Étagère déco industrielle - éclairage et alimentation solaire + questions chargeur batterie

[ATdevice]

Bonjour, voici un projet en cours ainsi que quelques questions techniques en rapport avec la réalisation de celui-ci :

Présentation

Le projet est une étagère déco style industriel éclairée par des LEDs. La structure de l'étagère est basée sur les modules Spaceo Hubsystem.
Pour le moment il n'y a que le côté droit et la "console centrale" mais je pense que je rajouterai une étagère à gauche pour compléter ma collection

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Pour ce qui est du côté électronique, j'ai divers petits trucs à ajouter pour la déco :
- Des appliques "hublot" pour les étages supérieurs (3 unités en tout), avec des ampoules LED 12V culot E27 (ça se trouve sur eBay ou 12Vmonster par exemple) et testée sur alim de labo ça consomme ~20mA à 11,5V pour un éclairement plus que satisfaisant pour mon utilisation
- Des LEDs haute luminosité pilotées bien en dessous de leur courant nominal, toujours dans le but de consommer le moins possible (J'ai plusieurs candidates de chez Wurth Elektronik et Cree à tester)
- Un sectionneur rouge/jaune (en cours de livraison), des commutateurs et voyants lumineux à monter en façade d'un coffret électrique qui viendra se loger sur le panneau métallique avant (découpe à prévoir), juste pour le fun (pareil les voyants seront modifiés pour intégrer des LEDs haute puissance pilotées avec un courant de 3mA à 5mA, visuellement pas besoin de plus avec les LEDs que j'ai testé).
- Le panneau solaire fourni avec le projecteur tout juste acheté (voir la partie "alimentation").

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Convertisseurs de tension et driver LEDs

Je pars du principe que la tension d'alimentation disponible est celle d'une batterie Li-ion, soit 3,7V nominal (voir la partie "Alimentation")
En résumé, il va me falloir une alimentation 12V DC pour les 3 luminaires "hublots" (au moins 100 mA pour avoir un peu de marge, je ne sais pas si il y a un fort appel de courant à l'allumage, car les ampoules ont un convertisseur 12V-60V en interne ) et des drivers de LEDs (3 ou 4 en série, à voir en fonction du besoin) pour chaque étagère inférieure.

Pour le convertisseur 12V j'ai retenu le TLV61048 qui accepte de 2V à 5V en entrée, et qui a un courant de commutation max qui devrait permettre de débiter 100 mA sans problème, ça tombe plutôt bien non

Pour le driver de LED, celui dont j'ai l'habitude est le LM3410, qui peut aussi bien délivrer un courant de quelques 10mA à plus de 500mA, il devrait convenir pour mon besoin

Alimentation

Concernant l'alimentation, je suis parti d'un projecteur LED solaire qui me semblait plutôt intéressant pour ses composants (4 batteries Li-ion amovibles, panneau solaire déporté, LEDs "forte intensité") comparé aux autres projecteurs dispo en magasin.

Aussitôt acheté aussitôt démonté :
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Faute de multimètre fonctionnel, je n'ai pas encore pu caractériser le panneau solaire en plein soleil et à l'ombre.

Les 4 batteries Li-ion (3,7V, 2000mAh) semblent être connectées en parallèle?
Ce qui est certain, c'est que les batteries sont en parallèle deux à deux dans les "boîtiers piles" puisque les languettes de connexion sont communes. Pour ce qui est de la mise en parallèle sur le PCB, ça reste à vérifier, mais le projecteur peut fonctionner avec une seule batterie en place, donc...

J'ai pu identifier le circuit de protection des batteries et les MOSFET, en haut à gauche :
U6 : DW01
U3, U4 et U5 : MOSFET double canal N, FS8205A
En cherchant le DW01 je suis tombé sur le schéma de principe qui utilise les FS8205A justement, et qui est fait pour une batterie Li-ion
Je n'ai pas suivi toutes les pistes (le PCB blanc c'est vraiment galère niveau contraste ^^) mais j'imagine que les 3 FS8205 sont pilotés en parallèle pour optimiser le passage du courant...

Je n'ai pas pu identifier le composant en SOIC-8 en bas à droite (référence effacée) mais étant donné le fonctionnement du projecteur et la présence d'un détecteur de tension avec watchdog juste à côté (XC6104) je dirais que notre inconnu est un MCU peut être PIC12F ou alors STM8? de toute façon il sera pas exploitable.

Ce qui m'inquiète, c'est que mis à part les deux transistors MOSFET "40N02" en boîtier DPAK au milieu, dont je n'ai pas encore identifié le rôle, et deux shunts de mesure de courant, il n'y a pas de circuit de charge à proprement parlé. Donc à moins que ce soit le MCU qui le fasse...
Je n'ai pas de quoi mesurer la valeur des shunts, mais j'essaierai de faire un schéma complet en incluant les interrupteurs (mode de fonctionnement, choix de la durée de l'éclairage) et le détecteur de mouvement.

Questions

Suite à cette première étude et dans le but de réaliser un PCB avec différentes fonctions, j'aimerais revoir le design du chargeur et protection de batteries :

1) Le DW01 n'a pas l'air d'être dispo chez Digikey et Mouser, est-ce que je pourrais le remplacer par le AP9101? Et éventuellement choisir des MOSFET plus costaud aussi, c'est pas vraiment la place qui va me manquer dans le coffret électrique

2) Ne vaudrait-il mieux pas une protection par batterie : 4 circuits identiques formant 4 packs indépendants, et chaque pack serait ensuite mis en parallèle, ou fausse bonne idée?

3) En admettant que les batteries/packs soient en parallèle et que le panneau ne délivre pas plus de 4,2V en plein soleil, est-il possible que seule la protection de batterie suffise?

4) Toujours en admettant que le panneau ne délivre pas plus de 4,2V , dans le cas où je voudrais utiliser un vrai circuit de charge, est-ce plus judicieux de garder les 4 batteries/packs en parallèle, ou est-ce que je peux utiliser une configuration 2S-2P ce qui demanderait l'utilisation d'un chargeur DC/DC type "boost" pour passer de 0-4V à 8,4V qui devrait avoir un rendement plutôt correct même avec un faible Vin?

5) Si je reste sur une configuration 4P, quelles précautions dois-je prendre quant au choix du circuit de charge par rapport au courant de charge? Si je ne me trompe pas, la capacité des batteries n'a d’influence que sur le courant max de charge, en gros C/10 donc pour 4 x 2000 mAh il ne faut pas que le courant dépasse 200 mA dans chaque élément? (avec un panneau solaire et une batterie de capacité équivalente à 8000 mAh on est loin de C/10 je pense ^^)
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[ATdevice]

Merci d'avance pour les réponses à mes différentes questions

[ATdevice]

Bonjour,

J'ai pu faire des mesures sur le système existant et retrouver le schéma de la partie gestion de batterie, qui valide mes suppositions, à savoir :
- 4 batteries montées en parallèle.
- Circuit de protection DW01 avec 3 FS8205 en parallèle.
- Charge des batteries assurée par une diode allant du panneau solaire au pôle positif des batteries

Le panneau solaire délivre 5,5V en plein soleil et un peu plus de 3V à l'ombre (je n'ai pas mesuré le courant débité). Avec le ciel couvert de ces derniers jours il délivrait quand même 4,5V placé derrière la baie vitrée

Je pense utiliser un circuit dédié pour l charge, soit linéaire (MAX1555) soit à découpage (LTC3105 ou SPV1040 ou bq25570)

Je compte alimenter un certains nombre de LEDs donc le courant total sera conséquent. Le chargeur sera intégré au système et non amovible.
Certains chargeurs ont la fonction "Power Path" pour alimenter une charge, mais ils n'ont pas tous cette faculté. Ma question est de savoir si, avec n'importe quel chargeur, il serait possible d'utiliser la batterie simultanément pendant la charge (est ce que le chargeur doit débiter tout le courant, est ce que le courant sera fourni par les batteries) ou est-ce que je dois autoriser la charge uniquement lorsque l'éclairage est éteint?

Merci

[Antoane]

Bonjour,

Joli projet, il y a quelques points intéressants à traiter

1) Le DW01 n'a pas l'air d'être dispo chez Digikey et Mouser, est-ce que je pourrais le remplacer par le AP9101? Et éventuellement choisir des MOSFET plus costaud aussi, c'est pas vraiment la place qui va me manquer dans le coffret électrique

Le DW01 : https://cdn.sparkfun.com/assets/lear...aSheet_V10.pdf est, associé à 2 MOSFET, un PCM.
Un AP9101C pourra faire l'affaire.

2) Ne vaudrait-il mieux pas une protection par batterie : 4 circuits identiques formant 4 packs indépendants, et chaque pack serait ensuite mis en parallèle, ou fausse bonne idée?

Avec un tel circuit composé d'ensembles [accus + PCM] connectés en parallèle, du fait des hétérogéniétés de charges entres accus, il y aura des pointes de courant lorsque l'un des pack se connectera au reste du montage. C'est donc à éviter. Les accus étant ici "identiques", il est possible de les connecter en parallèle une bonne fois pour toute, et de leur associer un unique PCM.

3) En admettant que les batteries/packs soient en parallèle et que le panneau ne délivre pas plus de 4,2V en plein soleil, est-il possible que seule la protection de batterie suffise?

Un panneau solaire est une source de courant : le courant est ~proportionnel à l'éclairement. La tension à vide est quasi-indépendante de l'ensoleillement, mais varie néanmoins avec lui, avec la température et (évidement) avec la charge.
Il ne faut pas compter sur la tension à vide du panneau pour assurer la gestion de fin de charge, il faut un composant dédié.

Ce qui m'inquiète, c'est que mis à part les deux transistors MOSFET "40N02" en boîtier DPAK au milieu, dont je n'ai pas encore identifié le rôle, et deux shunts de mesure de courant, il n'y a pas de circuit de charge à proprement parlé.

Probablement le courant de charge est intrinsèquement limité par le panneau et que la fin de charge est gérée par un circuit externe.

4) Toujours en admettant que le panneau ne délivre pas plus de 4,2V , dans le cas où je voudrais utiliser un vrai circuit de charge, est-ce plus judicieux de garder les 4 batteries/packs en parallèle, ou est-ce que je peux utiliser une configuration 2S-2P ce qui demanderait l'utilisation d'un chargeur DC/DC type "boost" pour passer de 0-4V à 8,4V qui devrait avoir un rendement plutôt correct même avec un faible Vin?

Il faudrait faire une analyse de rendement sur un cycle complet de charge/décharge, mais il n'est pas évident quelle solution est préférable... Dans le doute, j'irais au plus simple, avec une 4P.

5) Si je reste sur une configuration 4P, quelles précautions dois-je prendre quant au choix du circuit de charge par rapport au courant de charge? Si je ne me trompe pas, la capacité des batteries n'a d’influence que sur le courant max de charge, en gros C/10 donc pour 4 x 2000 mAh il ne faut pas que le courant dépasse 200 mA dans chaque élément? (avec un panneau solaire et une batterie de capacité équivalente à 8000 mAh on est loin de C/10 je pense ^^)

Pour du lithium, on peut monter à beaucoup plus de 0,1C.
Il serait bon d'ajouter un thermomètre pour surveiller la température des accus.
Si tu veux utiliser un circuit de charge à découpage, autant implémenter un MPPT ! On trouve des circuits intégrés le faisant, mais ça peut aussi s'implémenter dans un µC (à condition d'avoir une détection de fin de charge Hardware en complément).
https://forums.futura-sciences.com/e...-securite.html

[A voir en vidéo sur Futura]

[ATdevice]

Bonjour,

Merci Antoane pour ces précisions

Donc concrètement après avoir redessiner le schéma sur feuille, l'architecture du projecteur est comme suit :
- 4 accus Li-ion montés en parallèle (4P)
- Un circuit de protection avec MOSFET : DW01P + 3 composants FS8205A montés en parallèles (équivaut 2 MOSFETs avec une meilleure tenue en courant)
- Charge de la batterie uniquement par une diode en série entre le + du PV et le + de la batterie.
- Un régulateur de courant pour les LEDs (convertisseur U/I linéaire MOSFET + AOP + shunt de courant)
- Un MCU + circuit dédié pour le détecteur de présence PIR

Avec un tel circuit composé d'ensembles [accus + PCM] connectés en parallèle, du fait des hétérogéniétés de charges entres accus, il y aura des pointes de courant lorsque l'un des pack se connectera au reste du montage. C'est donc à éviter. Les accus étant ici "identiques", il est possible de les connecter en parallèle une bonne fois pour toute, et de leur associer un unique PCM.

Un AP9101C pourra faire l'affaire.

Parfait, la protection de batterie c'est réglé

Probablement le courant de charge est intrinsèquement limité par le panneau et que la fin de charge est gérée par un circuit externe.

C'est confirmé par la simple diode entre le PV et la batterie.

Il faudrait faire une analyse de rendement sur un cycle complet de charge/décharge, mais il n'est pas évident quelle solution est préférable... Dans le doute, j'irais au plus simple, avec une 4P.

étant donné que mon PV a une tension à vide de 5,5V je pense qu'il vaut mieux rester sur une seule batterie, tant pour la charge que pour l'équilibrage et la protection.

Il serait bon d'ajouter un thermomètre pour surveiller la température des accus.

C'est prévu, j'ai un dissipateur extrudé qui traîne dans un coin, je pense fixer les logements d'accus dessus et visser une thermistance "cosse" dessus, d'autant plus que mon boîtier final sera en plastique donc je prévois une découpe pour monter le radiateur à l'extérieur (comme sur certains amplis)

Si tu veux utiliser un circuit de charge à découpage, autant implémenter un MPPT ! On trouve des circuits intégrés le faisant, mais ça peut aussi s'implémenter dans un µC (à condition d'avoir une détection de fin de charge Hardware en complément).

Là on arrive sur la partie la plus intéressante et plus complexe je dirais :
L'idée du MPPT me plaît bien, mais autant je pense avoir cerné le principe (mesurer en "temps réel" le courant et la tension en sortie du PV et faire un balayage en variant la charge (?) pour trouver la puissance maximale), autant du point de vue réalisation je ne vois pas comment l'implémenter en amont d'un circuit de charge Li-ion qui va lui-même tirer le courant disponible en se "contentant" de la tension qui arrive à ses bornes

D'ailleurs concernant le circuit de charge, je m'interroge sur le fait qu'il sera partie intégrante de mon système, donc est-ce que je dois alterner entre charge et utilisation, ou est-ce que je peux alimenter les LEDs (courant conséquent) même lorsque la batterie est en charge?

[ATdevice]

Le SPV1040 a quand même des specs intéressantes. Sur le kit d'évaluation il est couplé à un circuit de charge L6924D, je pense que je vais commander un composant de chaque pour faire un test sur plaque proto. Ce ne sera pas aussi optimal que le module d'évaluation, mais ça permettra d'une part avoir une première ébauche pour quelques €, et d'autres part je pourrai connecter d'autres circuits de charge, notamment ceux de TI et Analog qui ont la capacité d'alimenter directement un système

[Antoane]

Bonjour,

C'est prévu, j'ai un dissipateur extrudé qui traîne dans un coin, je pense fixer les logements d'accus dessus et visser une thermistance "cosse" dessus, d'autant plus que mon boîtier final sera en plastique donc je prévois une découpe pour monter le radiateur à l'extérieur (comme sur certains amplis)

Avec une charge aussi lente, les accus ne devraient pas chauffer et le dissipateur est inutile.
La sonde de température sert avant tout de sécurité :
- si ça chauffe, c'est qu'il y a un problème ;
- si la température est trop haute ou trop basse, il ne faut pas charger ou décharger.

L'idée du MPPT me plaît bien, mais autant je pense avoir cerné le principe (mesurer en "temps réel" le courant et la tension en sortie du PV et faire un balayage en variant la charge (?) pour trouver la puissance maximale),

Le circuit de gestion de charge est intégré au MPPT. Le MPPT est alors branché entre l'accus (et son PCM, qui est, ou devrait être, transparent) et le panneau. La tension de sortie du MPPT est alors fixée par la batterie et courant et tension d'entrée sont reliées par les caractéristiques du panneau. On maximise alors la puissance délivrée à la batterie en maximisant le courant y circulant -- c'est là la seule grandeur à mesurer pour contrôler le MPPT. La tension délivrée par le panneau est égale au ratio entre la tension de la batterie et le rapport cyclique (c'est un buck en CCM).

autant du point de vue réalisation je ne vois pas comment l'implémenter en amont d'un circuit de charge Li-ion qui va lui-même tirer le courant disponible en se "contentant" de la tension qui arrive à ses bornes

Pendant la phase à courant constant (CC), le panneau est ici dimensionné de telle manière que le courant qu'il peut délivrer est toujours inférieur au courant max que peut accepter la batterie. Le circuit de gestion de charge est alors transparent.
Pendant la phase à tension constante (CV), en revanche, le circuit de gestion de charge doit réguler la tension délivrée à l'accus et le MPPT ne peut plus suivre le MMP : le circuit de charge n'autorise pas l'injection de toute la puissance disponible dans la batterie.

La gestion de charge d'un accus Li ne devrait généralement pas être confiée à un µC. Cependant, ici, en pratique, comme la puissance disponible est limitée et qu'il y a une bonne protection hardware (PCM), le MPPT et la gestion de charge devraient pouvoir se faire en soft. Le buck est contrôlé en MPPT pendant la phase CC, puis en régulateur de tension pendant la phase CV.

D'ailleurs concernant le circuit de charge, je m'interroge sur le fait qu'il sera partie intégrante de mon système, donc est-ce que je dois alterner entre charge et utilisation, ou est-ce que je peux alimenter les LEDs (courant conséquent) même lorsque la batterie est en charge?

Les deux peuvent ici être simultanés.
Ce serait à vérifier, mais il est possible que la question se poserait dans le cas d'une charge rapide ou ultra-rapide.

Le SPV1040 a quand même des specs intéressantes. Sur le kit d'évaluation il est couplé à un circuit de charge L6924D, je pense que je vais commander un composant de chaque pour faire un test sur plaque proto. Ce ne sera pas aussi optimal que le module d'évaluation, mais ça permettra d'une part avoir une première ébauche pour quelques €, et d'autres part je pourrai connecter d'autres circuits de charge, notamment ceux de TI et Analog qui ont la capacité d'alimenter directement un système

Je n'ai pas étudié en détail les datasheet, mais ça parait intéressant.

[ATdevice]

Bonjour à tous,

Alors après un déménagement, toujours pas d'étagère installée pour cause de travaux, mais j'ai enfin un prototype pour la partie gestion de batterie :

J'ai regroupé sur un même PCB le circuit de protection du pack batterie (PCM), le chargeur de batterie (bq21040) et le contrôleur panneau solaire (MPPT).

A cela j'ai ajouté un chargeur de batterie Li-Po faible capacité (circuit MCP73831T-2 et batterie 150 mAh voire moins) pour gérer un circuit indépendant, soit allumage à distance passif genre interrupteur EnOcean, soit un MCU low power pour gérer l'intensité lumineuse, allumer les voyants ou non... bref je voulais voir si c'était possible d'avoir un second chargeur (courant de charge limitée à 50mA) pour avoir une alimentation permanente "contrôle" indépendante de la batterie "puissance"

Je n'ai pas fait de mesure pour le moment, mais le voyant vert en sortie du MPPT montre qu'il y a une tension, et les voyants rouges indiquent que la charge des batteries est en cours (un voyant pour le chargeur Li-Ion et un voyant pour le chargeur Li-Po)

En plus de ça, j'ai branché en sortie le convertisseur 5V -> 12V pour une des ampoules (Boost DC-DC TLV61046). Pour ceux qui n'ont pas relu depuis le début, l'ampoule est bien en 12V sur un culot E27 (ebay)
Les valeurs de résistances pour le DC-DC sont pas bonnes, du coup j'ai que 11,3V en sortie et sur alim de labo l'ampoule avait un point de fonctionnement correct entre 11,8V et 12,5V pour un courant de 20 mA (au delà de 12,5V le courant grimpe mais l'intensité lumineuse ne varie pas beaucoup donc autant ne pas vider la batterie pour rien)

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[Antoane]

Bonjour,

A cela j'ai ajouté un chargeur de batterie Li-Po faible capacité (circuit MCP73831T-2 et batterie 150 mAh voire moins) pour gérer un circuit indépendant, soit allumage à distance passif genre interrupteur EnOcean, soit un MCU low power pour gérer l'intensité lumineuse, allumer les voyants ou non... bref je voulais voir si c'était possible d'avoir un second chargeur (courant de charge limitée à 50mA) pour avoir une alimentation permanente "contrôle" indépendante de la batterie "puissance"

Je ne suis pas sûr de comprendre : tu veux intégrer sur un PCB deux circuits indépendants, contenant chacun une batterie lithium, un chargeur, et un PCM ? Qu'est ce qui pourrait faire que ce ne serait pas possible ?
Comment les chargeurs sont-ils alimentés ? Peux-tu fournir un schéma global ?

I doit être possible de trouver des CI intégrant le circuit de gestion de charge de l'accus et l'algo MPPT. Cela devrait permettre de diviser les pertes par ~deux en supprimant un étage de conversion. Voir par exemple : https://www.analog.com/en/parametric...arge|_solar|on

En plus de ça, j'ai branché en sortie le convertisseur 5V -> 12V pour une des ampoules (Boost DC-DC TLV61046). Pour ceux qui n'ont pas relu depuis le début, l'ampoule est bien en 12V sur un culot E27 (ebay)
Les valeurs de résistances pour le DC-DC sont pas bonnes, du coup j'ai que 11,3V en sortie et sur alim de labo l'ampoule avait un point de fonctionnement correct entre 11,8V et 12,5V pour un courant de 20 mA (au delà de 12,5V le courant grimpe mais l'intensité lumineuse ne varie pas beaucoup donc autant ne pas vider la batterie pour rien)

Ne serait-il pas préférable d'alimenter cette lampe avec un courant fixe (à définir en fonction des charactéristiques de la lampe, mais a priori de 20 mA) ? As-tu une doc pour cette lampe ?

[ATdevice]

Je ne suis pas sûr de comprendre : tu veux intégrer sur un PCB deux circuits indépendants, contenant chacun une batterie lithium, un chargeur, et un PCM ? Qu'est ce qui pourrait faire que ce ne serait pas possible ?
Comment les chargeurs sont-ils alimentés ? Peux-tu fournir un schéma global ?

J'ai pas le schéma sous la main mais j'ai pas réinventé l'eau tiède, j'ai repris le schéma de la carte d'évaluation du SPV1040 de chez ST : STEVAL-ISV012V1 en remplaçant le L6924D par le bq21040 de chez TI pour le pack Li-Ion.

Le second chargeur (MCP73831 pour la petite batterie Li-Po) était sensé être indépendant : Je voulais utiliser ce chargeur pour un autre projet et il me restait de la place sur le PCB donc je l'ai intégré dessus (plutôt que de faire un truc sur breadboard...). Au moment du routage j'ai pensé que ça pourrait être intéressant de le connecter en sortie du SPV1040 (tout comme le premier chargeur) mais de pouvoir le séparer du circuit avec le jumper bleu sur la photo.

Ma crainte était que la "surcharge" du SPV1040 empêche la charge des deux batteries (Le panneau photovoltaïque n'est pas une source "illimitée"), mais la Li-Po est chargée depuis un certain temps, et le pack Li-Ion est toujours en charge donc on verra si j'arrive à terminer la charge ou pas, la météo est pas top aujourd'hui ^^

Ne serait-il pas préférable d'alimenter cette lampe avec un courant fixe (à définir en fonction des charactéristiques de la lampe, mais a priori de 20 mA) ? As-tu une doc pour cette lampe ?

Oula une doc pour une ampoule chinoise ^^ c'est les mêmes lampes LEDs filament "Edison" qu'on trouve en bricolage, sauf que celle là s'alimente en 12V DC (ils en font même en 3V et 5V, si j'avais su j'aurais pu me passer d'un convertisseur...).
J'en avais récupéré une cassée dans le bac de recyclage, les filaments ont un Vf d'environ 60V (ça dépend de la longueur) du coup j'imagine que dans la mienne il y a déjà un DC/DC 12V -> 60V, faudrait que je teste en courant constant