chageur batterie plomb - Des engins électriques à l`IUT GEII de

GENIE ELECTRIQUE ET
INFORMATIQUE INDUSTRIELLE
Afficheur LCD
2 batteries
Selectionneur par
BP
Alimentation
flyback
24V/25A
Inductance de filtrage et
capteur de courant
2*Hacheur abaisseur PIC 16F877
Professeur : M. A.SIVERT
Réalisation : Monchanin Maxime
Lepage Benjamin
Mikusiak spephane
Charlot olivier
I.U.T GEII de Soisson, Cuffies Aisne 02
En espérant que l’histoire que nous allons vous compter va vous séduire
Les programmes ainsi que les typons sont en sources libres sur notre site d’étudiants
www.AEGEII.fr
1
1.
2.
3.
CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES DES BATTERIES AU PLOMB
ETUDE DES CHARGEURS DU COMMERCE
LE CAHIER DES CHARGES :
3.1. CHARGEUR 2X12V/20A AVEC PIC 16F877
4.
5.
6.
7.
8.
9.
ETUDE DE LA MESURE DE COURANT ET TENSION
ETUDE ET TEST DU HACHEUR
CARTE AFFICHEUR LCD, BUZZER ET BOUTON POUSSOIR
CARTE MESURE TEMPERATURE
TYPON DES 4 CARTES
ETUDE DE LA REGULATION
LOGIQUE FLOUE POUR CHARGEUR RAPIDE DE BATTERIES
SIMULATION DU CHARGEUR AVEC UNE BATTERIE
SECURITE ELECTRIQUE DU CHARGEUR
PROGRAMME DE TEST ET PROGRAMME DU CHARGEUR DE BATTERIE
ETUDE DU BILAN ENERGETIQUE DU CHARGEUR DE BATTERIE
ETUDE DE LA CARTE MICROCONTROLEUR AVEC LE PIC 18F6520
COMMENT DIAGNOSTIQUER UNE BATTERIE DEFAILLANTE ?
PRORAMME ET TEST DE LA DESULFATISATION
PROGRAMME ET TEST DE LA CHARGE D’ENTRETIEN
CONCLUSION GENERALE
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
Page
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41
Que ferez-vous demain pour changer le monde ?
Passe le relais pour un « monde meilleur »
Introduction
Les batteries au plomb doivent être toujours chargées pour qu’elles ne s’oxydent pas (sulfatisation).
Lors de l’utilisation de karting, il faut charger rapidement les batteries. Mais, il faut des charges lentes
dites d’entretien. Le karting et les scooters électriques ont 4 batteries en série. Cette étude va permettre
de réaliser 4 chargeurs unitaires.
L’avantage d’avoir 4 chargeurs unitaires est d’arrêter la charge de chaque batterie de façon
indépendante à cause des dissymétries qu’elles peuvent avoir.
2
1. Caractéristiques électriques des batteries au plomb
On peut observer sur la figure suivante une
batterie au plomb chargée. L’acide est du
sulfate de plomb. La force électromotrice de
la batterie dépend de la densité d’acidité.
Borne - : Pb + (SO 4 ) 2 => PbSO 4 + 2 e Borne+ : PbO 2 + (SO 4 ) 2 + 4 H => PbSO 4 + 2 H 2 O - 2e
Donc, une batterie est modélisée par un
générateur de tension EB en série avec
une résistance.
La transformation chimique correspond à
l’équation suivante :
Pb + Pb O 2 + 2 H 2 HSO 4 = PbSO 4 + 2H 2 0
On peut voir cette transformation sur la
figure suivante ou il y a 2 électrons qui
sont libérées lors de la décharge.
Lorsque la batterie se décharge l’acidité
diminue est du sulfate de plomb se met sur
les électrodes.
A 15% d’acidité la batterie est considérée
déchargée.
Lors de la charge, il y a du dihydrogène sur
la borne + qui s’échappe sous forme de gaz
et sur la borne – du dioxygène.
Plus, la tension de charge est importante et
plus de dégagement de gaz est important
donc, il y a une perte très faible d’eau.
C’est pour cela que pour les batteries au gel,
la tension maximale est de 14V pour
minimiser ce dégagement, et qu’il faut
parfois rajouter de l’eau dans une batterie
liquide.
1. Fig : Courbe de la variation de la
tension en fonction de l’acidité pour
un élément de batterie au plomb.
En fonction du nombre de charge et de décharge, la réaction chimique n’est pas entièrement réversible
et les électrodes restent sulfatées au bout d’un certain temps. Cette sulfatation est plus importante si la
batterie est déchargée, donc il faut que la batterie soit toujours chargée. Mais, la batterie perd 1% à 5 %
de sa capacité énergétique tous les jours. Donc pendant, un long séjour d’inactivité, il faut que la
batterie reçoive une charge d’entretien quotidiennement.
Nous allons voir quels sont les chargeurs qui existent dans le commerce et comment il charge les
batteries.
3
2. ETUDE DES CHARGEURS Du COMMERCE
Tous les chargeurs chargent à courant constant (principe des branchements des sources de type
contraire) puis limite la tension à une valeur limite pour ne pas avoir trop de dégagement gazeux aux
niveaux des électrodes. La courbe de charge est représentée sur la figure suivante :
CHARGE A TENSION CONSTANTE
CHARGE A COURANT CONSTANT
2. Fig : charge d’une batterie au plomb idéal
Il y’a 4 fabricants à l’heure actuel qui fabrique des chargeurs rapides depuis quelques années :
2006 : DOLPHIN PAR SPEEDONAX (12V, 40A) 4 leds d’état, chargeur analogique ou la
tension de saturation peut être réglée avec une résistance ajustable de 14V à 15V (350 €).
2008 : CHARGEUR C-TECK (12V, 25A) avec 2 boutons et 4 leds (200 €)
Celui-ci fait une désulfurisation pour l’entretien des batteries. Puis, il y a une charge d’entretien
que l’on appel floating.
2009 : CHARGEUR GYS (12V, 20A) avec afficheur LCD 2 lignes 32 caractères INEVERTER
20HF.
Le courant est réglable mais pas la tension de saturation (250 €).
GYS fait aussi un chargeur 40A pour 350 € et 70A pour 435 €.
2007 Teksup (12V/20A) avec 3 leds
(200€). on peut voir la photo sur la
figure suivante.
2005 Hyperion (2*12V/10A/200€).
Il y a un afficheur LCD qui indique la tension,
la capacité énergétique, le courant…
Ce chargeur est utilisé pour le modélisme, il
faut lui rajouter une alimentation 24V/25A
(50€). Il peut charger tous types de batteries.
Sur tous ces chargeurs, il n’y a pas beaucoup d’indication de l’état de charge (exemple la valeur du
courant, la tension des batteries…). Il y a juste quelques leds qui indiquent lorsque la batterie est finie
d’être chargée.
Donc, nous allons proposer de réaliser un chargeur qui indiquera l’état de la charge, mais
diagnostiquera aussi l’état de la batterie. Le chargeur pourra fournir des impulsions de courant pour
desulfater la batterie. De plus, notre chargeur pourra fonctionner en mode d’entretien.
4
3. LE CAHIER DES CHARGES :
Nous allons réaliser dans un premier temps, un chargeur avec un PIC 16F877 qui est relativement
limité (2 PWM, 8 entrée analogique) mais que nous connaissons bien car on l’utilise dans plusieurs de
nos modules. Puis, nous réaliserons un chargeur avec un PIC 18F6520 qui a 5 PWM, 16 entrées
analogiques).
3.1. CHARGEUR 2x12V/20A AVEC PIC 16F877 :
Le courant de charge sera réglable 2A à 20A et la tension de seuil aussi. Celle-ci variera de 12 V à 16
V. Par sécurité, on limitera le temps de charge à un nombre d’heures programmés.
Le courant et la tension de saturation seront choisis, puis il faudra appuyer sur le bouton poussoir
ON/OFF pour commander la charge. On peut voir sur la figure suivante comment sera organisé
l’afficheur LCD. La consigne a paramétré clignotera. Avant de charger, la tension des 2 batteries
seront mesurées pour diagnostiquer une décharge profonde ou un disfonctionnement.
U1 seuil
Consigne de courant I1
Rapport cyclique de U1
U1 et U2 mesure
Température
Transistor et interne
Temps de charge max
3. Figure : consigne du chargeur sur l’écran LCD
La fin de la charge sera pour un courant de 10% du courant consigne, mais la tension de sortie sera
toujours mesurée, si celle-ci diminue à 13V alors le chargeur recommencera à charger (cette tension
s’appelle Voltage Floating) avec un courant de consigne divisé par 2 (charge d’entretien).
On peut voir sur la figure suivante l’affichage pendant la charge avec le courant, la tension, le rapport
cyclique, la température, la capacité énergétique et le temps de charge.
Courant de charge
Tension reel
Rapport cyclique
Capacite energetique
Température transistor et
interne
Temps de charge
BP SELECT consigne
4. Figure :
Caractéristique
de la charge : écran LCD
BP ON/OFF
BP DECrementer
BP INCrementer
Avec un PIC16F877, Il faudra 2 chargeurs pour charger 4 batteries car il n’a que deux sorties PWM, il
serait intéressant d’avoir un seul processeur et un seul afficheur.
Nous avons choisi un PIC18F6520 car il a 5 PWM 11 convertisseurs Analogiques Numériques.
5
3.2. Le chargeur 4x12v/ 20A (PIC 18F6520)
C’est le même cahier des charges que précédemment mais avec un seul afficheur LCD et un seul
microcontrôleur pour charger 4 batteries. Le pic 18F6520 convient car il a 5 PWM en 10 bit donc plus
précis que notre pic16F877. De plus, ces convertisseurs analogiques numériques sont en 10 bits donc
les mesures seront plus précises.
3.3 Répartition des taches :
Chaque partie est décomposée entre nous. Donc, nous avons 4 cartes à réaliser pour faire le chargeur :
- une carte hacheur,
- une carte instrumentation,
- une carte mesure température
- une carte afficheur et bouton poussoir.
Toutes ses cartes réunissent tous les modules du génie électrique.
Enfin, il faudra réunir toutes ces cartes pour minimiser l’encombrement. Il y a aussi la carte
PIC18F6520 à réaliser.
3.4. Etude fonctionnelle du chargeur :
Pour réaliser notre chargeur nous avons besoin d’un afficheur LCD. Nous utiliserons une alimentation
secteur à tension fixe continu qui est réalisé dans le commerce et qui est normalisé CE. Cela permettra
de travailler en toute sécurité par rapport à la tension secteur. Le hacheur permet de faire varier la
tension et le courant au niveau de la batterie. On peut voir sur la figure suivante le schéma de premier
niveau de notre chargeur pour une batterie.
Mesure courant
Mesure tension
5. Figure : Schéma fonctionnel du chargeur
Souvent, la commande et la régulation du hachage est analogique a cause des problèmes de
discrétisation du microcontrôleur et des problèmes de temps de calculs. Nous allons prouver qu’il est
possible de le faire numériquement même avec un micro contrôleur bas de gamme et bon marché (10
Euros)
6
Le schéma de deuxième niveau avec les d’entrées et sorties du microcontrôleur est représenté sur la
figure suivante :
Alimentation
Extérieure 1 et 2
Hacheur 1 & 2
Port C
Boutons Poussoirs
-Sélection
-incrémentation
- décrémentation
- ON/OFF
Port B
Port A
µContrôleur
Traitement
Commande Port B
de
ventilateur
Mesure du courant
Port A
Mesure de la tension
Port B
Buzzer
Batterie 1
&
Batterie 2
Port D
Mesure de la température
Affichage
6. Figure : Schéma fonctionnel du chargeur
On peut voir les 4 cartes sur la figure suivante :
Alimentation1
220V=>24V/12,5A
Afficheur LCD
Microcontrôleur
Carte mesure
courant
Bobine
s
Carte hacheur
7. Figure : Chargeur 2x12V/20A
Notre chargeur de 12V/20A à un coup de 100 €. On peut observer la nomenclature grossière
dans le tableau suivant. Une nomenclature plus détaillée sera effectuée en annexe.
DESIGNATION
PRIX TTC
ALIMENTATION 24V /12,5A
40 €
CAPTEUR HASS50
20 €
MICROCONTROLEUR 16F877
10 €
BOBINE ETD55
10 €
DIVERS
10€
TOTAL
100 €
L’alimentation fixe 24V coute le plus cher mais elle permet de ne pas avoir de problèmes de sécurité
avec la tension secteur et elle est normalisée CE.
On pourrait remplacer cette alimentation par un transformateur rotorique 12V/40A avec un redresseur.
Mais ces transformateurs rotoriques à 50Hz (480W) sont lourds et volumineux.
Le mieux est de réaliser un hacheur avec structure PUSH-PULL, et un PFC (Power Factor Control)
pour les 4 batteries qui alimenteraient un bus continu de [18V x 40A x 4] soit 2880W. Mais cela est
une autre histoire pour un futur proche. L’étude de ce push pull est faite mais pas la
réalisation.
7
4. ETUDE DE la MESURE de COURANT et TENSION
Un capteur LEM HAS 50 a été choisi. Ce capteur LEM fournit une tension de 0,625V pour 50 A avec
une tension offset de 2.5V à 0A. Notre chargeur n’a pas de courant négatif. Donc, un AOP
comparateur sera utilisé pour améliorer la sensibilité et annuler cette tension offset de 2.5V.
Attention : la tension de l’A.O.P LM 358 a une tension de déchet de 1,7 V donc avec une alimentation
de 5V, la tension de sortie de l’A.O.P sera de 3,3V au maximum. Il est possible d’utiliser un AOP
TS912 qui lui a une très faible tension de déchet mais qui est plus cher.
Par conséquent avec 4 tours de fil et un courant de 20A, la tension du capteur sera seulement de
1,375V.
Etant donné que le C.A.N (convertisseur analogique du microcontrôleur) fournit une valeur décimale
de 255 pour 5V, la chaine de mesure du courant est la suivante :
Capteur de
courant
Imax=20 A 4 Tours 3,125V
Comparateur
amplificateur
2.2
Filtre
1
1,375V
AN2
C.A.N
255
5V
Valeur Décimal
1,375V 20A*4*(0.625/50)*2.2*255/5V
=70,125
Il y a donc un gain de 3.5 entre la valeur décimal et la valeur du courant. Donc, la précision de la
mesure de courant est de 7%. Un filtre sallen key passe bas du second ordre avec une fréquence de
coupure de 160 Hz est utilisé pour atténuer l’ondulation et les bruit du hacheur.
On peut voir sur la figure suivante le schéma électrique de la carte mesure de courant et tension.
8. Figure : Schéma électrique de la carte Mesure de courant et de tension
Les batteries étant en séries, la tension mesuré du hacheur 1 peut atteindre 24V et du hacheur 2 peut
atteindre 48V. Donc, 2 ponts diviseurs sont utilisés pour diminuer ces tensions à 4,8V. Ce qui permet
d’avoir un coefficient pour le programme du microcontroleur de 5 et 10 respectivement. On peut voir
sur la figure précédente les 2 ponts diviseurs résistifs à partir du bornier 1. Les condos C6 ou C7
permettent d’avoir un filtre passe bas du premier ordre de fréquence de coupure de 10 Hz pour atténuer
l’ondulation provoqué par le hacheur.
Maintenant que l’étude de la mesure et effectué, nous allons étudier le hacheur.
8
5. ETUDE ET TEST DU HACHEUR
Les hacheurs sont des convertisseurs continus – continus qui ont un rendement de 95%. En effet, il y a
très peu de pertes dans les transistors et les diodes car en électronique de puissance les semi
conducteurs fonctionnent en commutation (bloqué ou saturé). Car dans ces deux cas, ils ne dissipent
pas de puissance. L’inductance L1 permet de lisser le courant dans l’accumulateur pour avoir un
courant continu.
Donc, le chargeur est constitué par l’inductance L1, la diode D1 ou D1bis, le transistor de
commutation Q1 commandé par l’intermédiaire de l’opto-coupleur.
Le schéma électrique simplifié du hacheur est représenté à la figure suivante.
9. FIGURE : Schéma électrique simplifié du hacheur
Le transistor Q? est commandé par le micro contrôleur qui fournit une PMW (pulse width modulation
= Modulation de largeur d’impulsion). La PWM est un signal carré ou la période est fixe mais le
rapport cyclique est variable.
Le rapport cyclique est défini par l’équation suivante ou le temps ton correspond au temps ou le
transistor est saturé (passant) et T la période du signal
α=
t on
T
donc
0 < α< 1
La valeur moyenne de la tension U1 sera égale à :
U1 =
T
α T

1
U ali dt + 0 dt  = α ⋅ U ali

T
αT
0

Transistor Q bloqué
∫
∫
EQU(0)
Bilan sur une période
Transistor Q saturé
saturé
Donc, la tension moyenne U1 varie en fonction du rapport cyclique.
Le transistor Q1 est commandé par l’intermédiaire d’un opto-coupleur qui permet d’isoler la partie
électronique faible puissance, de la partie puissance. En effet, si le transistor Q1 est détruit, la tension
d’alimentation 24 V peut se retrouver sur la sortie du µcontrôleur et détruirait celui-ci. L’opto-coupleur
permet aussi d’amplifier les courants commuter à 200 mA alors que le microcontrôleur peut seulement
sortir 30 mA. L’information de la commande dans l’opto-coupleur se fait grâce à la lumière à
l’intérieur du circuit intégré. L’opto permet d’isoler la commande du transistor par rapport à la masse
du microcontrôleur.
9
Nous allons tester les composants d’un hacheur abaisseur, l’inductance, le transistor, la diode de roue
libre et l’optocoupleur. La fréquence a été choisie arbitrairement à 40 KHz avec un PMW sur 7 bits
par le pic 16F877.
La précision de sortie du hacheur Vs = α*Ve avec Ve = 24V
Vs =
1
24
⋅ 24 =
= 0,187V
7
128
2
EQU(1)
On peut voir sur le document suivant, le schéma électrique complet avec les deux hacheurs.
10. Figure : Schéma électrique des hacheurs
10
5.1. CHOIX DU TRANSISTOR
Le choix du transistor MOS est un FQP50N06. Il peut supporter un courant de 50A, sa Resistance
interne est seulement de 22mΩ, donc sa puissance dissipée est très faible. La tension max est de 30V
mais les pertes à la commutation est difficile à connaitre car il y a de nombreuses oscillations lors de la
commutation. Le prix est très abordable, 0,84 € seulement. Le boitier du transistor est un To 220 donc
pour le tester nous avons placé le radiateur.
On va calculer la puissance dissipée :
P = R DSon • I Batt => 0,022 20² = 8W
EQU(3)
La puissance perdue de commutation dans le transistor est donnée par la formule suivante :
Pcommutation =
VDS I B
( t trise + t fall ) Fhachage
2
EQU(4)
Le transistor demande un courant de polarité pour charger sa capacité Gate.
∆ Q= ∫ i rise dt = ( C Gs + C Gd ).V Gs − C Ds .U m = C iss .VGs
∆ Q= 1590. 10
Ig Max =
12
24V = 38nC =
I g .t
Avec
rise
+ C Dg .U m
t rise = 220ns
38 nC
= 0 ,172 A .
220 ns
Donc, la résistance R Gate sera :
RG
=
MAX
VGS
I gMAX
=
24
= 140 Ω
0,17
EQU(5)
La transconductance gFS MOS est 2,2A/V
La tension
VGS pour saturer le transistor devra être :
V GSSat
ID
+ V GSTh = V GSSat
g FS
=
=
20 A
+ 4 V = 13 V
2 .2
EQU(6)
VGS TH : Tension de déclenchement
La tension VGS qui commandera le transistor sera de 24V donc bien supérieur à VGSat
Le transistor suivant donne les principales caractéristiques des transistors qui sont susceptible d’être
utilise.
Pr ix P
transistor
Diode
VGSth Boitier
I MAX VMAX R DS
Ig MAX
intégrée
(€)
(W )
(A )
(V )
(mΩ ) (V )
20A
FDU8880
20
30
10
2
To251
0,49
4
NON
FQP50N06
50
60
22
4
To220
0,84
8
OUI
0,172
Le deuxième transistor sera plus adéquat car le boitier est plus facile pour mettre un radiateur.
11
5.2. CHOIX DE LA DIODE
Le choix de la diode est une diode Schottky
de référence MBR1535 pour sa rapidité et
une faible
consommation. Elle peut
supporter un courant moyen 15A et une
tension inverse de 35V.
Son prix est de 1,70 €.
On peut en mettre 2 en parallèle pour
supporter 30A.
11. Figure : boitier de la diode
5.3. CHOIX DE L’INDUCTANCE
L’inductance est choisie pour filtrer le courant dans le cas le plus défavorable pour un rapport cyclique
de 0,5. Le courant minimum de la charge est donc de 1A, pour avoir un régime de courant continu, la
valeur de ∆I sera de 0,5A. Donc la valeur de l’inductance minimale sera :
L=
Ve(1 − α )
24
1
=
⋅ = 0,3mH
3
∆I ⋅ Fd
0,5 ⋅ 40 ⋅ 10 4
EQU(7)
∆I sera choisi à 50% de I min = 0,5A
L’énergie que doit emmagasiner l’inductance sera de :
1
1
L(I 2max I² min ) =
0,3 • 10 -3 .(20²) = 60 mJ
EQU(8)
2
2
A partir de la courbe du constructeur de l’énergie, on a choisi un noyau en forme de E (ETD44).
Pour un courant de 20A, il faut un diamètre de fil de 1,5mm pour une section de 2,5mm².
Mais, pour éviter l’Effet de Peau, il faut mettre plusieurs fils en parallèle. La valeur de l’effet de Peau
dans le cuivre a pour profondeur :
WL
=
ep =
2.10 −8 Ωm
ρc
π.µ 0 .FH
EQU(9)
40Khz
Soit 0,35mm à 40Khz. Pour éviter l’effet de Peau, on a choisit du fil 1 mm de diamètre, qui peut
supporter un courant de 5 A.
Dans un premier temps, nous allons faire les calculs avec le noyau suivant :
Noyau
ETD44
Section
(mm²)
180
L (H)
0,3 .10-3
µr
B MAX ( T )
1800 ± 25%
0,36
Rayon CM
(cm)
2
Le nombre de spires est détermine par l’équation suivante
N=
I max L
20.0,3
=
= 50
B max Section 0,36.180 -6
EQU(10)
12
L’entrefer entre les deux noyaux permet à la bobine de supporter un courant relativement important,
mais la valeur de l’inductance diminue.
En effet, l’inductance et le courant Max ont pour équations :
N²
N²
L(e) =
=
Long CM
e
R
+
µ 0 µ 1 S µ 0S
2 • B MAx ² Long CM
e
I max (e) =
(
+ )
N
µ 1µ 0
µ0
EQU(11)
EQU(12)
12. Figure : ETD44 en pièces et la bobine réalisée en multi brin
La reluctance R et l’entrefer doivent satisfaire le nombre de spires et la valeur de l’inductance, donc
les valeurs sont les suivantes
N²
50²
=
= 8,5.10 6 H -1
L
0,3.10 - 3
1
Long _ CM
e = .( R .S.µ 0 + 2.
) = 1,4 mm
2
µr
R =
EQU(13)
EQU(14)
La longueur du fil émaille sera :
Longueur
fil
= 2π.rayonCM.N avec rayon circuit magnétique = 0,02m
Longueur
fil
= 2 π 0,02 = 6,3m
Le fil émaille de 1 mm de diamètre peut supporter un courant de 5A. Donc, il faudra assembler 4 à 5
fils pour supporter un courant de 20A.
La résistance de la bobine doit être très faible pour minimiser les pertes et l’échauffement de celle-ci.
De plus, cette résistance provoque une chute de tension de sortie. En effet, lorsque le courant de sortie,
la résistance provoque une chute de tension mais que la régulation éliminera.
R=
ρ cuivre .Longueur _ Fil 2.10 -8.6,3m
=
= 0,115Ω
Section _ fil.nbr _ Fil
1.10 -6.5
EQU(15)
πD²
EQU(16)
4
Apres ces calculs, il faut vérifier que le nombre de spires passent bien dans la fenêtre du circuit
magnétique.
Section_ fil =
13
Le tableau ci-dessous permet de faire un bilan en fonction de 2 cores pour une inductance de 0,3mH,
avec une perméabilité µr de 1800, et champ max de 0,36Tesla.
Core
Section mm²
ETD44
ETD55
180
280
LongueurCM
(mm)
100
127
Imax
e (mm)
entrefer
1
1,4
11A
17A
Longueur(m)
du fil
2,72
3,2
En fonction du diamètre du fil, la résistance aura les valeurs théoriques suivantes, les mesures ont été
faites par la méthode du paragraphe suivant.
Théorie
Φ fil
Long fil
(mm)
(m)
1,5
3,2
0,315*5 3,2
0,315*20 3,2
R theorique
(Ω)
0,036
0,163
0,082
Mesure
∆T (5A)
°C
Imax(A)
13
6
24
43
80
13
R mes (Ω)
(5A, 40Khz)
0,32
0,4 erreur
0,4 erreur
On peut voir qu’il y a des différences entre la résistance théorique et la résistance pratique. Donc, seule
des essais permettent de confirmer le choix final. De plus la méthode de mesure de la résistance de la
bobine n’est pas correcte donc il faudrait utiliser d’autres méthodes.
En effet pour seulement 4 fils la résistance est de 0,4 Ω, donc cette valeur devrait diminuer pour 20
fils.
Maintenant, on va vérifier par 2 méthodes les valeurs de l’inductance car la perméabilité du circuit
magnétique est à ± 25%, de plus l’entrefer fictif (inductance de fuite) n’est pas connu.
5.4. Mesure de l’inductance à « fréquence basse »
Valeur finale =
20 V
10 Ω
= 2 A
63% de la valeur finale
τ=L/R
La tension est fixée à 20V avec I final = 2A
Comme on peut le voir sur la figure ci-après,
cette méthode repose sur la détermination de
la constante de temps τ soit le temps
correspondant à 63% de la valeur finale. Il
faut vérifier que le courant ne sature pas donc
avoir une forme exponentielle.
Pour avoir le régime 3.τ donc il faut une
fréquence de commutation :
FH
<<
1
d’où le nom test à « fréquence
3τ
basse »
13. Figure : Courant de la bobine et tension Vce pour F << 1/3τ
Notre deuxième méthode est basée sur la mesure de l’ondulation du courant dans l’inductance ∆I de
l’équation 7.
14
5.5. Test du ∆I à haute fréquence
Comme son nom l’indique aussi cette
méthode repose sur la détermination de la
variation de courant ∆I pour savoir la valeur
de l’inductance.
On imposera un rapport cyclique de 0,5 ou le
∆I a une valeur plus importante
Tension VDS
14. Figure : courant de la bobine et
tension VDS avec Imoy = 5A
∆I
Avec le rapport cyclique de 0,5, si l’inductance n’est pas saturée alors l’inductance sera égale à :
∆I =
Ve
Ve
⇒L=
4 ⋅ L.Fd
4 ⋅ Fd ⋅ ∆ I
EQU(17)
On peut observer que le ∆I est constant tant que le courant n’est pas saturé puis lors de la saturation le
∆I augmente fortement, ce qui est préjudiciable pour le transistor et la diode qui doivent supporter des
courants max égal à
(I
moy
+
∆I
2
)
Nous allons tester une bobine avec différentes valeur d’entrefer avec core ETD44
n°
n
e(mm)
entrefer
Ø (mm)
fil
Sect(mm²)
Fil
L (mH)
F<1Khz
L (40Khz)
mH
∆I (A)
40Khz
Imoy=5A
∆I(A)
20Khz
Imoy=5A
∆T (5A)
°C
1 50
0,4
1,3
1,32
0,72
0,625
0,2A
0,4A
11
1 50
0
1,3
1,32
2,9
2,5
0,05A
0,08A
7
A partir du tableau, l’ordre de grandeur de l’inductance correspond bien à la valeur théorique. De plus
avec les deux méthodes précédentes, la mesure de l’inductance est identique.
L’avantage d’utiliser un E est d’avoir une
perméabilité relativement importante et de
choisir son entrefer mais la saturation en
courant est très vite atteinte.
Etant donné que les courants sont
relativement importants et que l’ondulation
de courant n’est pas cruciale pour réaliser un
chargeur de batterie, il est possible d’utiliser
un tore que l’on peut voir sur la photo
suivante avec une faible perméabilité, donc
pouvant supporter un courant très important
Les 2 tores (non bobiné et bobiné) sur la
photo sont identiques, c’est un problème de
perspective.
15. Figure : tore non bobiné et bobiné
15
Dans les tores, il n’est
pas possible d’avoir un
entrefer.
Les
distributeurs
classiques ne vendent
pas ce type de produit
seul BFI OPTILAS SAS
fournit ce produit.
Pour avoir beaucoup
de courant, il nous
faut
une
faible
perméabilité
nous
avons choisis
77194-A7.
Caractéristique des tores chez magnetics http://www.mag-inc.com/
N=
I max
L
0,125 • 10 =
AL
200.10 -9
3
= 25 spires
avec AL=
1
Reluctance
B max • Section 0,75.0,28 10-3
=
=
= 42A
N • AL
25.20010 -9
Le prix du tore est 3 fois moins cher que l’ETD55 mais, il est difficile de s’en procurer car il est vendu
par carton de 500.
Maintenant que les bobines ont été caractérisées, nous allons vérifier le bon fonctionnement du
hacheur.
Il faut une batterie déchargée sinon elle ne prendra pas le courant désiré. Donc, dans un premier temps,
il est plus facile de prendre une résistance de charge.
16
5.6. TEST DU HACHEUR
Sur R ch arg e une résistance de 100Ω/6W,
hacheur abaisseur.
α /128
U1microcontroleur
U voltmetre
(V)
10V
6
10,46
15V
45
15,34
20 V
76
20,19
on augmente la tension consigne pour vérifier la linéarité du
Ttransistor °C Tdiode °C
I1microcontroleur I pince
(A)
FDU880
(A)
0,1
0,1
30
34
0,19
0,17
34
40
0,2
0,25
36
47
α .U
Avec le tableau suivant, on peut vérifier que U 1 = Dec e + ( R DS + R Bobine ).I 1
128
Nous allons refaire le même tableau mais cette fois-ci a 10V avec différentes valeurs de charge.
α /128
Temperature transistor
I1
Rch arg e
Temperature diode
Ra cyclique
FDU880
100
0,1
6
34
30
10
0,8
45
34
33
2Ω
4,7A
56
50
42
1,42 Ω
6,4A
59
78
54
On voit bien que le rapport cyclique augmente pour annuler la chute de tension de la résistance de la
bobine et a la résistance R DS du transistor. Ceci va permettre de déterminer la résistance de la bobine.
5.7. ETUDE DYNAMIQUE DU HACHEUR
On provoque un courant important en sortie de 5A. On peut voir sur la figure suivante la tension de
sortie qui diminue à cause de la chute de tension du à la résistance R DS + R Bobine , mais la régulation de
tension annule l’erreur. A partir de ce phénomène, on peut déduire la résistance interne du hacheur:
∆U ∆α.Ve
R DS + R Bobine =
=
EQU(18)
I
I.128
REMARQUE : lorsqu’on annule le courant, il y a une surtension à cause de la résistance du hacheur.
Par conséquent, il faut que la résistance de la bobine et du transistor soit le plus faible possible pour
éviter des sous tensions et des surtensions.
Sur tension
Tension regulée
10V
Sous tension
BOBINE
ETD44
Fil de 1,3mm
5A
R transistor = 10 mΩ négligeable
Chute de tension = 0,8*2 = 1,6 V
R bobine = 1,6V/5A = 0,32 Ω
Figure19 : Mesure chute de
tension des bobines
0A
Maintenant, nous allons voir comment on choisit un opto-coupleur.
17
5.8 CHOIX DE L’OPTOCOUPLER
L’opto-coupleur permet d’isoler la masse de l’alimentation du microcontrôleur et la masse de
l’alimentation de puissance. De plus cette isolation permet d’utiliser un transistor à canal N qui sont
plus répandu que les transistors à canal P.
Mais, l’optocoupleur doit fournir le courant de pointe au transistor MOS.
Le choix de l’optocoupleur est un HCPL3020 qui permet de fournir un courant de 0,2A, ( ? Euros).
Mais un TLP250 est bien mieux, car il peut accepter une pointe de courant de 2,5A mais il est un peu
plus cher ( ? Euros). Le TLP250 permet de minimiser la résistance de gate et donc les pertes à la
commutation des transistors MOS.
La résistance de limitation du courant avec une alimentation de 24V pour HCTL3020 sera de :
24
= 120Ω
RG =
0 ,2
On peut voir la tension aux bornes de RG sur la figure suivante
0,2A
0,4A
24V
Pointe
de
courant
de la
gate du
transist
Tension V GS
3τ = 0,6µs
3τ = 1,25µs
16. Figure : courant ig et tension VGS
avec RG 120Ω
17. Figure : courant ig et tension VGS avec
RG 60 Ω
Sur la figure 17, on peut observer le courant I G par une résistance de 60 Ω, la pointe de courant est
deux fois plus grande que sur la figure 16 donc le temps de commutation du transistor MOS (trise , tfall)
est plus faible.
5.9. TEST DU HACHEUR
24V
Tension
∆I
Imoy
Courant
0V
Pour tester le hacheur, une résistance de
mesure de 0,05 Ω est placée en série avec la
bobine, ce qui permet de mesurer
l’ondulation du courant.
18. FIGURE : Courant et tension du
hacheur pour Imoy=12 A
On peut observer sur la figure des
oscillations aux bornes du transistor Mos du
aux capacités parasites.
18
L’oscillation de tension lors du blocage du transistor est préjudiciable car la tension V DS peut
dépasser la tension Max du transistor et détruire celui-ci.
De plus, Les oscillations à l’ouverture et à la fermeture du transistor provoquent des pertes plus
importantes à la commutation, donc un échauffement du transistor et de la diode de roue libre
supplémentaire.
Pour minimiser l’oscillation lors du blocage du transistor, une capacité de 470nF en parallèle sur V DS
sera mise. L’ordre de grandeur de la capacité peut être déterminé par les équations suivantes
I charge.tf 5.20.10- 9
Cj =
=
= 200nF
EQU(19)
24
2.Vce
.2
10
Il faut décharger cette capacité dans une résistance qui est déterminée par l’équation suivante :
10
10
(t r ) =
(200.10 -9 ) = 4,25 Ω
Cj
470nF
1
1
= CU².F ù = .470.10 -9 .24².40.10 3 = 5W
2
2
Rj =
PRj
EQU(20)
Il faut une diode pour décharger ce condo,
24V
= 6A
4Ω
On peut voir sur la figure suivante, l’effet du
condensateur en parallèle sur la diode, mais rien
de tel que les essais en réelles pour voir
l’efficacité du condensateur. Il y a bien une
minimisation de l’amplitude des oscillations sur
la tension.
le courant Max que doit supporter la diode est égal à
24V
19. Figure : l’effet du condensateur en
parallèle sur le transistor
5.10 Conclusion sur la carte hacheur
Lors de nos essais, 5 fusibles, 8 transitors et 2 optocoupleurs ont été détruits.
Il est difficile de diagnostiquer pourquoi le transistor de commutation est détruit car cela peut être du :
- surtension VDS du transistor
- pointe de courant Ig pas assez importante de l’opto-coupleur
- pointe de courent ID
- échauffement du transistor
Si un transistor grille, il est souvent en court circuit, donc il y aura 24V aux bornes de la batterie, d’où
un courant très important. Ce courant détruira le fusible de l’alimentation 24V.
La carte hacheur est un élément crucial. Elle est tres simple au niveau du principe mais pas facile à
mettre en œuvre avec un courant de 20A. Donc, nous avons présenté nos tests pour avoir une carte
fiable.
On a vu que la régulation rattrapait les surtensions et sous tensions du aux variations de la
charge. Nous allons voir comment fonctionne cette régulation. Mais, nous allons présenter la
carte afficheur et mesure de température ainsi que les typons
19
6. Carte afficheur LCD, buzzer et bouton poussoir
Il n’y a pas grand-chose à dire sur cette carte. Le buzzer permet de créer différent signal sonore en
fonction de la fréquence qu’on lui injecte. Un relais est utilisé ce qui permet de commander n’importe
quel ventilateur en 12V, en 24V et même en 220V en fonction de la température.
20. Fig. Carte afficheur et BP
Nous allons voir comment est mesurée la température ?
20
7. Carte mesure température
La carte mesure de température permet de connaitre la température de l’électronique interne, mais on
aurait pu mettre un capteur aussi sur la batterie et diminuer le courant de charge si la température
atteignait 45°C.
Mais, sur les batteries enroulées optima, il aurait fallu 6 capteurs pour chaque élément car un élément
peut chauffer et pas les autres.
Les Capteurs de température ont été choisi différents pour connaitre 2 types de capteurs. L’un des
capteurs fournit 10mV par °C sur une plage de température de 0°C à 150°C.
L’autre PT1000 est un capteur de température positive CTP qui a une plage de -20°C à 800°C. Des
amplificateurs permettent d’augmenter la sensibilité des capteurs pour une meilleure précision de la
mesure par le microcontrôleur.
21. Fig carte mesure température
Sur la carte hacheur, il faut grossir la largeur de la piste et les étamer avec du fil de cuivre de 2,5 mm2
pour faire passer 20A et minimiser les résistances du au câblage.
Voila les 4 typons pour les 4 cartes
21
8. Typon des 4 cartes
Hacheur
température
mesure
afficheur+bouton
2009/2010
Echelle : 1
Carte : chargeur 20A
I.U.T GEII de Soissons
22
9. ETUDE DE LA REGULATION
Une régulation doit comparer la valeur désirée (consigne) à la valeur mesurée (sortie). Cette
comparaison s’appelle l’erreur. En fonction de l’erreur (ε), un correcteur va commander le rapport
cyclique pour que l’erreur devienne nulle suivant une certaine loi.
En assemblant, les équations du modèle du hacheur abaisseur, de la chaine de mesure de tension, on
modélise ces équations par le schéma fonctionnel suivant :
Bv = 10
Consigne
tension
+
seuil
U c (V)
εV
Correcteur
tension
CV
−
∆C
255
UB (V)
Chaine de mesure de tension Accumulateur
α
1
U ali
+
+
RB
255
EB
∆
IB
(A)
C
Consigne courant
IC (A)
+
−
εi
Ci
Priorité à
l’asservissement
de tension
Si UB > Us eu il batterie
RL
Chaine de mesure du courant
µControleur
Bi = 9,4
22. Figure : schéma automatique de la régulation du chargeur
On peut voir sur le schéma précédent l’équation du hacheur, le filtre du hacheur avec p variable de
Laplace. L’objectif de la régulation est que la sortie soit égale à la consigne, donc que l’erreur soit
nulle.
Le correcteur pour réguler la tension et le courant correspond à l’algorithme suivant (il sera effectué
toutes les 0,1 secondes) :
*Si l’erreur > 0 alors αn+1 = αn +1 (fonction récursive)
En effet, lorsque l’erreur est positive, il faut que le rapport cyclique augmente pour que la tension de
sortie augmente et que le courant augmente. Inversement si l’erreur est négative :
*Si l’erreur < 0 alors αn+1 = αn −1
Par contre, lorsque l’erreur est nulle le rapport cyclique ne bougera pas.
*Si l’erreur = 0 alors αn+1 = αn
Une scrutation de la tension se fera arbitrairement toutes les 100 ms. Cette scrutation est appelée
période d’échantillonnage. On utilisera l’interruption du dépassement du timer 0 pour faire ce temps.
En effet, le timer 0 est déjà utilisé par le buzzer avec une période de 1 ms, donc il faudra un compteur
de 100 pour avoir la période d’échantillonnage.
Par conséquent, à chaque période d’échantillonnage, le µcontrôleur devra faire l’algorithme du
correcteur. Ce calcul durera quelques millisecondes et retournera dans le programme principal.
Ce type de correcteur est très lent mais, il est très stable. De plus, pour charger des batteries, une
période d’échantillonnage de 100ms est très rapide.
La régulation du courant fonctionnera si la limitation de tension n’est pas active. En effet, c’est la
régulation de tension qui est prioritaire par rapport à la régulation du courant. La régulation de tension
est une saturation ou une limitation.
Donc, s’il y a une limitation de tension, le rapport cyclique diminuera, et la tension de sortie diminuera
pour atteindre la valeur de limitation dans la batterie.
Notre professeur A Sivert a réalisé un prototype de chargeur à 100 A avec le même principe que
notre chargeur. Mais il a utilisé un autre correcteur « la régulation floue » qui va être publié
dans un colloque international. Voici son travail très vulgarisé.
23
Logique floue application : Chargeur rapide de batteries
A. Sivert Member IEEE, F. Betin Member IEEE
(L.T.I) Laboratoire des Technologies Innovantes AMIENS
Institut Universitaire de Technologie de l’Aisne, I.U.T, 13 av. F.Mitterrand, 02880 Cuffies, France
Tel : (33).03.23.76.40.24 Fax : (33).03.23.76.40.25 e-mail : [email protected]
Résumé- Dans ce papier, la logique floue est utilisée pour réguler la charge d’une batterie
d’accumulateur électrique 12V. Cette méthode est comparée avec un régulateur classique
proportionnel, intégral. La logique floue a été choisie pour sa faible demande de calcul, pour sa
robustesse vis-à-vis des paramètres extrêmement variables des batteries, mais aussi pour l’écart des
mesures du à la discrétisation. En effet, le chargeur utilise un micro contrôleur bon marché et
fonctionne correctement avec des batteries dont les paramètres varient énormément. Ce régulateur flou
a été testé avec succès pour un chargeur 12V - 100A.
Mot clefs : chargeur de batterie, logique floue, robustesse, PIC 18F6520.
Introduction
A l’heure ou les véhicules hybrides et électriques se développent, il faut pouvoir charger les batteries
très rapidement mais correctement pour garantir leur durée de vie. Par conséquent, il faut que la
régulation des grandeurs électriques soient indépendantes des paramètres des batteries. On se propose
dans cet article d’utiliser la logique floue pour sa stabilité vis-à-vis des perturbations ainsi que pour sa
simplicité de programmation. En effet, les chargeurs de batteries doivent pouvoir charger toutes
gammes de batteries et utilisent des microcontrôleurs bon marché. Ce microcontrôleur doit aussi
diagnostiquer l’état des batteries, réguler la charge, arrêter la charge, afficher les paramètres de la
charge, désulfater les batteries et protéger les batteries contre des échauffements. On peut voir sur la
figure suivante, les différentes étapes du chargeur de batterie :
CHARGE à tension constante
CHARGE à
courant constant
Figure 1. Les étapes du fonctionnement du chargeur [9] Manuel CTEK.
Configuration matériel
A partir de la tension secteur, un hacheur push pull avec un correcteur de facteur de puissance fournit
une tension 24V, 300A. A partir de cette tension, un hacheur abaisseur fournit la charge à chaque
batterie. Charger individuellement chaque batterie permet de contrôler toutes les tensions de seuil par
batterie. En Comparaison avec une charge en série de batterie, la tension de seuil peut être dépassée
car il y a des dissymétries entre les batteries. Par contre, cela multiplie le nombre de chargeur. Nous
utilisons ici un accumulateur composé de 4 batteries en série, de technologie au plomb spiralé de
marque OPTIMA. Les batteries peuvent fournir de grand courant de décharge (900 typique) et recevoir
des charges très rapides (300A). Les 4 hacheurs abaisseurs de 100A sont commandés par une Pulse
Whith Modulation (PWM) 8bits à 40kHz. Le microcontrôleur pour la régulation est un PIC16F6520
(bas de gamme). La mesure de courant se fait avec des capteurs à effet Hall de chez LEM.
24
3 Modèle de la batterie
Les paramètres du modèle d’un convertisseur électro chimique varient en fonction de sa constitution :
volume, surface des électrodes, types d’électrodes, état de charges, nombre de cycle, température,
vieillissement…Le modèle le plus simple, est une force électromotrice (FEM) notée EB en série avec
une résistance notée RB [8]. Mais, le modèle d’une batterie est bien plus complexe avec notamment
une capacité de valeur importante à ces bornes. Le chargeur doit fonctionner avec de nombreux types
de batteries de capacité énergétique et de technologie différentes (Ni-MH, Li-Po) donc il est inutile de
prendre un modèle compliqué. On se limitera à une FEM EB en série avec une résistance RB.
Les batteries de type Pb, Ni-MH et Li-Po sont chargées d’abord à courant constant puis à tension
constante et enfin soit en tension de maintient soit déconnectée. En effet, il ne faut pas que la tension
des batteries dépasse une tension de seuil critique. Donc, il faut une régulation précise de la tension
sous peine de destruction de la batterie. Le courant de charge peut être modifié en fonction de la
capacité énergétique de courant. Dans un premier temps, nous allons étudier, la régulation du courant,
puis la régulation de la tension de seuil.
4 Régulation du courant et de la tension d’une batterie
4.1 Modélisation
En premier lieu, il convient de modéliser la batterie et le hacheur abaisseur. La tension moyenne aux
bornes d’une batterie correspond à l’équation suivante :
UB moy = α ⋅ U ali − R L ⋅ I B
equ. (1)
avec UAli=24V
et α rapport cyclique [0,1],
La résistance RL de l’inductance de filtrage L du hacheur ne sera pas négligée vu le courant de charge.
L’équation du courant de la batterie correspond à l’équation suivante :
− EB
U
equ. (2)
avec (P : variable de Laplace)
et
R=RB+RL
I B (P) = B moy
R + L⋅P
La constante de temps L/R est très supérieure à la période de hachage ainsi qu’à la période
d’échantillonnage du régulateur qui a été choisi arbitrairement à 20 ms. Par conséquent, le courant
batterie aura atteint son régime établi à chaque période d’échantillonnage donc, l’inductance pourra
être négligée. Le modèle de la régulation de courant et de tension peut être représenté sur le schéma
suivant :
Bv = 10
Consigne
tension
+
seuil
U c (V)
εV
Correcteur
tension
CV
−
∆C
255
UB (V)
Chaine de mesure de tension Accumulateur
α
1
U ali
+
+
RB
255
EB
∆
IB
(A)
C
Consigne courant
IC (A)
+
µControleur
−
εi
Ci
Priorité à
l’asservissement
de tension
Si UB > Us eu il batterie
RL
Chaine de mesure du courant
Bi = 9,4
Figure 2 : schéma automatique de la régulation du courant et de tension
25
4.2 Régulation du courant – Correcteur I
Dans un premier temps, nous allons étudier la régulation de courant. La force électromotrice EB de la
batterie provoque une erreur statique. Un correcteur purement intégral ∆Ci(p)=(εi(p).ki)/p permettra
d’annuler l’erreur statique et de ne jamais avoir de dépassement. En effet, la fonction de transfert du
courant correspond au un premier ordre suivant :
I B ( P) = (
IC E B ⋅ P
1
−
)⋅
Bi A ⋅ Bi 1 + P ⋅τ
equ. (3)
avec
A= (ki.Uali/255), Uali =24V
dont la constante de temps de la boucle τ est définie par :
τ=
R
A ⋅ Bi
equ (4) avec Rmini=RL=10mΩ et le coefficient de contre réaction Bi = 9,4.
La constante de temps dépend de la valeur de RB. De plus, cette régulation classique dépend de la
mesure du courant. Une erreur de mesure du courant (ondulation ou parasite du au hachage) peut
provoquer de grande variation du courant de sortie vu la faible valeur de la résistance RB et RL
(quelques mΩ). En effet, un décalage unitaire minimal du rapport cyclique ∆C provoquera une
variation du courant correspondant à l’équation suivante :
1 ⋅ 24
∆C ⋅ A
∆IB=
=
=3 Α
equ (5)
R L + R B 255 ⋅ (0.01 + 0.02)
La mesure de courant est filtrée analogiquement pour minimiser ce problème mais des parasites
subsistent. Par conséquent, ce type de régulateur n’est pas trop adapté à notre système car elle
engendre une grande variation de ∆C en cas de parasite sur la mesure de courant.
4.3 Régulation du courant – Correcteur I unitaire
Par conséquent, on préféra utiliser un correcteur intégral qui ne dépend plus de la valeur de la mesure
de courant mais seulement au signe de l’erreur. De plus pour éviter de trop grande variation de la
sortie, l’incrément du correcteur ne pourra qu’être unitaire pour une période d’échantillonnage comme
le montre la figure 3. Le correcteur correspondra donc à l’algorithme suivant :
Si l’erreur ε > 0 alors ∆C(z)= Te/(1-z -1)
1
ε
∆C
Si l’erreur ε < 0 alors ∆C(z)=- Te/(1-z -1)
Te
εS
− εS
-1
1
−
Z
Si ε < ε s = 0
alors ∆C(z)= 0 /(1-z )
−1
-1
Figure 3. Schéma automatique du correcteur
Ce type de correcteur permet d’être moins dépendant vis-à-vis de la mesure de la sortie, des variations
de EB et RB. Par contre, les dynamiques de la sortie sont très lentes et correspondent à l’équation
suivante :
I B (n.Te) = (n ⋅ Te ⋅ A - E B ) / R B
equ. (7)
avec n ∈ Z,
EB = 12V et RB = 20 mΩ.
Pour une consigne de 50A, il faudra 68 périodes d’échantillonnages pour que le régulateur atteigne ce
courant. Avec une période d’échantillonnage de 20ms, il faudra donc 1,36s mais ce temps est
insignifiant par rapport au temps de charge globale qui est de plusieurs minutes.
26
4.4 Régulation du courant – Correcteur Flou
Pour augmenter les dynamiques du courant IB, un correcteur flou sera utiliser et permettra de
minimiser l’influence de la mesure de courant [1]. On utilise la structure de régulateur flou suivante :
Correcteur flou courant Ci
e
εi
∆UF
k1
∆e Fuzzication
e& =
Te
+
z −1
Table
∆Ci
integrateur
k2
-
Te
−1
1 −Z
DeFuzzication
F
igure 4 : schéma du correcteur flou du courant
Le principe de l’imposition de la dynamique de la sortie par le régulateur flou repose sur la
modification de la commande UF selon la position du point représentant l’état du système dans le plan
de phase normalisé figure 6 [3][7].
En effet, le régulateur flou avec des règles d’inférence complète et avec des fonctions d’appartenance
en et e& n de forme triangulaire est un plan de phase ou la commande UF sera nulle lorsque le point
représentant l’état du système correspondra à la dynamique de la sortie voulue [4][5]. La table
d’inférence correspondant aux variables linguistiques est représentée à la figure 5 avec un tableau 9
par 9 :
e& n /en
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
0
-0.5
-1.5
-2
-3
-4
-5
-5
-5
0.5
0
-0.5
-1.5
-2
-3
-4
-5
-5
1.5
0.5
0
-0.5
-1.5
-2
-3
-4
-5
2
1.5
0.5
0
-0.5
-1.5
-2
-3
-4
3
2
1.5
0.5
0
-0.5
-1.5
-2
-3
4
3
2
1.5
0.5
0
-0.5
-1.5
-2
5
4
3
2
1.5
0.5
0
-0.5
-1.5
5
5
4
3
2
1.5
0.5
0
-0.5
5
5
5
4
3
2
1.5
0.5
0
Figure 5 : Table d’inférence des
Variables linguistiques du régulateur flou
e&
Trajectoire du système régulé
IC
e= erreur
Droite ou la commande ∆UF =0
Figure 6 : Trajectoire dans le plan de
phase
Les règles d’inférences se limiteront au tableau de la figure 5 pour une implantation aisée sur un
micro contrôleur ne pouvant effectuer que peu de calcul. Et, la commande UF =(k1.e, k2. e& ) est
déduite directement du tableau de la figure 5.
La droite comprenant les valeurs 0 dans le tableau de la figure 3 correspond à la dynamique
souhaitée ou la trajectoire va glisser. Cette droite est appelée droite de commutation car la
commande UF commute entre une valeur positive ou négative de chaque coté de cette droite. Par
conséquent, la trajectoire du système régulé dans le plan de phase « glisse » [2][6] autour de cette
droite comme sur la figure 6. En effet, à partir de notre modélisation, la trajectoire dans le plan de
phase sera toujours attirée vers la diagonale de la table de décision ou la commande est nulle grâce à
l’intégrateur du régulateur flou figure 4. Par conséquent lorsqu’il y a glissement, le système régulé
sera définie par l’équation de la droite de commutation suivante equ (8) :
S(e, ∆e) =k1.e+k2.Te ∆e=0
equ (8)
IB(n.Te)= (I B (x ⋅Te) - I C ) ⋅ e
-k 1
⋅( n ⋅Te )
k 2 ⋅Te
+ IC
Equ.(9)
La résolution de l’équation différentielle (8) correspond à un premier ordre equ (9) avec une
constante de temps égale à la pente de la droite de commutation Dc (-k2.Te/k1). Donc, le choix des
facteurs d’échelles k1, k2 du régulateur flou permet de définir les dynamiques de la sortie.
Le facteur d’échelle k1 donne la précision de la fonction d’appartenance de l’erreur. Cette précision
correspond à la consigne divisée par 4 avec la table utilisée de la figure 3. Par exemple, Pour un
échelon de 100 A et un facteur d’échelle unitaire, la précision de la fonction d’appartenance sera de
27
25 A ce qui est très insuffisant pour ne pas avoir d’erreur statique. Donc, Il faut augmenter la
précision de la fonction d’appartenance en fonction de l’erreur avec une précision finale
correspondant à l’ondulation du courant provoquée par le hacheur. Pour cela, il faut modifier, la
valeur du facteur d’échelle k1 en fonction de la sortie de la façon suivante :
Si IC > e > Ic/4 alors k1=4 / IC = 0,04
avec IC max=100A
Si Ic/4 > e > Ic/42 alors k1=42/ IC= 0,16
equ(10)
Si Ic/42 > e > Ic/43 alors k1=43/IC = 0,64
D’ailleurs, ce changement de facteur d’échelle est proposé par la publication [4] qui expose un
changement des facteurs d’échelles lorsque la position est proche de la consigne pour ne pas avoir
d’erreur statique. Maintenant que les facteurs d’échelles sont déterminés pour le régulateur flou,
nous allons voir les problèmes liés à la régulation de la tension de la batterie.
4.5 Régulation de la tension de la batterie
Pour limiter la tension aux bornes de la batterie à la tension de seuil, nous avons les mêmes
problèmes de régulation. En effet, la résistance de l’inductance RL du hacheur provoque une erreur
statique. Un correcteur purement intégral ∆Cv(p)=(εv(p).kv)/p permettra d’annuler l’erreur statique
et de ne pas avoir de dépassement. En effet, la fonction de transfert de la tension est aussi un
premier ordre correspondant à l’équation suivante.
U
R ⋅I ⋅P
1
1
U B ( P) = ( C − L B ) ⋅
equ (11) dont la constante de temps τ V =
equ (12)
Bv
A ⋅ BV
1 + P ⋅τ
A ⋅ BV
Comme pour la régulation de courant, une erreur de mesure de la tension (parasite ou ondulation du
au hachage) peut provoquer de grande variation de la sortie. En effet, un décalage minimal unitaire
de ∆C provoquera une variation de la tension correspondant à l’équation suivante :
1 ⋅ Uali
∆UB= ∆C ⋅ A =
=0.1V
equ(13)
255
La mesure de la tension est bien évidement filtrée analogiquement et numériquement. Mais pour les
mêmes raisons que la régulation de courant l’utilisation de la régulation floue est préférable.
Pour illustrer la stratégie de commande présentée, nous allons simuler la régulation de courant de la
batterie.
5. Simulation
Les simulations ont été réalisées directement avec un simulateur électronique « ISIS » qui simule le
programme du microcontrôleur ainsi que le hacheur et la batterie. Les modèles SPICE du transistor
MOS et la diode de roue libre sont donc pris en compte ainsi que le filtrage de l’inductance et la
période d’échantillonnage de 20ms.
Pour voir l’avantage et les inconvénients des deux dernières régulations présentées, on simulera une
réponse indicielle de courant à 50 A. Puis, la consigne passera d’un courant de 50 à 10A pour bien
voir les dynamiques de la sortie. Le choix des facteurs d’échelle du régulateur flou doit avoir
évidement une constante de temps supérieur à la période d’échantillonnage. Cette constante de
temps sera choisi arbitrairement à (-k2.Te/k1)=80ms. Le facteur d’échelle k1 est choisi pour
satisfaire les conditions des équations (10) ainsi que le facteur k2.
Les 2 figures suivantes représentent le courant et la tension de la batterie en fonction du temps.
Avec le régulateur flou, le courant a une dynamique plus rapide grâce à la table d’inférence ou ∆C
sera supérieur à 1 par rapport au correcteur de la figure 3. En fait, le correcteur de la figure 3 est un
cas particulier de la régulation flou avec une table d’inférence minimale.
28
On peut observer qu’il n’y a pas de dépassement de la consigne de courant mais il y a une
oscillation du courant autour de la consigne sur la figure 7 de période minimale 2.Te car εS du
correcteur de la figure 3 est égale à 0. Cette oscillation n’est pas présente pour la régulation floue
grâce au changement des facteurs d’échelle k1.
On peut aussi examiner l’ondulation de courant dû au hachage ainsi que le courant qui atteint son
régime établi pour chaque période d’échantillonnage de 20ms.
tension
tension 1V/div
50 A
courant
50 A
courant
5A/div
20 A
10 A
100ms/div
Figure 7 : Courant avec correcteur de la figure 3
Figure 8 : Courant avec le régulateur flou
Maintenant, que les simulations sont validées, nous allons implanter ces deux derniers correcteurs.
6. Résultat expérimentaux
L’implantation du régulateur flou a été réalisé sur un microcontrôleur PIC 16F6520 qui a 4 sorties
PWM pour commander les 4 hacheurs. Un afficheur LCD permet de voir les informations
principales du chargeur. Le courant est mesuré à l’oscilloscope par l’intermédiaire de capteur effet
hall et d’un ampli soustracteur. On peut observer sur les 2 figures suivantes l’ondulation du courant
due au hachage mais il y a aussi des parasites de mesure car l’ondulation n’est que de 3 A. On
remarquera que les résultats expérimentaux sont très proches des simulations.
tension 2V/div
13.8V
13V
50A
50A
courant
10A/div
10A
10A
∆I=3A
0
Figure 9 : Courant avec correcteur de la fig.3
Figure 10 : Régulation flou
Une période d’échantillonnage aurait pu être choisi bien plus grande (1 seconde par exemple), car
les paramètres des batteries varient très lentement en fonction de la charge (30 minutes dans le cas
d’une décharge profonde et quelques minutes pour une faible décharge).
29
8. Conclusion
Dans cet article, nous avons démontré qu’il était très intéressant d’utiliser un régulateur flou pour
contrôler un chargeur des batteries à cause de l’ondulation de la sortie dû au hachage. Ce régulateur
demande peu de calcul et donc peut être utilisé avec des microcontrôleurs bon marché. Le
régulateur a l’avantage d’être « robuste » vis-à-vis des variations de la batterie. Cet avantage permet
à ce régulateur d’être utiliser sur une grande plage de capacité énergétique avec des technologies
différentes. Cet article prouve qu’il est possible de réguler le courant directement par le
microcontrôleur car pour la plupart des chargeurs de batteries, des régulateurs analogiques à
fourchette de courant sont utilisés. Ces régulateurs à fourchette de courant ne travaillent pas à
fréquence de hachage constante et sont contraint à fonctionner seulement pour une plage de batterie
restreinte.
Grace au régulateur flou, il n’y aura jamais de dépassement du courant max préconisé, ni de la
tension de seuil. Néanmoins pour chaque technologie, Il faudra évidement paramétrer les consignes
de courant et les tensions seuils par éléments.
IX. Bibliographies :
[1] H. Bühler "Réglage par logique floue" Presses polytechniques romandes, 1994.
[2] H. Bühler "Réglage par mode de glissement", Presses polytechniques romandes, 1986.
[3]Y.F.Li , C.C. Lau "Development of fuzzy algorithms for servo systems ", I.E.E.E Control Systems Magazine, pp.6572, April 1989
[4] A.Sivert, F. Betin, D. Pinchon "Selection des parmétres d’un regulateur flou à partir de la théorie des modes
glissants" Revue internationale de genie electrique Volume 6-n°5-6/2003, pp 609-637
[5] F. Betin, A.Sivert, D. Pinchon, "Comparison between fuzzy logic regulation and variable structure approach applied
to DC motor control", EPE, august 2001.
[6] A. Sivert "Commande à structure variable appliquée au positionnement d’une charge mécanique à forte perturbation
paramétrique", Thèse de l'Université de Picardie Jules Verne, soutenue en septembre 1999.
[7] W.J Wang, H.R Lin "Fuzzy control design for the trajectory tracking on uncertain nonlinear systems ", I.E.E.E
transactions on fuzzy systems, Vol. 7, N°1, pp 53-62 February 1999.
[8] : Accumulateurs au plomb, J. ROBERT, J. ALZIEU, Techniques de l'Ingénieur, Traité Convertisseurs et machines
électriques, novembre 2004, 14 pages.
[9] Manuel CTEK.
Apres une phase d’étude détaillée de chaque partie de notre chargeur, nous allons passer à la
phase d’assemblage des cartes.
Nous allons donc faire la simulation de notre chargeur sur une batterie. On peut voir le
résultat de la simulation dans le chapitre suivant.
30
10.SIMULATION DU CHARGEUR AVEC UNE BATTERIE
Cette simulation va permettre de vérifier notre programme avant l’implantation réelle. Au début le
programme affiche les consignes tension et courant et la température, puis il faut appuyer sur la
sortie pour voir la charge
perturbation
batterie
23. FIGURE : Simulation avec un seul hacheur et une batterie avec les consignes
Il faut appuyer sur le bouton sorti pour voir la régulation
s’afficher. Pendant la charge le rapport cyclique n’est pas
nul. Le temps de charge ainsi que le courant et la tension
de charge peuvent être observé sur la figure ci jointe.
24. FIGURE: Charge d’une batterie
25. FIGURE: Arrêt de charge
Lorsque le courant est inferieur à 10 fois le courant
consigne, il y a l’arrêt de la charge avec un rapport
cyclique et un courant nul. La mesure de la tension est
toujours effective
En simulation, le capteur à effet hall est simulé par une résistance fixe.
Pour valider la régulation une résistance variable de charge est placée en série avec la batterie. Cette
résistance permet de faire varier le courant de charge en temps réel donc les modifications du
rapport cyclique et de la tension.
Mais il va falloir tenir compte de la sécurité du chargeur en software et hardware.
Nous allons donc faire une étude sur la sécurité du chargeur.
31
11.SECURITE ELECTRIQUE DU CHARGEUR
Le prix des batteries est relativement chère, donc il faut absolument que le chargeur s’arrête en fin
de charge sinon la batterie chauffe et va être détruite.
Le temps de charge sera limite à un certain temps ce qui évitera de détruire la batterie.
capacite _ energetique 48 AH
=
= 2,4heures
EQU(22)
I consigne
20 A
On préférera entrer le temps de charge manuellement que la capacité énergétique.
t(h) =
Il faut protéger l’alimentation 24V qui ne peut fournir un courant de 12,5A donc un fusible de 12A
sera insérer
La régulation limitera la tension max et le courant mais, on peut saturer aussi la valeur du rapport
cyclique.
2 + 16
U moy = R ⋅ I moy + U sat = α ⋅ 24V = 0,1Ω ⋅ 20 A + 16
= 0,75
EQU(21) α =
24
Un autre fusible sur chaque sortie batterie sera aussi positionné.
12.Programme de test et programme du chargeur de batterie
Le microcontrôleur tout seul ne peut rien faire. Il faut donc écrire un programme qu’il va exécuter.
Le programme fait 20 pages, il serait trop long à expliquer. Il utilise 60% de la ROM et 50 % de la
RAM.
Nous avons réalisés différents programmes :
- programme de test de chaque carte
- Programme de fonctionnement des hacheurs en boucle ouverte. L’incrémentation et la
décrémentation des rapports cyclique ce faisait manuellement grâce au bouton poussoir.
- Programme avec la régulation, l’entrée des consignes, la desulfatation, la charge d’entretien en
floating, la sécurité du temps de charge, l’affichage de la capacité énergétique, le nombre de
charge…
Quelques remarques et caractéristique au niveau du programme :
- Le temps pour faire la routine d’interruption est de :
- Le temps pour afficher toutes les données est de : 5 ms
Le filtrage numérique correspond à l’addition de plusieurs valeurs et d’en faire la valeur moyenne
comme pour l’équation récursive suivante :
Tensionn moy= (tensionn+ tensionn-1+ tensionn-2)/3
Avec n correspond au temps d’échantillonnage.
Equ (23)
Mais ce filtrage numérique retarde l’information et provoque des retards lors de la régulation. Donc,
nous ne l’avons peu utilisé.
Avec une période d’échantillonnage de 100ms, l’affichage des données sur l’afficheur est trop
rapide un bon compromis correspond à 0.5s. Par contre, il est possible d’avoir un affichage filtré.
Mais, pour tester la régulation nous voyons une information sur 5.
Maintenant que le programme fonctionne, nous allons faire un bilan de puissance pour différentes
valeurs de consigne de courant
32
13.Etude du bilan énergétique du chargeur de batterie
Les chargeurs dans le commerce ont des ventilateurs pour évacuer les pertes dans l’électronique de
puissance. Normalement, si le rendement est de 100%, la puissance de sortie dans la batterie est
égale à la puissance d’entrée d’alimentation 24V.
Dans ce cas le courant de l’alimentation est égal à l’équation suivante
U •I
I alim = B B
U Alim
Malheureusement, il y a des pertes dans les résistances parasites et dans les semi conducteurs. La
différence de ces puissances donne les pertes dans le hacheur. La température du transistor et de la
diode sont mesurées avec un ventilateur 12V qui souffle en permanence par pur précaution dans un
premier temps.
Les mesures que nous avons effectuées sont les suivantes
IB (A)
UB (V)
PB (W)
IAlim (A)
UAlim (V)
PAlim (W)
Pertes (W)
Ttransistor (°C)
TDiode (°C)
Usecteur
Isecteur
Pabs (cos φ )
Pertes total(W)
Rendement (%)
0
4,5
10
12
15
12,5
0
0
24,3
0
0
20°C
13,1
60
3
24
72
12
21°C
14,6
175
9
24
216
41
14,7
205
11
24
264
64
240
0,24
5
5
0
240
0,85
110
50
54
13,9
146
7,74
24
186
40
42
55
240
1,55
212
40
68
20
240
2,25
282
107
62
Nous avons utilisé des alimentations 24V/12,5 A en attendant les alimentations 24V/25A, donc
nous n’avons pas pu faire la mesure à 20A.
Pour minimiser les pertes dans les câbles Nous avons augmenté toutes les sections des câbles et des
pistes du typon.
Maintenant que notre système avec le pic 16F877 fonctionne, nous allons réaliser un chargeur avec
le pic 18F6520 pour avoir un seul microcontrôleur pour 4 batteries.
33
14.ETUDE DE LA CARTE MICROCONTROLEUR AVEC LE PIC 18F6520
Pour réaliser Quatre chargeur unitaire 12V/20A, il nous faut 4 sorties PWM.
Le pic 18F6520 convient car il a 5 PWM en 10 bit donc plus précis que notre pic16F877.
De plus, ces convertisseurs analogiques numériques sont en 10 bits donc les mesures seront plus
précis aussi.
On peut voir sur la figure suivante le schéma électrique de la carte microcontrôleur avec un
18F6520. La construction de la carte est faite pour que cette carte soit utilisée dans d’autre projet.
Condensateurs de
découplage
Connecteurs pour les
ports du µC
µC 18F6520
Bouton reset
Liaisons
série
Régulateur de
tension
Bornier
d’alimentation
26. FIGURE: Schéma électrique carte µc 18F6520
Apres avoir fait le schéma électrique de la carte microcontrôleur 18F6520, on a réalisé notre carte
qui n’était pas du tous évidant à réaliser car on a mis tous les ports en sortie en plus il m’a fallu
beaucoup de temps et de technicité pour réussir à la réaliser. Elle est représentée ci-dessous avec les
deux faces (coté composant et coté soudure).
34
13.1. Top Copper ou cote composant
Régulateur
Bornier
d’alimentation
Bouton reset
Liaisons
série
Quartz 4MHz
Connecteur
Des ports
du µC
Max 232
Condensateurs de découplage
27. FIGURE: Coté composant de la carte 18F6520
13.2. Bottom Copper ou cote soudure
Pic 18F6520
28. FIGURE: Coté soudure de la carte 18F6520
35
15. Comment diagnostiquer une batterie défaillante ?
Notre expérience à diagnostiquer des batteries défaillantes est :
- Lorsque la tension est bien inferieure à 12V, même après une charge.
- Lors d’une charge rapide, la batterie chauffe (l’énergie de charge part en chaleur). Parfois,
elle chauffe seulement lorsqu’elle a subi une décharge profonde.
- Lors de la charge, Il n’est plus possible de la recharger car, la résistance interne a fortement
augmentée. mais, en mettant une tension de seuil plus importante, un faible courant de charge
apparait. Puis, la résistance de la batterie diminue pour recharger la batterie normalement.
- Lorsque la batterie est sulfatée la capacité énergétique a fortement diminué et lorsqu’on la
charge, le courant ne passe plus à zéro. Il y a toujours un courant entre 0,5 et 1 A sous une tension
de 14V.
- Avec une batterie liquide ; en pesant le taux d’acide, on peut savoir si la batterie est chargée
(35% d’acide normalement).
Donc, il n’est pas simple de diagnostiquer une batterie qui est défaillante dans un ensemble en
séries. En effet, dans un accumulateur qui a plusieurs batteries en séries ; la tension des batteries et
la résistance interne sont souvent honorables. Par conséquent, elles fournissent quand même un
courant important mais pas longtemps car la capacité énergétique est très faible et la tension chute
rapidement. Lors de l’arrêt de la charge, il faut quelques minutes, pour que la tension de la batterie
défaillante repasse à 12V.
Par conséquent, nous avons réalisé un déchargeur à courant constant qui permet de mesurer la
capacité énergétique d’une batterie ainsi que sa résistance interne, et d’arrêter la décharge
automatiquement (voir dossier déchargeur). Le déchargeur est commandé aussi par un
microcontrôleur PIC 16F877. Le déchargeur permet d’avoir un courant de décharge constant ou
impulsionnel de 33 Ampère max.
Notre chargeur affiche la capacité énergétique et la tension de chaque batterie pour verifier l’état de
la batterie.
16.Programme et test de la desulfatisation d’une batterie
La sulfatisation d’une batterie au plomb correspond au le sulfate de plomb qui se forme en cours de
la décharge au niveau des électrodes. Des cristaux de sulfate relativement gros obturent les pores
des électrodes et donc en réduisent la surface effective. L’accu y perd en capacité énergétique, il
n’est plus à même de délivrer de forts courants ni de se charger convenablement.
L’objectif de la désulfatisation est de faire disparaître ces cristaux de sulfate. Pour annuler le
sulfate accumuler dans les batteries. Pour les batteries liquides, la solution chimique est très facile
d’utilisation, il suffit d’ajouter du Sulfasodium après avoir passé la batterie au nettoyeur haute
pression. Mais, il y a aussi une solution électrique avec des impulsions de courant. Des fabricants
tels que C-Teck, www.regenebatt.com, www.bat4life.com vendent des chargeurs pour entretenir les
batteries et expliquent plus ou moins leurs procédés pour assurer la vente de leurs matériels.
Mais quel doit être les caractéristiques de l’impulsions ? (période, temps de repos, courant maximal,
tension de seuil maximal, nombre d’impulsion…)
Nous allons essayer de répondre à ces questions et de vérifier la réelle efficacité de ces courants
pulsés avec notre chargeur de batterie.
36
Mais, comment savoir si la désulfatisation fonctionne ?
Pour répondre à cette dernière question plusieurs solutions existent :
- Il faudrait déshabiller une batterie liquide (la mettre dans un support plexiglas transparent) et
vérifier visuellement la disparition des cristaux de sulfate. Mais comment tester les batteries
au gel ?
- A partir d’une batterie sulfatée, on compare avant et après traitement : la capacité
énergétique.
- Avec un observateur d’état, de vérifier l’évolution du modèle de la batterie en temps réel.
car le modèle de la batterie évolue en fonction de la capacité énergétique.
Mais, quel modèle de batterie faut-il prendre ?
Pour un accumulateur de plusieurs batteries, comment diagnostiquer le bon fonctionnement de tous
les éléments. Car si un élément est défectueux, souvent le système ne fonctionnera plus.
Il faudrait faire l’Etat de l’Art Bibliographie :
- sur les modèles de batteries,
- avoir plus de connaissance en chimie
Il y a trop d’information et pas assez de preuve en général dans les articles que nous avons trouvés.
16.1. Programme de la desulfatation
Le chargeur est mis en route. Puis, on attend, qu’il atteint le courant de consigne avec une valeur de
tension de seuil désirée (quelques secondes), on enclenche le mode desulfatisation qui mémorise, le
rapport cyclique. A chaque impulsion, le rapport cyclique correspondra à celui mémorisé, donc le
courant atteint très rapidement la valeur désirée à la constante électrique prés du hacheur L/(RB).
Puis si le courant désiré est dépassé ainsi que la tension de seuil, il y a la régulation.
Le courant désiré peut atteindre 20A et la tension de Seuil 22V. En général, la tension de seuil pour
une batterie est de 14V à cause des dégagements gazeux aux électrodes. Mais, si la batterie est
fortement sulfatée, avec une résistance interne importante alors, la tension pourra être bien
supérieure à 14V.
Nous avons donc 3 types de possibilité de desulfatations dans le programme :
-DESU1 : impulsion toutes les 5 secondes avec la tension de consigne, et le courant de consigne
ainsi que la régulation
-DESU2 : impulsion toutes les 1 secondes avec la tension de consigne, et le courant de consigne
ainsi que la régulation
- DESU3 : impulsion toutes les 1 secondes avec le rapport cyclique mémorisé sans la régulation
Maintenant que la simulation et la régulation de la desulfatation ont été validées, nous allons passer
aux essais expérimentaux.
37
16.2. Desulfatisation expérimentale
Nous allons faire des essais sur des batteries de voitures une sulfaté et l’autre en bon état, et une
batterie enroulée optima. Les batteries ont tous une capacité énergétique de 50 A.H donc de 600
W.H avec une décharge lente et de 350 W.H avec une décharge rapide.
Nous avons vérifié d’abords la capacité énergétique de chaque batterie pour une décharge de 20 A,
ainsi que la résistance interne et la capacité lorsque la batterie est pleinement chargée et fortement
déchargée. L’arrêt de la décharge se fait pour 10V.
Type de batterie
R et C en debut charge R et C en fin de charge C (A.H)
1 probleme
Batterie sulfatée
0.76 Ω 2 Farad
0.46Ω 0,43 F
Batterie ok CARBAT
22 oK
0.03
τ=5s
0.06
τ=10s
Batterie enroulée Optima
25 oK
0.02
τ=8s
0.03
τ= 8s
Batterie pb optima
0.05
0.07
7,5 problème
Dans un premier temps, le temps de charge sera de 2.5 secondes, et 2.5 secondes pour l’arrêt. Nous
allons voir comment réagit la tension et le courant de la batterie avec les impulsions de courant :
Dans un premier temps, nous allons faire des essais avec une batterie classique correcte CARBAT,
Le temps de montée du courant est de 2,5ms.
La variation de la tension de la batterie est
faible, on passe de 12V à 12,2V avec un
12V
courant de charge de 10A
La régulation est utilisée avec une tension de
10A
seuil de 16V.
29.
FIGURE: Charge impulsionelle
(desulfatisation)
Courant
2.2 A/div
14V
10A
5A
En fin de charge, l’impulsion de courant est
toujours de 10A. Mais, le courant diminue
très rapidement à 5A car la tension de seuil
est atteinte à 16V.
30. FIGURE: Charge impulsionelle (fin de
charge)
On remarque lors de l’arrêt, la tension batterie
diminue exponentiellement avec un temps de
0.3s. Donc, si le temps d’arrêt est inferieur à
0.3s, l’impulsion sera plus faible car :
U
- UB
I B (t) = Alim
R
38
Maintenant, nous allons faire les mêmes courbes mais avec une batterie sulfaté
Les 2 courbes précédentes représente une charge de 8 A sur la batterie sulfaté. On peut voir que la
résistance interne est importante, car la variation de la tension est importante. Même en début de
charge, la tension de la batterie atteint la tension de seuil, alors que la batterie est fortement
déchargée.
Début de la charge, la batterie ne peut qu’être
chargé avec un courant à Imax= 8A, car la
14V
variation de la tension est de ∆u=2.3V . Donc,
∆U=2,3V
la tension de seuil de 14V est atteinte, La
Tension
décroissance exponentielle à une constante de
1V/div
temps de τ=0.2s
8A
On peut en déduire la résistance et la capacité
interne de la batterie
5A
R= ∆u/I=2.3V/5=0.46 Ω
Courant
C=τ/R=0.2/0.76=0.43 F
2 A/div
31. FIGURE: Charge impulsionelle (batterie
sulfatée)
En Milieu de charge, ∆u=2.3V, τ=1.5s
14V
On peut toujours observer l’impulsion de
courant à 8 A, puis la régulation diminue
fortement le courtant à 3 A.
R= ∆u/I=2.3V/3=0.76 Ω
Mais, le temps pour que la diminution de la
tension atteigne un régime établi a aussi
augmenté 1,5s.
C=τ/R=1.5/0.76=1.97 F
3A
Nous avons fait de nombreux essais, mais il faudrait faire une synthèse. La batterie sulfatée après
plusieurs décharge et recharge impulsionnelle est passée de 1 A.H à 10 A.H.
Nous allons faire un test de charge avec les impulsions pour verifier :
- que la batterie se recharge dans ce mode
- que la régulation fonctionne bien.
15.3 Test d’une batterie avec décharge er recharge
Pour tester correctement, la batterie nous mesurons le courant, la tension, et l’énergie en fonction du
temps avec une période d’impulsion de 1 seconde. Nous pouvons observer respectivement ces 3
courbes sur les figures suivantes. La mémoire d’enregistrement maximale des courbes est de 1H30
donc, on déchargera seulement 30 W.H.
A partir de la figure suivante, on peut voir que la tension moyenne de la batterie augmente
progressivement, que le courant efficace est constant tant que la tension de seuil n’est pas dépassé.
Puis, la régulation travaille à tension constante donc, le courant diminue.
Etant donné que la capacité énergétique est identique pour la charge et la décharge, la batterie a bien
pris chimiquement, le courant impulsionnel moyen.
39
Charge impulsionnelle
Charge classique
décharge
32. Fig : tension et courant dans la batterie
Charge
décharge
33. Fig : Energie en W.H fourni puis absorbée par la batterie
Maintenant que la stratégie des tests pour savoir si la desulfation fonctionne, nous allons vérifier le
fonctionnement de la charge d’entretien avec le floating.
17.Etude du programme de la charge d’entretien
Nous avons vu que la batterie mettait un certain temps pour atteindre la tension de seuil et quel
mettait un certain temps pour atteindre sa tension de régime établi. Nous savons que les batteries se
décharge de quelques pourcents tous les jours. De plus, pour minimiser la sulfatation, il fallait que
la batterie soit toujours chargée. Enfin, le taux de charge de la batterie dépend de sa tension.
Par conséquent, lors de la charge d’entretien, il est possible de brancher en permanence le chargeur
sur la batterie. Lorsque la tension est inferieure à une certaine valeur Vfloating, le chargeur se réveille
pour recharger la batterie. Cette recharge dure quelques minutes en générales. Puis lorsque le
courant est inferieur au dixième de la consigne le chargeur s’arrête de nouveau pendant quelques
minutes en attendant que la tension rediminue à la valeur de Vfloating.
La premier fois que la batterie se recharge, l’arrêt se fait pour un courant de 0,1 A pour que la
batterie soit rechargée entièrement
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Nous avons fait un test avec un courant de charge de 5A et une tension de seuil de 15V, et pour
vérifier le programme du floating, nous avons mis une tension de floating relativement importante
de 13,5V pour ne pas attendre plusieurs minutes le redeclenchement de la charge et nous avons
utilisé une batterie sulfaté qui ne tient pas la charge dans un premier temps.
15V
On peut voir la tension qui augmente fortement
lors de la charge. Puis la tension de seuil est
atteinte rapidement car la batterie est chargée. Le
13,5V
courant est régulé donc diminue pour atteindre
0,5A. Puis, le chargeur s’arrête et la tension
diminue. Lorsque la tension batterie a atteint
13,5V alors le chargeur se remet en charge. La
Courant 0,8 A/div
période est de 50 s dans ce cas présent
0,5A
14V
13,5V
34.
Fig : Mode floating sur batterie sulfaté.
Sur une batterie Optima correcte, la période de
recharge est bien plus courte. L’arrêt de la
charge sur cette courbe se fait pour un courant de
0.1A.
2,6A
35. Fig :Mode floating sur batterie Optima
La tension de Vfloating est sur les chargeurs C-Teck et de 13,6V. Si le nombre de réveille est
important avec des temps de charge important, c’est que la batterie ne tient pas la charge. Donc,
notre programme mémorise, le nombre de réveille pour détecter ce problème.
36. Fig :Mode floating sur batterie Optima
avec chargeur C-teck
On peut observer les impulsions de courant très
courtes et la valeur de la tension de floating à
13,6V.
Remarque : Ce mode de floating avec des impulsions de courant ne correspond pas un
désulfatage car le pic de courant lorsque la batterie est chargé, ne peut etre que faible à cause
de la tension maximale applicable à la batterie. D’ailleurs, la tension de seuil est ici de 14,7V
et non de 14V.
Toutes les parties de notre chargeur ont été validées donc, nous allons conclure
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18..Conclusion Générale:
Si le principe de réaliser un chargeur est facile à comprendre Il n’est pas évident de réaliser un
chargeur fiable. Pour cela, il faut faire beaucoup d’essai et de test, être méthodique et rigoureux.
Le choix des composants n’est pas facile à faire car ils doivent supporter les caractéristiques
désirées dans une fourchette de prix acceptable.
La réalisation des cartes prend un certain temps et les tests de bon fonctionnement prennent aussi du
temps, car elle fonctionne rarement du premier coup, il y a toujours quelques mauvaises soudures,
mauvaise connexion…
Pour avoir un projet réellement abouti, il faut faire un premier prototype, puis après il faut le
finaliser proprement. Ce qui n’est pas facile en un an de travail.
La simulation du programme sous ISIS nous aide beaucoup, mais le hachage demande beaucoup de
ressources au PC. Donc, on a du modifier les temps d’échantillonnage et des compteurs entre la
simulation et le programme réel. La moindre erreur de programme surtout dans la régulation fait
griller les fusibles et les transistors.
Beaucoup de temps est perdu, lors de la recherche des éléments défectueux. De plus, notre
professeur qui est seul et doit gérer de nombreux autres projets ne nous aide pas à faire la
maintenance, ni a debugger les programmes. Il nous aide juste à avoir une méthode pour trouver ou
son les disfonctionnements.
Le programme de la desulfatation n’a pas été si difficile, mais pour tester les batteries et vérifier
qu’il y a une augmentation de la capacité énergétique cela prend une journée minimum entre la
charge et la décharge.
La recherche bibliographique n’est pas facile, non plus. Car sur internet, il y a beaucoup de choses
mais il y a rarement la finalité des études ou de la réalisation. Dans les publications scientifiques,
elles sont longues à étudier, mais l’état de l’art est important pour connaitre les résultats fait par
d’autres personnes.
Pour bien diagnostiquer une batterie, il faudrait un observateur d’état en temps réel. Cette méthode
serait judicieuse pour savoir si la méthode de désulfatisation fonctionne réellement.
De plus, Il faudra faire plusieurs test sur un certains nombres de batteries pour savoir si la
désulfatisation avec des courants impulsionnels est reproductible.
Mais cela sera une autre histoire.
Cette étude nous a permis de travailler en équipe et de réaliser un système. Elle nous a permis
d’améliorer notre autonomie et de mettre en œuvre toutes les matières du GEII. Ce dossier nous a
permis d’améliorer notre rédaction grâce à notre professeur. Nous n’avons pas voulu trop vulgariser
notre travail pour que les étudiants suivants comprennent notre travail et finalise notre chargeur.
De plus, l’objectif du dossier est de faire partager notre travail pour que d’autres écoles réalisent
aussi notre chargeur pour charger les véhicules électriques rapidement.
En espérant que l’histoire que nous avons comptée vous a séduit.
Les programmes ainsi que les typons sont en sources libres sur notre site d’étudiants
www.AEGEII.fr et www.e-kart.fr
L’entreprise EVT qui réalise des scooters électriques est intéressée par notre travail, et on va étudier
une collaboration avec les chargeurs Gys.
Mais, nous devons minimiser fortement l’encombrement de notre chargeur.
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