[Projet] Rendre intelligent un chargeur de batteries au plomb

[Yvan_Delaserge]

Salut à tous,

Je viens de passer un peu de temps à examiner des alimentations à découpage (de PC et autres) pour voir s'il serait possible de les faire contrôler par un Arduino. Le problème central est bien sûr celui de l'interfaçage entre le signal PWM et le signal de contrôle à fournir à l'optocoupleur pour contrôler la tension de sortie, tout en assurant que la régulation continue à se faire normalement.

En examinant ces alimentations, il m'est venu une idée.


Une des alimentations que je possède utilise une Zener 15 V qui permet que du courant circule dans la LED de l'optocoupleur si le courant atteint 15 V + tension résiduelle de la LED.
De cette manière, la tension de sortie ne peut jamais dépasser environ 16,5 V.

Mais si maintenant l'on ajoute une Zener programmable en parallèle avec la première Zener, on pourra obtenir n'importe quelle tension en-dessous de 16,5 V.

Normalement, la programmation de la TL 431 se fait au moyen d'un diviseur de tension. Reste à voir si ça marche aussi en utilisant du PWM filtré. Je vais faire quelques essais.
-----

[Antoane]

Bonjour,

Reste à voir si ça marche aussi en utilisant du PWM filtré.

Non, il n'y a pas de contre-réaction dans ce circuit. La TL431 est utilisée en comparateur : la tension moyenne du PWM est-elle supérieure (beaucoup de courant dans la led) ou inférieure (pas de courantd ans la led) à 2,5V.
Regarde le schéma interne du 431, celui avec l'AOP.

[Yvan_Delaserge]

Correction: Il fallait bien sûr lire:

Une des alimentations que je possède utilise une Zener 15 V qui permet que du courant circule dans la LED de l'optocoupleur si la tension atteint 15 V + tension résiduelle de la LED.
De cette manière, la tension de sortie ne peut jamais dépasser environ 16,5 V.

[Yvan_Delaserge]

Bonjour,

Non, il n'y a pas de contre-réaction dans ce circuit. La TL431 est utilisée en comparateur : la tension moyenne du PWM est-elle supérieure (beaucoup de courant dans la led) ou inférieure (pas de courantd ans la led) à 2,5V.
Regarde le schéma interne du 431, celui avec l'AOP.

Hello Antoane. Merci pour cette réaction rapide. Telle celle du comparateur. Non, je rigole

C'est vrai que la réaction de la 431 ne va pas être progressive. C'est du tout ou rien.
La tension de sortie de l'alim sera de 1,5 V + celle à laquelle la 431 commence à conduire un courant de l'ordre du milliampère.

Ainsi, si la tension de sortie tend à varier, l'alimentation va corriger cette variation, sans intervention de l'Arduino.

Ce dernier n'intervient que pour fixer la tension à laquelle le 431 conduit. Il se trouve donc hors de la boucle de contre-réaction. C'était le but recherché avec le montage à ampli op que tu avais imaginé.

Est-tu d'accord avec ce raisonnement?

[Antoane]

Reprend le schéma interne, en haut de page 2 : https://www.fairchildsemi.com/datasheets/TL/TL431.pdf
- si la tension envoyée par l'arduino est supérieure à 2.5V, l'AOP interne sera saturé et sortira un 1 logique, saturant le NPN de sortie. La tension alors disponible entre anode et cathode sera proche de zero (je ne me souviens plus la valeur exacte). La tension de sortie de l'alim s'justera de manière à ce que le courant dans la led prenne la bonne valeur (~1mA), elle vaudra donc environ "proche de zero" + tension de seuil de la led ; ce qui est indépendant du réglage du PWM.
- si la tension envoyée par l'arduino est < 2.5V, l'AOP interne sera saturé à zero, bloquant le NPN de sortie. Le courant traversant la TL431 sera quasi-nul, et la régulation se fera par le zener de 15V. Sans elle, il y aura claquage quelque part, par exemple du 431.


Le fonctionnement est inversé par rapport au circuit que je proposais : chez moi, la tension de référence est générée par le µC et est comparée à une fraction de la tension de sortie.
Avec ce montage à 431, deux tensions de références sont générées : le 2.5V de la 431 et celle du µC. En revanche, la tension de sortie n'entre pas en jeu.

[Yvan_Delaserge]

OK, donc FBI (Fausse Bonne Idée)

Le week-end s'annonce pluvieux, je vais pouvoir faire quelques essais avec les divers circuits d'interface évoqués.

Mais je crois que je vais commencer par l'approche KISS:

Après tout, il ne s'agit que de fournir 1 mA à la LED de l'optocoupleur, l'Arduino peut directement sortir assez de gomme.
Pratiquement, on pourrait remplacer les deux résistances 12 K par un potentiomètre pour favoriser plus ou moins le feedback en provenance de la tension de sortie ou respectivement la consigne fournie par le PWM de l'Arduino.

[Yvan_Delaserge]

Voilà, j'ai eu un peu de temps libre pour me remettre à ce projet et je suis arrivé à obtenir une interface entre l'Arduino et l'alim qui fonctionne pas trop mal.



Je suis parti de la Zener programmable TL 431 déjà mentionnée plus haut avec le schéma directement tiré de la notice d'application: La tension Zener est déterminée par le diviseur de tension placé entre la cathode et l'anode. Cette tension est "perturbée" par le signal PWM de l'Arduino, lissé par le filtre passe-bas. En fait, jusqu'ici, j'ai simulé le signal fourni par ce filtre. Je l'ai remplacé par une tension continue variable.

Avec les résultats suivants sur la tension de sortie de l'alim:

Tout d'abord, la tension de sortie de l'alim est supérieure de 1,6 V à la tension Zener du TL 431. La différence correspond à la chute de tension dans la led de l'optocoupleur.

En variant le signal PWM lissé simulé, lorsque ce dernier est à 0 V( = PWM 0%), la tension de sortie de l'alim est de 13,09 V. Lorsqu'il est de 5V (= PWM 100%), la tension de sortie de l'alim est de 8,95 V. Donc un delta de 4,14 V, qui correspond bien à ce qui est recherché pour les différentes phases du processus de recharge d'un accumulateur.
Comme on dispose de 256 niveaux pour le PWM, la tension de sortie pourra être réglée par l'Arduino avec une grande précision.
Idéalement, il faudrait que la tension de sortie soit réglable par l'Arduino entre 10,2 et 14,4 V, ce qui va se régler avec le potentiomètre de 10 K.

Il me reste maintenant à déterminer les valeurs des composants du filtre passe-bas.

[Yvan_Delaserge]

Voilà, le FPB a l'air pas trop mal comme ça:



Le graphique montre la tension de sortie du FPB juste avant la résistance de 100K.

[Antoane]

Bonjour,

Tout d'abord, la tension de sortie de l'alim est supérieure de 1,6 V à la tension Zener du TL 431. La différence correspond à la chute de tension dans la led de l'optocoupleur.

Environ 1.6V.
Une solution consiste à prendre le feed-back (extrémité de la 100k) non pas sur la cathode de la led mais directement sur le V+

Note qu'avec ce montage, tu te sert avant tout de la 431 comme d'un AOP. La band-gap n'est utilisée que parce qu'elle se trouve là. La tension de sortie de l'alim dépend de la tension moyenne moyenne du PWM, elle-même fonction de la tension d'alim du µC.
On peut s'interroger sur l'intéret d'utiliser une référence de tension si c'est pour l'utiliser comme AOP....

[Yvan_Delaserge]

Hello Antoane,

Une solution consiste à prendre le feed-back (extrémité de la 100k) non pas sur la cathode de la led mais directement sur le V+

C'est ce que j'avais commencé par faire, mais c'était une erreur. Si on fait ça, le TL 431 ne se comporte pas du tout comme une Zener. C'est en reconsultant la datasheet que je me suis rendu compte de mon erreur. Voilà ce qui arrive, quand on fait un montage de mémoire.

Note qu'avec ce montage, tu te sert avant tout de la 431 comme d'un AOP. La band-gap n'est utilisée que parce qu'elle se trouve là. La tension de sortie de l'alim dépend de la tension moyenne moyenne du PWM, elle-même fonction de la tension d'alim du µC.
On peut s'interroger sur l'intéret d'utiliser une référence de tension si c'est pour l'utiliser comme AOP....

Oui, tu as raison. Du reste, le montage original utilisait bien des AOP.
C'est juste parce que j'avais un petit lot de TL 431 qui traînaient depuis longtemps dans mes tiroirs. Je n'avais jamais utilisé ce composant. Avec un boîtier 3 pattes type transistor, il est d'utilisation facile.

Je vais passer maintenant à la réalisation d'une petite platine permettant de connecter ensemble Arduino, afficheur et alim. Un peu de mécanique aussi pour le boîtier. Je vais poster quelques photos.

[Antoane]

Bonjour,

C'est ce que j'avais commencé par faire, mais c'était une erreur. Si on fait ça, le TL 431 ne se comporte pas du tout comme une Zener. C'est en reconsultant la datasheet que je me suis rendu compte de mon erreur. Voilà ce qui arrive, quand on fait un montage de mémoire.

C'est pas clair... Oserais-tu me contredire ?
Si oui, je veux bien que tu détailles stp.
Bon we.

[Yvan_Delaserge]

Hello Antoane, désolé pour l'absence, on a été un peu chargés au niveau professionnel ces derniers jours.

Au départ, j'avais par erreur réalisé le schéma du dessous. Le TL 431 ne se comportait pas comme une Zener, la tension à ses bornes variait en fonction de V+.

[Yvan_Delaserge]

J'ai pu un peu avancer le montage.

Voici les valeurs des composants finalement retenues.



Le potentiomètre est réglé pour obtenir à la sortie du chargeur (c'est-à-dire aux bornes de la batterie en cours de charge) une tension de 14,5 V lorsque le signal PWM présente un rapport cyclique de 1 %. En fait, la valeur de la tension que l'Arduino va appliquer à la batterie ne va jamais dépasser 14,4 V. Comme ça on a un petit peu de marge.
Dans ces conditions, si le rapport cyclique du PWM est amené à 99%, la tension appliquée à la batterie est de 12,2 V.
C'est bien la plage de tensions qui vont être utilisées pour charger notre batterie au plomb. 12,2 à 14,4 V.

Si on produit un signal PWM tel que la tension de sortie soit de 13,88 V (milieu de plage) sous 2,42 A et que l'on abaisse la résistance de charge, on obtient 13,75 V sous 3,55 A.
La régulation par le TL 431 seul est donc suffisamment bonne.
En plus de cela, l'Arduino va lui aussi intervenir au moyen de son signal PWM, pour fixer la tension (respectivement le courant, selon la phase de l'opération de recharge) à la valeur exacte requise. Deux entrées analogiques de l'Arduino vont être utilisées pour monitorer a) la tension aux bornes de la batterie et b) le courant débité.

J'ai fait aussi quelques mesures de température, car je soupçonne que l'origine de la panne qui a flingué l'ampli op LM 324 de sortie de la platine à microprocesseur était une surchauffe. En effet, le boîtier de l'appareil était fermé, sans aucune aération et je l'avais fait fonctionner plusieurs heures de suite, pour charger successivement deux batteries.

Après avoir débité 500 mA pendant 1/2 heure, on a les températures suivantes:
Hacheur: 39 degrés
transfo: 42 degrés
redresseur 36 degrés
capa de filtrage 40 degrés
La résistance CTN du transfo présente une résistance de 4,8 K (10 K à température ambiante)

Après avoir débité 4 A pendant 1/2 heure, on a les températures suivantes:
Hacheur: 52 degrés
transfo: 59 degrés
redresseur 60 degrés
capa de filtrage 67 degrés
La résistance CTN du transfo présente une résistance de 2,2 K

Je vais installer un ventilateur dans le nouveau boîtier.

L'Arduino va aussi monitorer la résistance de la CTN au moyen d'une troisième entrée analogique. Si la résistance passe sous les 2 Kohm, je vais programmer des temps d'arrêt de quelques minutes pour que l'alim puisse refroidir. Mais avec le ventilateur, ça ne devrait jamais arriver.

[Yvan_Delaserge]

A l'origine, c'était un chargeur de ce type, disponible en grande surface.



Le boîtier est absolument hermétique, l'air ne peut pas circuler. Donc, surchauffe.

[Antoane]

Bonsoir,

Au départ, j'avais par erreur réalisé le schéma du dessous. Le TL 431 ne se comportait pas comme une Zener, la tension à ses bornes variait en fonction de V+.

C'est normal : tu ne veux pas que la tension entre l'anode et la cathode de la 431 soit constante (ce que fait le schéma du haut), mais que la tension entre le V+ et la masse soit constante (ce que fait le schéma du bas, tant que tu reste dans les limites du raisonnable : pas de saturation de l'opto et courant consommé sur le V+ suffisant par exemples.)
Le schéma du haut est intéressant dans ton cas, l'as-tu mis en équations ? V+ en fonction de la tension moyenne du PWM, supposant que ni l'opto ni la 431 ne sont saturés ; la 431 va agir de telle sorte que la tension sur sa 3e broche soit égale à 2.495V.


Quoi qu'il en soit, il serait bon d'ajouter une résistance entre le V+ et la cathode de la 431 pour lui fournir un courant d'alim de ~200µA même lorsque le courant dans la led devrait être nul.

[PIXEL]

voici le chargeur que j'utilise depuis des années :

http://jean.francois.pion.free.fr/Chargeur_pb_gros.html

[Yvan_Delaserge]

Hello Pixel.

La solution montrée sur le lien que tu signales est naturellement beaucoup plus simple et c'est aussi probablement ce qui se rapproche le plus de la méthode de recharge utilisée dans une voiture. Comment expliquer qu'un produit commercial soit réalisé en allant vers tant de complexité? (Alimentation à découpage contrôlée par microprocesseur).

Serait-ce pour des raisons de coût? (le chargeur que j'essaie de réparer coûte une quinzaine d'euros)

Serait-ce pour des raisons de poids? (la solution de la page web que tu indiques nécessite un transfo 12 V 4A, contenu dans le chargeur de batterie du commerce qu'indique l'auteur, comme on en trouvait il y a quelques années. J'en possède un moi-même, aceté dans le années 70. Il ne m'a encore jamais laissé tomber, lui. Contrairement à celui avec alim à découpage et microprocesseur!

[PIXEL]

y'a aussi les effets de mode , faut que ce soit plein de voyants d'afficheurs et de gadgets....

je te garantis que ce chargeur fonctionne parfaitement POUR DES ACCUS AU PLOMB UNIQUEMENT

son principal défaut est de nécessiter un transfo "traditionnel" avec du fer du cuivre et du poids.
principale cause de cout pour un produit industriel.

mais ça se trouve et ça se récupére.