l'invention, le dispositif de charge comprend en outre des moyens pour suivre un point de fonction à puissance maximum (MPP) de ladite source, comportant - des moyens pour fournir une mesure indirecte de la puissance consommée à partir d'une mesure du temps de charge du condensateur de stockage, et - des moyens pour moduler le rapport cyclique dudit étage d'entrée en fonction de la mesure indirecte de puissance consommée. According to the invention, the charging device further comprises means for tracking a maximum power function point (MPP) of said source, comprising - means for providing an indirect measurement of the power consumed from a measurement of the charge capacitor storage time, and - means for modulating the duty cycle of said input stage as a function of the indirect measurement of power consumed.
On démontrera dans le suite que le procédé selon l'invention peut être implémenté à très peu de frais en conservant le schéma du base du chargeur où: - on utilise la mesure de son temps de précharge comme mesure indirecte de la puissance consommée, - on module le rapport cyclique de l'étage d'entrée convertisseur pour s'ajuster continuellement au MPP de la source. It will be demonstrated in the following that the method according to the invention can be implemented at very little cost by keeping the diagram of the base of the charger where: - the measurement of its precharging time is used as an indirect measure of the power consumed, - modulates the duty cycle of the converter input stage to continually adjust to the MPP of the source.
La modulation du rapport cyclique dite PWM (Pulse Width Modulation) n'est pas nouvelle en soi et est déjà utilisées en régulation dans toutes sortes de dispositifs tels que les alimentations électriques stabilisées dites à découpage . Pulse Width Modulation (PWM) modulation is not new in itself and is already used in regulation in all sorts of devices such as the so-called switching power supplies.
La nouveauté vient de l'association de la méthode de charge de batterie divulguée dans le document FR2868218, déjà tolérante en soi aux fluctuations de la source, avec: - une mesure indirecte de la puissance consommée par le temps de cycle, - un algorithme de suivi de la puissance optimum par modulation (PWM) du convertisseur d'entrée. The novelty comes from the combination of the battery charging method disclosed in the document FR2868218, already tolerant in itself to the fluctuations of the source, with: an indirect measurement of the power consumed by the cycle time, an algorithm of followed by the optimum power by modulation (PWM) of the input converter.
Ceci ne nécessite aucun moyen matériel supplémentaire dès l'instant le chargeur comporte un microcontrôleur en tant qu'unité de contrôle/commande. This requires no additional hardware means from the moment the charger has a microcontroller as control unit / control.
Le résultat est un chargeur universel de faible coût, fonctionnel dans une plage de fonctionnement plus large que la plupart des chargeurs connus, et comportant au moins un mode de fonctionnement: - spécifiquement adapté à une source complexe telle que photovoltaïque, 5 - largement insensible aux fluctuations de cette source, et - captant à tout instant un maximum de sa puissance (fonction MPPT), - comportant une fonction optionnelle de limitation de la puissance. La description d'un mode de réalisation préféré de l'invention s'appuiera sur le cas d'une source photovoltaïque (d'acronyme PV) qui est un bon exemple d'une source complexe. The result is a universal charger of low cost, functional in a wider operating range than most known chargers, and comprising at least one mode of operation: - specifically adapted to a complex source such as photovoltaic, 5 - largely insensitive to fluctuations of this source, and - sensing at all times a maximum of its power (MPPT function), - including an optional function of power limitation. The description of a preferred embodiment of the invention will be based on the case of a photovoltaic source (PV acronym) which is a good example of a complex source.
- La Figure 1 est un rappel sous forme de courbes types des caractéristiques connues d'une source photovoltaïque. - Figure 1 is a reminder in the form of typical curves of the known characteristics of a photovoltaic source.
- La Figure 20 est un schéma bloc complet d'un chargeur selon l'invention, agencé sous contrôle d'un microcontrôleur. - Figure 20 is a block diagram of a charger according to the invention, arranged under control of a microcontroller.
- La Figure 3 illustre un cycle de charge et décharge du condensateur de stockage caractéristique divulgué dans le document FR2868218 et dans la présente invention. FIG. 3 illustrates a characteristic storage capacitor charge and discharge cycle disclosed in FR2868218 and in the present invention.
- La Figure 4 est un organigramme de principe du logiciel intégrant dans le pilotage du chargeur une fonction MPPT. - Figure 4 is a block diagram of the software integrating into the control of the charger MPPT function.
En référence à la Figure 1, on représente habituellement le comportement d'une source PV à flux lumineux par une courbe dite IV (intensité x voltage) dont la forme typique est donnée par le diagramme la. With reference to FIG. 1, the behavior of a PV source with luminous flux is usually represented by a so-called IV (intensity x voltage) curve whose typical shape is given by the diagram 1a.
Aux points de fonctionnement extrêmes: - lorsque le circuit PV est ouvert l'intensité est nulle et le voltage est 25 maximum: la puissance P = I x V est donc nulle; - lorsque l'on ferme le circuit du PV en court-circuit l'intensité est maximum mais sous une tension nulle: la puissance est nulle également Entre ces valeurs extrêmes le PV se comporte en gros comme une source à courant constant, jusqu'à une inflexion. En un point particulier situé après cette 30 inflexion dans le sens des courants croissants la puissance P = I x V passe par un maximum, qui est par définition le MPP. At extreme operating points: when the PV circuit is open the intensity is zero and the voltage is maximum: the power P = I x V is therefore zero; - when closing the circuit of the short-circuited PV the intensity is maximum but under a zero voltage: the power is zero also Between these extreme values the PV behaves roughly like a constant current source, up to an inflection. At a particular point after this inflection in the direction of the increasing currents the power P = I x V passes through a maximum, which is by definition the MPP.
On caractérise un PV donné par une famille de telles courbes (diagramme lb) avec comme paramètre le flux lumineux. On obtient une famille de points MPP qui décrit précisément dans quelles conditions on tirera une puissance maximum 35 selon les fluctuations du flux lumineux (en pratique, selon l'ensoleillement.) Le processus d'optimisation dit MMPT consiste à présenter au PV source une impédance de charge variable, asservie dynamiquement pour rester au plus près du MPP; ceci est représenté par le diagramme lc. A given PV is characterized by a family of such curves (diagram lb) with the luminous flux as parameter. A family of MPP points is obtained which describes precisely under which conditions a maximum power will be obtained according to the fluctuations of the luminous flux (in practice, according to the sunlight.) The optimization process called MMPT consists in presenting to the source PV an impedance variable load, dynamically controlled to stay closer to the MPP; this is represented by the diagram lc.
S'agissant d'un asservissement au sens de l'automatisme, les méthodes 5 MMPT doivent tenir compte de ce que la valeur de consigne MPP n'est pas une constante et n'est pas sous contrôle. As a servo in the sense of automation, MMPT methods must take into account that the MPP setpoint is not a constant and is not under control.
Diverses stratégies connues sont utilisées dans les régulateurs de charge existants, dont la plus performante dite à perturbation consiste à effectuer de petites variations de l'impédance, et: - rester sur l'impédance courante si la puissance reste essentiellement stable, -sinon, modifier l'impédance dans le sens qui fait croître la puissance. On doit pour ce faire disposer: - de moyens de mesure des variations de la puissance instantanée, - de moyens de moduler l'impédance de la charge. Various known strategies are used in existing charge controllers, the best-performing of which is known as perturbation is to make small variations of the impedance, and: - to stay on the current impedance if the power remains essentially stable, - if not, modify the impedance in the sense that makes the power grow. To do this, it is necessary to have: means for measuring the variations of the instantaneous power; means for modulating the impedance of the load.
En référence à la Figure 2, ce schéma reproduit fidèlement l'architecture générale d'un chargeur de batterie telle que décrite dans le document FR2868218 (Figure 1). Referring to Figure 2, this diagram faithfully reproduces the general architecture of a battery charger as described in FR2868218 (Figure 1).
La source est un PV 200. Le condensateur 201 de forte capacité effectue un filtrage, c'est-à-dire un lissage de la tension fournie par le PV 20 pour s'affranchir de fluctuations de très courte durée, qui comme l'on sait seraient nuisibles à la stabilité d'asservissement. The source is a PV 200. The capacitor 201 of high capacity performs a filtering, that is to say a smoothing of the voltage provided by the PV 20 to overcome fluctuations of very short duration, which as one know would be detrimental to servo stability.
La bobine d'induction 202, alimentée à partir du condensateur de filtrage 201, est en série avec un transistor de commutation 203 piloté par un signal de commande 204 du type à modulation de largeur d'impulsion (PWM). Ce signal tout ou rien est à période Tp prédéterminée, et actif (transistor passant) pendant un temps Ton < Tp. The induction coil 202, fed from the filtering capacitor 201, is in series with a switching transistor 203 driven by a pulse width modulated (PWM) type control signal 204. This all-or-nothing signal is at a predetermined time Tp, and active (transistor passing) for a time Ton <Tp.
On appelle le rapport (Ton / Tp) le rapport cyclique (duty cycle en anglais). Moyennée dans le temps, l'application d'un rapport cyclique variable constitue de manière connue l'équivalent d'une modulation de l'impédance de charge du PV 200 combiné avec le condensateur de filtrage 201. The report (Ton / Tp) is called the duty cycle. When averaged over time, the application of a variable duty cycle constitutes, in a known manner, the equivalent of a modulation of the load impedance of the PV 200 combined with the filtering capacitor 201.
On dispose donc par la modulation de Ton d'un moyen de commande de la dite impédance de charge. The modulation of Ton is thus provided with means for controlling said load impedance.
Les impulsions de haute tension, obtenues à la jonction de la bobine 202 et du transistor 203 en réaction après sa coupure par le signal de commande 204, sont injectées vers un condensateur de stockage 205 via une diode 206. La charge énergétique de ce condensateur croît progressivement à chaque cycle du signal 203; ceci se traduit par une tension croissante aux bornes du dit condensateur. The high-voltage pulses, obtained at the junction of the coil 202 and the transistor 203 in response after it has been cut off by the control signal 204, are injected to a storage capacitor 205 via a diode 206. The energy charge of this capacitor increases. progressively with each cycle of the signal 203; this results in an increasing voltage across said capacitor.
Un second transistor 207 est agencé pour commuter le condensateur 205 vers la batterie sous contrôle d'un signal de commande 208. A second transistor 207 is arranged to switch the capacitor 205 to the battery under control of a control signal 208.
Le pilotage des signaux de commande 204 et 208 est assuré par une unité de contrôle 209, qui sera préférentiellement réalisée sous forme d'un microcontrôleur programmable. The control signals 204 and 208 are controlled by a control unit 209, which will preferably be implemented in the form of a programmable microcontroller.
Pour alléger la description on n'a pas représenté l'alimentation électrique de l'unité de contrôle 209, qui se réalisera: - soit à partir du PV 200 via un régulateur, - soit à partir de la batterie en charge, via une alimentation galvaniquement 10 isolée de tout type connu, - soit à partir d'une source auxiliaire telle qu'une pile électrique. To lighten the description, it has not shown the power supply of the control unit 209, which will be realized: - either from the PV 200 via a regulator, - or from the battery in charge, via a power supply galvanically isolated from any known type, either from an auxiliary source such as an electric battery.
Le choix de l'un ou l'autre mode d'alimentation est sans incidence sur l'invention. Ce choix relève purement de l'ingénierie de conception. The choice of one or the other mode of supply does not affect the invention. This choice is purely engineering design.
L'unité de contrôle 209 comporte entre autres: - un générateur PWM 210 qui via un amplificateur 211 fournit le signal de commande 204, - un port de sortie 212 qui via un amplificateur 213 fournit le signal de commande 207, - un comparateur 214 qui est utilisé pour détecter le franchissement d'un seuil de tension prédéterminé aux bornes du condensateur de stockage 205. The control unit 209 comprises inter alia: a PWM generator 210 which via an amplifier 211 supplies the control signal 204, an output port 212 which via an amplifier 213 supplies the control signal 207, a comparator 214 which is used to detect the crossing of a predetermined voltage threshold across the storage capacitor 205.
L'entrée de référence ( - ) du comparateur 214 est reliée à une référence de tension Vref 215, qui peut, comme dans le document FR2868218, être constituée par un pont de résistances, ou par une diode Zener en série avec un forte résistance. The reference input (-) of the comparator 214 is connected to a voltage reference Vref 215, which can, as in the document FR2868218, be constituted by a resistor bridge, or by a Zener diode in series with a high resistance.
L'entrée variable ( + ) du comparateur 211 est connectée à un pont de résistances (216, 217) qui présente une tension proportionnelle à celle du condensateur de stockage 205. The variable input (+) of the comparator 211 is connected to a resistor bridge (216, 217) which has a voltage proportional to that of the storage capacitor 205.
Pour la réalisation concrète d'un chargeur selon l'invention, de capacité typique 10 watt à partir d'un panneau solaire usuel vers une batterie quelconque de tension nominale 12 Volt, voici à titre indicatif une liste de composants électroniques qui permettent d'assembler ce chargeur: numéro fonction type Valeur(s) ou (Figure 2) référence Panneau solaire Nominal 12 V 10 Watt 201 Condensateur de polarisé 330 pF 25 V filtrage 202 Bobine Sur tore de ferrite 125 pH, 5 A 203 Commutation PWM Transistor MOSFET BUZ100 205 Condensateur de polarisé 100 pF 60 V stockage 206 Commutation de Transistor MOSFET BUZ100 décharge 207 Diode schottky 8QT100 209 Unité de contrôle microcontrôleur PIC16F684 (Microchip) 211 Amplificateur Driver de MOSFET TC4420 (Microchip) 213 Amplificateur Driver de MOSFET TC4420 (Microchip) 215 Référence de tension Diode zener 2,4 V 216 Diviseur de tension Résistance 10 kQ 217 Diviseur de tension Résistance 100 kQ En référence à la Figure 3, le chargeur fonctionne en conformité avec les enseignements du document FR2868218. For the practical embodiment of a charger according to the invention, with a typical capacity of 10 watts from a conventional solar panel to any battery with a nominal voltage of 12 volts, here is an indication of a list of electronic components that can be used to assemble this charger: function number type Value (s) or (Figure 2) reference Solar panel Nominal 12 V 10 Watt 201 Polarized capacitor 330 pF 25 V filtering 202 Coil On ferrite core 125 pH, 5 A 203 PWM switching BUZ100 MOSFET transistor 205 Polarization capacitor 100 pF 60 V storage 206 Transistor MOSFET switching BUZ100 discharge 207 Schottky diode 8QT100 209 Microcontroller control unit PIC16F684 (Microchip) 211 TC4420 MOSFET driver amplifier (Microchip) 213 TC4420 MOSFET driver amplifier (Microchip) 215 Voltage reference Zener diode 2.4 V 216 Voltage divider Resistance 10 kΩ 217 Voltage divider Resistance 100 kQ Referring to Figure 3, the charger operates in accordance with the teachings of FR2868218.
Le générateur PWM commande le découpage (switching) du courant d'entrée et la charge progressive (step charging) du condensateur de stockage. The PWM generator controls the switching (switching) of the input current and the step charging of the storage capacitor.
Dès que l'unité de contrôle détecte grâce au comparateur (214) le franchissement de la tension seuil prédéterminée Vth (th comme threshold en anglais) grâce au comparateur, elle délivre un signal calibré (port 212) pour la décharge du condensateur de stockage dans la batterie. As soon as the control unit detects, thanks to the comparator (214), the crossing of the predetermined threshold voltage Vth (th as threshold in English) thanks to the comparator, it delivers a calibrated signal (port 212) for the discharge of the storage capacitor in drums.
C'est ce mécanisme qui constitue la fonction de charge de batterie proprement dite. Il se traduit par une courbe de la tension aux bornes du condensateur de stockage en fonction du temps en forme de dent de scie, comportant une pente de croissance progressive 301 et une brève décharge 302. It is this mechanism that constitutes the actual battery charging function. It results in a curve of the voltage at the terminals of the storage capacitor as a function of time in the form of sawtooth, having a gradual growth slope 301 and a short discharge 302.
la durée T de la charge progressive (301), depuis la tension de batterie Vbat jusqu'au franchissement du seuil Vth sera appelée dans la suite temps de précharge. the duration T of the progressive charge (301), from the battery voltage Vbat to the crossing of the threshold Vth will be called in the following preload time.
On observe que l'énergie transférée à chaque précharge est sensiblement constante: E:=(1/2xCxVth2)-(1/2xCxVbat2) où C est la capacité du condensateur de stockage. A court terme, la tension de batterie varie très peu. It is observed that the energy transferred to each precharge is substantially constant: E: = (1 / 2xCxVth2) - (1 / 2xCxVbat2) where C is the capacitance of the storage capacitor. In the short term, the battery voltage varies very little.
Il s'ensuit que la mesure du temps du précharge T constitue une mesure 5 échantillonnée indirecte de la puissance P traversant le chargeur à un instant donné, puisque par définition la puissance varie en raison inverse: P= E/T L'échantillonnage du temps de précharge T constitue selon l'invention l'unique moyen de mesure des variations de la puissance instantanée dont on ait besoin pour un asservissement MPPT. It follows that the measurement of the precharge time T constitutes an indirect sampled measurement of the power P passing through the charger at a given moment, since by definition the power varies inversely: P = E / T Sampling of time The precharging device T constitutes, according to the invention, the only means for measuring the variations of the instantaneous power required for MPPT control.
C'est une caractéristique essentielle de l'invention de n'utiliser que cet unique moyen de mesure indirecte de la puissance. Ceci a l'avantage d'être gratuit dans la mesure où tout microcontrôleur actuel intègre au moins une fonction de mesure des intervalles de temps (fonction timer, en anglais). It is an essential feature of the invention to use only this unique means of indirect power measurement. This has the advantage of being free as long as any current microcontroller integrates at least one function of measurement of the time intervals (timer function, in English).
En combinaison avec les avantages déjà connus de flexibilité du chargeur par impulsions, cette nouveauté annule et remplace les dispositifs matériels de mesure de courant et de tension nécessaires à la plupart des procédés MPPT actuels. In combination with the already known advantages of pulse charger flexibility, this new feature cancels and replaces the current and voltage measurement devices required for most current MPPT processes.
En résumé le processus MPPT d'asservissement à la puissance optimum est réalisé en utilisant: - l'échantillonnage du temps de précharge comme moyen de mesure indirecte de la puissance traversante à un instant donné, - la variation du rapport cyclique (PWM) du signal de hachage comme moyen de commande de l'impédance d'entrée moyenne du chargeur. In summary, the optimal power servo MPPT process is realized by using: - the sampling of the precharge time as a means of indirect measurement of the power through at a given time, - the variation of the duty cycle (PWM) of the signal hash as a means of controlling the average input impedance of the charger.
En référence à la Figure 4, le schéma de programme (algorithme) décrit ici à titre d'exemple n'est pas limitatif. Il est inspiré de méthodes connues dites par perturbation . With reference to FIG. 4, the program diagram (algorithm) described here by way of example is not limiting. It is inspired by known methods known as perturbation.
Dans la mesure où il utilise les mêmes moyens caractéristiques décrits cidessus, tout autre schéma de programme ayant une fonctionnalité équivalente peut être utilisé sans sortir du domaine de l'invention. Insofar as it uses the same characteristic means described above, any other program scheme having equivalent functionality can be used without departing from the scope of the invention.
On utilise avantageusement dans cette version simple un incrément de temps constant tTon qui viendra s'ajouter ou se retrancher à la dernière meilleure valeur connue du temps Ton de commande active du transistor de commutation (203). Advantageously, in this simple version, a constant time increment tTon is used which will be added to or subtracted from the last known best value of the active control time of the switching transistor (203).
Le programme effectue après initialisation une boucle à trois étapes de production - autant de grands cycles - suivies d'une étape de test et d'une étape conditionnelle de correction. The program performs, after initialization, a loop with three production steps - as many large cycles - followed by a test step and a conditional correction step.
A chaque étape on règle le générateur PWM et l'on relève sous la forme 5 indirecte d'un comptage de temps la puissance ayant traversé le chargeur, pendant la précharge suivante. At each step the PWM generator is set and the power passed through the charger during the next preload is read indirectly as a time count.
Comme décrit ci-dessus en référence à la Figure 3, on rappelle que la puissance est inversement proportionnelle au temps de précharge. As described above with reference to Figure 3, it is recalled that the power is inversely proportional to the precharge time.
A l'étape 401 on règle le rapport cyclique PWM avec Ton-ATon, puis on 10 relève le délai de précharge: Tl. In step 401 the duty cycle PWM is set with Ton-ATon, then the precharging time is set: Tl.
A l'étape 402 on règle le rapport cyclique PWM avec Ton, puis on relève le précharge: T2. At step 402 the duty cycle PWM is set with Ton, then the precharge is read: T2.
A l'étape 403 on règle le rapport cyclique PWM avec Ton+ATon, puis on relève le délai de précharge: T3. In step 403, the duty cycle PWM is adjusted with Ton + ATon, then the precharging delay is measured: T3.
En fin de cette séquence (étape 404), on teste en valeur absolue les différences (T2-T1) et (T2-T3) par rapport à une valeur numérique prédéterminée H (H comme: hystérésis.) Si ces deux valeurs sont inférieures à H, autrement dit si la puissance varie très peu, on recommence la boucle sans modifier Ton. Ceci constitue une précaution connue contre les instabilités d'asservissement. At the end of this sequence (step 404), the differences (T2-T1) and (T2-T3) are tested in absolute value with respect to a predetermined numerical value H (H as: hysteresis.) If these two values are less than H, in other words if the power varies very little, the loop is repeated without modifying Ton. This is a known precaution against servo instabilities.
Dans le cas contraire (étape 405), l'une et une seule des deux différences est positive - voir courbes à la Figure 1 - et va décider dans quel sens on gagnera de la puissance en modifiant d'un incrément la valeur centrale Ton. In the opposite case (step 405), one and only one of the two differences is positive - see curves in FIG. 1 - and will decide in which direction one will gain power by modifying by an increment the central value Ton.
On effectue donc à cette étape la correction: - si (T2-T1) > 0 alors Ton F- Ton-ATon; il faut réduire le rapport cyclique - si (T3-T1) > 0 alors Ton F- Ton+ATon; il faut augmenter le rapport cyclique puis l'on retourne dans la boucle à l'étape 401. At this step, therefore, the correction is made: if (T2-T1)> 0 then Ton F-Ton-ATon; it is necessary to reduce the duty cycle - if (T3-T1)> 0 then Ton F- Ton + ATon; it is necessary to increase the duty cycle and then return to the loop in step 401.
On notera que si l'on est au voisinage du MPP la boucle ne produit que de petites variations complémentaires et alternées du rapport cyclique autour d'une valeur centrale Ton qui reste stable. L'impédance moyenne d'entrée reste donc 30 sensiblement constante, notamment du fait que le condensateur de filtrage 201 joue son rôle de lissage. It will be noted that if one is in the vicinity of the MPP the loop produces only small complementary and alternating variations of the duty cycle around a central value Ton which remains stable. The average input impedance therefore remains substantially constant, especially since the filter capacitor 201 plays its smoothing role.
Ainsi est réalisée la fonction de poursuite (tracking) de la puissance maximale. Thus the tracking function of the maximum power is realized.
On voit qu'avantageusement l'asservissement décrit n'utilise qu'une 35 arithmétique très élémentaire, et donc se prête bien à la simplicité de programmation et à l'exécution très rapide sur un microcontrôleur bon marché du type RISC. It can be seen that, advantageously, the servocontrol described uses only very basic arithmetic, and therefore lends itself well to simplicity of programming and very fast execution on a cheap microcontroller of the RISC type.
- 10 - Selon une autre caractéristique de l'invention, on peut également à titre d'option utiliser l'information indirecte de puissance pour gérer une valeur butée de sécurité, qui va limiter la puissance traversant le chargeur à une valeur supérieure prédéterminée. According to another characteristic of the invention, it is also possible, as an option, to use the indirect power information to manage a safety stop value, which will limit the power passing through the charger to a predetermined higher value.
Afin de rendre claire la fonction principale d'asservissement, on n'a pas représenté les précautions et dispositifs de confort d'exploitation dont tout homme de l'art identifiera l'utilité éventuelle, et qui viendront s'insérer dans le programme. In order to make clear the main function of enslavement, it has not shown the precautions and operating comfort devices that any person skilled in the art will identify the potential utility, and which will become part of the program.
Notamment, des tests de conditions extérieure telles qu'une alarme thermique ou la détection d'état de pleine charge de la batterie peuvent être pris en compte pour réduire la puissance (faible durée ou blocage des impulsions PWM) en prévention d'une élévation de température ou d'une surcharge qui endommageraient cette batterie. In particular, tests of external conditions such as a thermal alarm or the detection of full charge state of the battery can be taken into account in order to reduce the power (short duration or PWM pulse blocking) in order to prevent a rise in power. temperature or overload that would damage this battery.
L'unité de contrôle peut également être prévue pour commander des témoins lumineux, des alarmes sonores, un affichage etc. pour le confort de l'utilisateur (état de fonctionnement, anomalies...) L'ajout de telles fonctions usuelles de protection ou de confort d'exploitation ne fait pas sortir du domaine de l'invention. The control unit can also be provided to control lights, audible alarms, display etc. for the comfort of the user (operating state, anomalies, etc.) The addition of such usual protection or operating comfort functions does not make it outside the scope of the invention.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. Of course, the invention is not limited to the examples that have just been described and many adjustments can be made to these examples without departing from the scope of the invention.
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