Conception du régulateur de charge
II.4 Etapes de charge d’un contrôleur de charge
II.4.3 Etape d'entretien (Float)
Quand une batterie est complètement chargée, le fait de descendre au niveau de float vas donner un taux de charge de maintenance très faible tout en réduisant le chauffage et le dégagement de gaz d'une batterie complètement chargée. Lorsque la batterie est complètement rechargée, il ne peut plus y avoir de réactions chimiques et tout le courant de charge est transformé en chaleur et en gazage. Le flotteur a pour but de protéger la batterie contre les surcharges à long terme. Après la phase d'absorption, la tension est abaissée jusqu'au niveau de maintenance (float level). Ceci est généralement (entre 13,4 et 13,7 Volts) pour une batterie 12V et les batteries consomment un petit courant d’entretien jusqu’au cycle suivant[14].
Figure II.2 : Relation entre le courant et la tension pendant les 3 phases du cycle de charge
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II.5 Convertisseurs DC/DC
Un convertisseur statique continu/continu (DC/DC) ou hacheur est un circuit électrique qui nous permet d’obtenir à partir d’une source de tension continue fixe, une source de tension continue de valeur moyenne réglable de plus forte ou faible valeur (élévateur ou abaisseur de tension). Il est essentiellement constitué d’interrupteurs de puissance (transistors, diodes, …) et de composants passifs (inductances, condensateurs...).Ce dernier agit en hachant le courant du circuit de charge, par la commutation ouverture-fermeture, périodique d’un interrupteur unidirectionnel [15].
Il y a plusieurs topologies des convertisseurs DC/DC. Ils sont classés par catégorie selon que la topologie est isolée ou non isolée. Les topologies isolées emploient un transformateur d’isolement fonctionnant à haute fréquence, elles sont très employées souvent dans les alimentations à découpage. Les topologies les plus connues dans la majorité des applications sont le Flyback, en demi-pont et en pont complet. Dans les applications photovoltaïques (PV), les systèmes de couplage avec le réseau électrique emploient souvent ces types de topologies quand l'isolement électrique est préféré pour des raisons de sûreté. Les topologies non isolées ne comportent pas de transformateurs d’isolement. Elles sont généralement utilisées dans l’entrainement des moteurs à courant continu. Ces topologies sont encore classées en trois catégories :
• Abaisseurs (Buck). • Élévateurs (Boost).
• Abaisseurs-Élévateurs (Buck-Boost).
La topologie Buck est employée pour les faibles tensions. Dans les applications PV, le convertisseur Buck est habituellement employé comme chargeur de batteries et dans des systèmes de pompage de l’eau.
La topologie Boost est employée pour augmenter la tension. Les systèmes de production de l’énergie emploient un convertisseur Boost pour augmenter la tension de sortie au niveau du service avant l'étage de l’onduleur.
Puis, il y a des topologies capables d’augmenter et de diminuer la tension telles que le Buck-Boost [16].
Nous avons choisis un hacheur série (convertisseur Buck) pour notre étude. Le convertisseur de type Buck est un convertisseur statique abaisseur qui permet de transformer une tension continue fixe à une tension plus faible réglable par l’utilisateur, il est constitué d'un interrupteur bicommandable de puissance, d'une diode, d'une inductance et d'un condensateur [17], comme montre dans la figure suivante :
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Le principe fonctionnement du convertisseur est basé sur la fermeture et l'ouverture de l’interrupteur. L’interrupteur K se ferme et s’ouvre pendant une période T. Le signal de commande d’interrupteur est représenté dans la figure (II.4).
Figure II.4 : Forme d’onde du signale de commande d’interrupteur.
Le rapport cyclique α : est défini comme étant le rapport entre la durée de conduction de l’interrupteur K et la période de commutation T :
α = Ton
T (II.1)
Cette interrupteur est fermé pendant l’intervalle (0, αT) : la diode est bloquée, la source primaire fournit de l’énergie à l’inductance L et à la résistance R. Et est ouvert de αT à T : la diode est passante et assure la continuité du courant et la décharge de L.
➢ Première séquence (0 ≤ t ≤ αT)
A t=0 on ferme l’interrupteur K, la diode D est bloquée. Le schéma équivalent du circuit est le suivant :
Figure II.5 : Schéma équivalent pendant (0 ≤ t ≤ αT).
Dans cette phase, la variation du courant dans l’inductance est donne par l’équation suivante :
ve(t) = vL(t) + vK(t) + vs(t) (II.2)
Dans le cas d’un interrupteur idéal on a :
vK(t) =0 ⇒ ve(t)= vL(t) +vs(t) (II.3)
⇒ vL(t) = L diL(t)
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A partir de la solution de l’équation du premier ordre, nous obtenons : iL(t) = Ve−Vs
L t + ILmin (II.5)
Courant minimal : iL(0) = ILmin
Pour t = α.T :
iL(α.T) =Ve−Vs
L (α. T) + ILmin= ILmax (II.6)
Détermination de l’ondulation de courant :
L’ondulation de courant crête à crête ΔILon peut-être déterminée à partir de l’équation (II.6) par l’expression suivante :
ΔILon = ILmax− ILmin=Ve−Vs
L (α. T) (II.7)
➢ Deuxième séquence (αT ≤ t ≤ T)
A l’instant t= αT en ouvre l’interrupteur K et la diode devient conductrice. Le schéma équivalent du circuit est le suivant :
Figure II.6 : Schéma équivalent pendant (αT ≤ t ≤ T)
Dans cette phase, la variation du courant dans l’inductance est donnée par l’équation suivante:
vL(t) + vD(t) + vs(t) = 0 (II.8)
Dans le cas d’un interrupteur idéal on a : vD(t) = 0 vL(t) = − L diL(t)
dt = vs(t) (II.9)
A partir de la solution de l’équation du premier ordre, nous obtenons : iL(t)=−Vs L (t–αT) +A (II.10) Pour t= αT : iL(αT) = iLmax =A Donc : iL(t) = −Vs L (t – αT) +ILmax (II.11) A t = T : IL(T) = −Vs
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Détermination de l’ondulation de courant :
L’ondulation de courant crête à crête ΔILoff peut-être déterminée à partir de l’équation (II.12) par l’expression suivante :
ΔILoff= ILmax− ILmin =Vs
L (1 − α)T (II.13)
Si on considère que le convertisseur est en régime permanent, l’énergie stockée dans chaque composant est la même au début et à la fin de chaque cycle de commutation. Par conséquent, le courant IL traversant l’inductance sera le même au début et à la fin de chaque cycle de commutation. Ce qui peut s’écrire de la façon suivante :
ΔILon + ΔILoff = 0 (II.14)
Soit :
ΔILon + ΔILoff = Ve−Vs
L (α. T) + Vs
L (1 − α)T = 0 (II.15)
Après simplifications, on déduit :
VS = α Ve (II.16)
A partir des équations (II.5) et (II.10) on peut tracer la forme d’onde du courant dans l’inductance en conduction continue donnée dans la figure (II.7).
Figure II.7 : Forme d’onde du courant dans l’inductance en conduction continue. II.6 Batteries d’accumulateurs
L'accumulateur est un dispositif physique qui transforme l'énergie chimique stockée en une énergie électrique par le biais d'une réaction chimique appelée oxydoréduction. Dans ce type de réaction, les électrons se déplacent d'un matériau à un autre à travers un circuit électrique simple. Une batterie d’accumulateurs peut être composée d'une ou plusieurs éléments appelés cellule électrochimique. Une cellule électrochimique est l'élément de base de la batterie d'accumulateurs. Elle est constituée de : deux électrodes (une cathode et une anode), un électrolyte et un séparateur.
La cathode, appelée aussi l'électrode (ou plaque) positive, est le siège de la réaction de réduction (équation II.14). Qui consomme des électrons. Elle est constituée d'un corps oxydant, qui a la possibilité d'attirer des électrons.
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L'anode, appelée aussi l'électrode (ou plaque) négative, est le lieu de la réaction d'oxydation (équation II.15). Elle est constituée d'un corps réducteur qui a la possibilité de céder des électrons.
Réducteur → Oxydant + ne− (II.18)
L'électrolyte est le milieu ionique conducteur dans lequel la cathode et l'anode baignent. La réaction entre la solution et les deux électrodes est à l'origine du déplacement des électrons et des ions dans le milieu ionique. Le déplacement de la charge électrique dans l'électrolyte est assuré par les ions. Les ions négatifs se déplacent en sens inverse du courant, et les ions positifs circulent dans le sens du courant.
Le séparateur est un isolant qui permet de séparer les deux électrodes pour éviter un court-circuit et le risque de surchauffe, tout en laissant le passage des ions positifs et négatifs dans le milieu ionique.
La réaction d'oxydoréduction se divise en deux parties : une oxydation et une réduction. La combinaison d'un corps chimique avec un ou plusieurs atomes d'oxygène est appelée oxydation. Donc, l'oxydation est le gain d'oxygène. Par contre la réaction de réduction est la perte d'oxygène. En général dans une réaction oxydoréduction, le réducteur est l'élément qui perd un ou plusieurs électrons. L'oxydant est l'élément qui gagne un ou plusieurs électrons [18].