Chargeur panneau photovoltaïque NiMh 7.2V 3500mAh

[invite65c46d3d]

Bonjour à tous !

Nous sommes un groupe de 4 étudiants actuellement en 4ème année d'école spécialisée en électronique et en informatique.

Nous travaillons actuellement sur un projet de chargeur solaire : l'idée est de récupérer l'énergie d'un panneau photovoltaïque (http://www.solar-kit.com/epages/6203...ycristallin-5w), de la transférer dans une batterie NiMh 7.2V 3500mAh (http://www.speed-rc.com/A-54097-accu...se-tamiya.aspx) puis recharger des appareils électroniques en 5V à travers un µ-USB.

Donc notre panneau solaire délivre une tension variable pouvant aller jusqu'à 21V qu'il faut réguler afin de recharger la batterie. Pour ce faire nous avons choisi d'implémenter un algorithme MPPT dans un µ-controleur (arduino uno atmega 328) qui nous permettra de contrôler un régulateur de type SEPIC.
Pour la décharge de la batterie en 5V nous avons fait simple pour l'instant : 2 LM78S05 en parallèle (surchauffe si un seul).

Pour l'instant l'algorithme MPPT est opérationnel.

En revanche, après 2 à 3 mois de recherches et d'essais nous n'avons toujours pas réussi à obtenir un SEPIC fonctionnel. Calcul théorique de composants, une cinquantaine de plaquettes d'essai ... rien n'y fait. Et dans notre école, aucun professeur n'est particulièrement spécialisé en électronique de puissance.


C'est pourquoi nous venons vers vous.

Voici une des docs utilisées : http://www.google.fr/url?sa=t&rct=j&...,d.d2k&cad=rja

Peut être que l'un de vous pourra nous aider à avancer et à réaliser ce SEPIC, ou à pointer un oubli.

Merci d'avance.
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[bobflux]

Peux-tu montrer des exemples de ce que tu as déjà fait (schémas, photos...)

Pourquoi un SEPIC, au fait ?

[bobflux]

merde alors, je viens de parcourir le document que tu mets en lien, je cite :

"De part la complexité de ce hacheur, et le manque de littérature sur celui-ci, nous ne l’étudierons
pas phase par phase. Nous utiliserons seulement les équations finales permettant de dimensionner
les éléments du convertisseur."

Comment ils veulent que tu comprennes si, oulala c'est trop compliqué, on va pas t'expliquer...

http://en.wikipedia.org/wiki/Single-...ctor_converter

[vincent66]

Bonjour,
En régime MPPT la tension du panneau sera à environ 16-17 VDC alors en effet pourquoi un SEPIC..?

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitefe83b56b]

Sans parler d'un convertisseur SEPIC, il sert a quoi exactement le 7805 ? C'est indiqué que c'est pour décharger la batterie mais ça ne serait pas plutôt pour alimenter le système en 5V ?
Auquel cas, je pense qu'il y a mieux qu'un vieux régulateur linéaire quand on travaille sur un système embarqué alimenté par batterie + solaire.

[invite65c46d3d]

Le µ-contrôleur et l'algorithme MPPT nous permettra de calculer le duty cycle optimal à renvoyer au FET afin de jouer sur l'impédance de charge vue par le panneau solaire.
Un régulateur SEPIC nous a semblé être la meilleure solution car il permet de rehausser la tension ou de l'abaisser sans inverser la polarité. Il permettra donc une recharge (certes lente) de la batterie même en cas de faible luminosité.
Nous avons essayé avant le SEPIC de câbler des boost, buck et buck-boost. Chaque fois sans réel succés : nous avons réussi à obtenir un boost qui marchait correctement mais nous n'arrivions pas à dimensionner les composants pour avoir la dynamique souhaitée.

Le LM78S05 en sortie de la batterie permet de distribuer une tension de 5V à travers l'USB pour recharger portables et autres appareils. Cette tension de 5V nous permettra également d'alimenter le µ-contrôleur.

@Vincent66 : Pourquoi dis-tu qu'en régime MPPT la tension sera de 16-17 VDC ?
@dualvsta2 : Oui nous sommes d'accord qu'il y a bien mieux qu'un régulateur linéaire pour le rendement, mais vu nos difficultés à dimensionner les autres régulateurs nous avons choisi une solution simple, temporaire nous l'espérons.
@bobfuck : Dans mon premier message j'ai mis une image : c'est un fichier PSIM modifié pour présentation. Ca donne une idée de notre circuit. Après nous avons essayé de réaliser les schémas de régulateur buck, boost, buck-boost et sepic classiques. Je peux toutefois prendre des photos. Qu'aurais-tu besoin de voir ?

Merci pour vos réponses.

[invitefe83b56b]

Bonjour energie83,

Je ne m'avancerai pas sur l'aspect MPPT, je n'y connais rien.
En revanche, concernant ton régulateur 5V, si tu n'a pas de contraintes de cout ou l'obligation de dimensionner un step down, tu peux t'orienter vers ça : http://katalog.we-online.de/en/pm/Ma...714d97#vs_t2:4
Tu n'as rien a faire a par choisir le bon modèle, tout est intégré, y compris le self et les condensateurs.

[invite65c46d3d]

Merci dualvsta2 pour ce conseil de produit. Le régulateur que tu as choisi peut tenir jusqu'à 3A ce qui est très bien étant donné que nous avons été obligé de mettre 2 LM78S05 en parallèle car un seul surchauffait. Eux ne tiennent que jusqu'à 2A.

[invite65c46d3d]

Bonjour !
Dualvsta2 nous avons commandé le produit que tu nous a conseillé.

Est ce qu'il y aurait quelqu'un qui aurait des connaissances sur les convertisseurs ? Nous essayons toujours de dimensionner un SEPIC fonctionnant avec notre algorithme MPPT et permettant de réguler à 9V.

Merci !

[invite2a13764e]

Bonjour,

Actuellement stagiaire je travaille a peu près sur le même genre d'application que vous. Pour le moment j'analyse les différentes options qui sont envisageables. Je me suis donc interroger sur l'utilisation d'un convertisseur Sepic, Buck, Buck-Boost, etc.. Ce qui m'interpelle c'est que ce si je ne m'abuse, les composants mis en place dans ceux-ci sont calcules pour une alimentation d'entrée donné et donc une tension et un courant continu toujours à la même valeur. Ce type de convertisseur ne me semblait donc pas valable pour une application solaire.

Merci de me dire si je me trompe et dans ce cas de m'expliquer pourquoi

[invite65c46d3d]

Salut stavon73,

Les convertisseurs de type Buck, Boost, SEPIC, ... prennent en entrée une plage de tension connues et envoie en sortie une tension qui est fonction du duty cycle envoyé sur l'interrupteur (transistor). La tension de sortie ne doit pas être fonction de la valeur d'entrée.
Un grand nombre de composants intégrant un SEPIC sont vendus pour les applications solaires.

[invite2a13764e]

D'accord, merci alors elektor83. Quelque chose d'autre me perturbe aussi, d’après les documentations que j'ai pu voir un panneau solaire peut fonctionner en générateur de tension ou bien en générateur de courant. Si j'ai bien compris, les convertisseurs Buck, etc, sont des générateurs de tension car leur tension de sortie sera constante. Or, toujours d’après ce que j'ai pu lire, pour recharger un accus il faut un générateur de courant.. Ne faut il donc pas convertir d'une certaine façon (que j'ignore) ce convertisseur Buck à tension constante pour avoir un courant constant au final ?

Pour mon application le début ressemble a la votre mais je dois ensuite a partir des accus alimenter des leds. J'ai pour cela été guider vers un régulateur Buck à courant constant. Voici sa doc : http://www.onsemi.com/pub_link/Colla...NCL30160-D.PDF

Au final ma question est donc existe il une difference entre regulateur a courant constant et regulateur a tension constante ?

Merci de prendre le temps de me repondre et de m'expliquer si je me trompe ^^

[invite65c46d3d]

Tout dépend de l'accu : certains se chargent à courant constant (sans dépasser un certain voltage par élément), d'autres à tension constante. Tout dépend du protocole de charge.
Oui il y a une différence entre régulateur à courant constant et régulateur à tension constante. Tu choisiras courant constant ou tension constante en fonction de ta charge.

[invite2a13764e]

D'accord d'accord, dans le cas du NiMH il faut charger a courant constant si je ne m'abuse.. Pense tu que votre problème puisse venir de cela ? Autre question, comment peut on faire un generateur de courant a partir d'un generateur de tension ?

[bobflux]

Quelque chose d'autre me perturbe aussi, d’après les documentations que j'ai pu voir un panneau solaire peut fonctionner en générateur de tension ou bien en générateur de courant.

Oui.
Ça dépend du courant que tu tires.

Si j'ai bien compris, les convertisseurs Buck, etc, sont des générateurs de tension car leur tension de sortie sera constante.

Non (voir plus loin)

Au final ma question est donc existe il une difference entre regulateur a courant constant et regulateur a tension constante ?

C'est une question plus subtile qu'il n'y paraît.

Si tu prends un régulateur de tension (à découpage ou pas) style n'importe quel LDO, il va incorporer une limitation de courant (pour survivre). Donc si tu tires trop de courant dessus, la limitation s'active, il devient donc un régulateur de courant...

On s'intéressera à la précision de la tension pas trop à celle de la limite de courant (tant qu'il est suffisant pour la charge).

Si tu prends un régulateur de courant, il va y avoir aussi une limitation de tension : si la sortie n'est connectée à rien, aucun courant ne circule, mais la tension ne monte pas à l'infini comme sur une source de courant théorique, elle monte jusqu'à une valeur max.

Et on s'intéressera à la précision du courant, pas trop à celle de la tension max (tant que c'est supérieur à ce que demande la charge).

Si tu prends une alim de labo avec les réglages usuels courant max / tension, son comportement sera celui d'une source de courant ou de tension suivant le courant qui est tiré.

Et on s'intéressera à la précision des deux.

Pour charger une batterie, c'est le dernier cas : on limite le courant, la tension monte au fur et à mesure de la charge, elle atteint la limite de tension fixée, et le régulateur baisse le courant jusqu'à ce que la batterie soit complètement chargée.


En gros, un régulateur (ou convertisseur à découpage ou autre) ne contrôle pas directement la tension à la sortie... il contrôle seulement le courant qu'il envoie dans la sortie. Suivant la boucle de régulation qui est utilisée, on peut réguler la tension (si elle baisse on envoie plus de courant) ou bien le courant directement, ou passer de l'un à l'autre.

Concernant le buck, c'est juste le nom d'un circuit qui a un switch en haut, une diode ou un switch en bas, et une inductance. On peut s'en servir pour réguler un courant, une tension, ou les deux. Tout dépend de ce qu'on met dans le contrôle de la commutation des switch.

[invite2a13764e]

Merci bien bob pour ta réponse qui m'a permis d'y voir plus clair, même si je pense qu'il me faudra un peu de temps pour bien y assimiler lol ^^
Au final l’ingénieur avec qui je travaille m'a recommande de brancher directement le panneau sur les accus NimH et de réduire le courant de charge a C/10 lorsque ceux-ci sont pleins. On saura lorsqu'ils sont pleins en fonction, du gradient de température, de leur temperature par rapport a la température ambiante.

Je n'ai pas bien compris pourquoi on n'utilisera pas de convertisseurs car d’après ce que j'ai pu voir c’était la meilleure solution..

Si l'un d'entre vous veux bien se donner la peine de m'expliquer, ca serait cool

[invite65c46d3d]

Salut à tous et merci pour vos réponses !

Petite avancée dans notre projet dont nous voulions vous faire part :

Nous avons utilisé un driver de MOSFET TC4427 ACPA qui prend la clock en entrée et la renvoie sur la grille de notre MOSFET. Ainsi nous avons réussi à cabler un Buck qui marche très bien.
Ceci s'explique : le signal sur la grille du FET n'était pas assez propre et ce dernier ne commutait pas correctement.

Nous allons essayer avec un Boost puis un SEPIC cet après-midi.

@bobfuck : Je n'ai pas tout saisi sur la régulation de courant pour une batterie NiMh. Nous avons codé notre algorithme MPPT qui prélève la tension et le courant en amont de la batterie et renvoie un signal avec un certain duty-cycle sur notre transistor afin d'adapter l'impédance de charge. Nous détectons la fin de charge en calculant le dV/dt. A aucun moment nous n'intervenons sur le courant. Penses-tu que nous sommes complètement dans le faux ?

[bobflux]

> Nous détectons la fin de charge en calculant le dV/dt.

Il se passe quoi si le dV/dt est dû à un nuage qui passe ?

[invite65c46d3d]

Excuses-moi je n'ai pas été assez précis : on regardera le dV/dt aux bornes de la batterie afin de vérifier sa bonne charge.

[bobflux]

Si un nuage passe, la puissance disponible diminue, donc le courant injecté dans la batterie diminue, donc la tension à ses bornes diminue, donc dV/dt négatif, donc ... il se passe quoi ?

[invite65c46d3d]

Ah ... tu viens de nous amener à réfléchir sur quelque chose que nous n'avions pas pleinement anticipé.
Avec notre circuit on espérait pouvoir recharger la batterie grâce au panneau solaire et en même temps décharger celle-ci dans les appareils en charge (portable ...). Pour ce faire, on sait qu'il faut utiliser un composant particulier. Et on pensait qu'en prenant la tension aux bornes de la sortie (côté décharge) de ce composant, on pourrait surveiller le dV/dt.

Sinon on ne sait pas comment faire.

[bobflux]

C'est le problème du NiMH, la détection de fin de charge est pas facile si tu veux faire une charge rapide, et si on interrompt la charge (nuage...) après on sait plus trop où on en est...

Si tu veux pas te prendre le chou, tu peux mettre du plomb ou du lithium...

Malgré sa réputation le lithium est de loin le plus simple : si tu charges en float à 4.05V au lieu de 4.2V tu peux charger/décharger comme tu veux. Il faut juste éviter les courants hors spécification, le trop froid et le trop chaud.

C'est seulement si tu montes à 4.2V pour aller chercher les derniers 20% de capacité que ça devient plus compliqué (il y a un temps de charge max, et il faut attendre que ça soit redescendu en-dessous de 4.05 avant de relancer la charge, donc incompatible avec les énergies dont la constance est incertaine).

Note que sur le lithium tu récupères >95% des coulombs (et des joules) que tu as mis dedans, avec le nickel c'est plutôt 60%...

[invite65c46d3d]

Effectivement vu comme ça je ne comprend pas pourquoi nous sommes partis sur une NiMh ...
Je pense que nous allons continuer pour l'instant avec celle-ci (quitte à ce qu'elle prenne un peu cher) et que nous passerons à du Li quand tout le circuit sera opérationnel. Il nous suffira de changer quelques valeurs dans le code de l'algorithme MPPT.

Merci pour toutes ces informations.

[invite936c567e]

Bonsoir

La lecture du fil m'a réservé quelques surprises.

La justification du choix d'un SEPIC ne me semble pas tenir la route. La tension d'entrée étant supérieure au double de la tension de sortie, un convertiseur Buck aurait pu convenir, surtout que contrairement à ce qui a été affirmé, il peut parfaitement fonctionner en régulateur de courant. Le seul bémol, c'est le flux moyen non nul dans le circuit magnétique qui oblige à prendre quelques précautions de réalisations.

J'ai aussi quelques interrogations concernant le contrôle du MPPT. Parce que dans ce système, toute l'énergie produite par le panneau solaire devant être consommée, cette production doit dépendre du courant nécessaire à la charge de la batterie et de la consommation de l'appareil branché derrière le régulateur statique. Si le MPPT a bien en intérêt dans certaines situations, il arrivera forcément un moment où la production du panneau devra être maintenue inférieure au point de puissance maximale, voire carrément arrêtée. Le contrôle du régulateur à découpage tel qu'il est présenté ici, par les seules grandeurs électriques du panneau, me semble donc très largement insuffisant.

[invite65c46d3d]

Bonjour PA5CAL, j'espérais bien, après avoir vu tes réponses sur un grand nombre de sujet, que tu passerais sur celui-ci.

Le SEPIC permettrait de rehausser la tension fournie par le panneau solaire afin de recharger la batterie, même en cas d'ombrage.

Oui nous sommes conscient que la production du panneau solaire ne sera pas toujours suffisante pour atteindre le MPP mais notre algorithme est codé afin de fournir le point de puissance maximale quel qu'il soit (il fait le produit de la tension et du courant en fonction du duty cycle du signal envoyé sur la grille et sélectionne le maximum).

"Le contrôle du régulateur à découpage tel qu'il est présenté ici, par les seules grandeurs électriques du panneau, me semble donc très largement insuffisant. " : Le régulateur à découpage est juste contrôlé par le signal envoyé par notre arduino sur la gate. Je ne vois pas ce que l'on peut rajouter.

Merci pour tes conseils.

[invite936c567e]

Les problèmes d'ombrage sont généralement réglés par d'autres moyens (positionnement correcte, segmentation de la surface de panneaux, ...). Comme ici le SEPIC ne devient vraiment nécessaire qu'à partir de la mise hors service de plus de la moitié des cellules, cela suggère que la conception cherche à faire face à des situations particulièrement exécrables. Mais admettons...

[NB: par « ombrage », j'entends bien une occultation partielle, et non pas une baisse de luminosité globale sur les cellules d'un même circuit en série, laquelle ne produit pas de baisse de tension significative]


Le problème que j'évoque n'est pas le risque d'avoir une puissance produite par le panneau insuffisante pour atteindre le MPP (il est d'ailleurs toujours possible de l'atteindre dans ces conditions, sauf la nuit), mais plutôt celui d'avoir une puissance consommée par le chargeur et la charge plus faible qu'au MPP réalisable.

Si le système se trouve sous un fort soleil d'été, avec la batterie déjà pleine et aucun appareil branché dessus, l'Arduino va-t-il continuer à tenter de faire fonctionner le hacheur au MPP du panneau ?...

[invite65c46d3d]

Je comprend ce que tu veux dire. Nous recherchons le MPP mais nous souhaitons également faire en sorte que la tension aux bornes de la batterie soit toujours supérieure à 9V afin de pouvoir recharger notre batterie (7.2V NiMh, 3500mAh).

Si la batterie est déjà pleine et aucun appareil en charge nous pensions ne plus envoyer de signal sur la gate du transistor : donc circuit ouvert.

[invite936c567e]

C'est insuffisant. Le cas que j'ai donné (batterie pleine) est extrême, mais on pourra certainement aussi se trouver dans d'autres situations où le courant de charge de la batterie sera non nul et devra rester inférieur à celui produit au MPP par le système panneau+hacheur.

On ne peut pas décider de tout couper sous prétexte, par exemple, que le système panneau+hacheur est capable de produire 360mA alors que le courant de charge de la batterie est limité à 350mA !

[invite65c46d3d]

Mince ... Nous pensions pourtant avoir correctement choisi nos composants ...

Aurais-tu des conseils à nous donner pour re-réfléchir notre projet ? Ou une méthode à suivre afin de re-dimensionner les différents modules ?

[invite936c567e]

Le problème, c'est que vous avez mis la charrue avant les bœufs. Le schéma a été établi et un certain nombre de composants choisis alors que la conception fonctionnelle, voire le cahier des charges, ne semblent pas avoir été réalisés et vérifiés complètement.

L'élément central du projet reste, me semble-t-il, la recharge de la batterie. Il est donc important de déterminer ce que l'appareil doit faire pour que cette recharge puisse s'effectuer correctement (choix d'une batterie adéquate et du protocole de charge, dont la limitation du courant et l'arrêt en fin de charge) avant de choisir la façon de le réaliser. La conception du hacheur et de sa commande en découlent directement.

L'appareil final pourra certainement contenir les éléments que vous avez déjà choisis, mais il est fort probable qu'il faudra en rajouter d'autres pour répondre aux ajustements nécessaires.


Pour le moment, il faut que vous réfléchissiez aux besoins, contraintes et solutions fonctionnelles concernant la batterie et sa recharge. Le reste viendra naturellement lorsque cette partie sera clairement établie.