Etude et réalisation

Institut Universitaire de Technologie de TOURS
Département Génie Electrique et Informatique Industrielle
Dossier de présentation de Projet Tutoré
Le chargeur solaire de
batterie
Dinh-Michel DEGUYENNE
Thibaud LEVRARD
Promotion 2004-2006
Groupe A2
M. BRAULT
M. OLIVIER
Institut Universitaire de Technologie de TOURS
Département Génie Electrique et Informatique Industrielle
Dossier de présentation de Projet Tutoré
Le chargeur solaire de
batterie
Dinh-Michel DEGUYENNE
Thibaud LEVRARD
Promotion 2004-2006
Groupe A2
M. BRAULT
M. OLIVIER
Sommaire
Introduction
1. Descriptif du projet
1.1 Projet initial
1.2 Projet revu
1.3 Principe de fonctionnement
4
5
2. Cahier des charges
2.1 Origine du produit
2.2 Finalité du produit.
2.3 Planning prévisionnel
2.4 Prix
2.5 Environnement
2.6 Description des fonctions principales
2.7 Durée de fonctionnement
2.8 Compatibilité
2.9 Puissance
2.10 Protections
7
3. Choix techniques et technologiques
3.1 Choix du montage
3.2 Montage retenu
3.3 Etude des différents composants
10
Conclusion
Résumé
Table des illustrations
Bibliographie
Annexe
17
18
19
20
21
Introduction
Dans le cadre des projets tutorés, il nous a été proposé de réaliser en
autonomie le prototype d'un produit industriel. La totalité de l'étude est réalisée par
nos soins. C'est à dire que nous avons à concevoir les circuits, dimensionner les
composants, trouver des solutions technologiques, gérer notre planning;...
Nous avons choisi pour notre part de réaliser un chargeur solaire de batterie ;
ce choix de projet s'explique par l'engouement croissant pour les énergies
renouvelables.
Ce rapport ne résume que la phase de pré étude de notre projet. Certaines
notions technologiques n'ont de plus pas encore pu être étudiées ; comme la
technologie des transistors par exemple.
Dans une première partie nous présenterons le projet lui même, puis nous
définirons le cahier des charges ; nous étudierons ensuite le montage que nous
prévoyons de réaliser.
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1. Descriptif du projet
Notre projet s’est jusqu’ici décomposé en deux étapes. Nous avons dans un
premier temps choisi une idée de réalisation de projet. Puis, nous avons étudié la
faisabilité du projet. Pour cette raison nous avons dans cette partie le projet initiale et
le projet revu.
Le projet revu est notre objectif final. Cependant, il se peut que les études
pratiques qui suivront ce dossier nous pousse à re-modifier légèrement le projet. Ceci
afin de s’adapter aux contraintes réelles imposées par notre cahier des charges.
1.1 Projet initial
Le chargeur solaire que nous envisagions de réaliser était prévu pour être placé
dans une automobile. Nous avions imaginé alimenter le climatiseur d’une voiture afin
de réduire la consommation propre d’un véhicule à essence.
Après une visite chez un garagiste (garage machin…), il s’est avéré que les
climatiseurs de voiture s’alimentaient principalement grâce à l’arbre principal du
moteur à explosion ; seules quelques impulsions électriques étant fourni directement
par la batterie de la voiture.
Au vu des faibles gains que nous aurions pu obtenir, nous avons décidé de
modifier notre projet.
1.2 Projet revu
Nous avons alors défini que notre système devrait pouvoir alimenter des
appareils mobiles tels que des ordinateurs portables, téléphone mobile… Ceci pour
aller dans la continuité du projet initiale : diminuer la consommation de carburant.
Trois éléments principaux constituent notre projet. Le panneau solaire, la
batterie et une carte électronique. Ces trois éléments seront placé dans la voiture et
permettront à un utilisateur de recharger ses appareils mobiles.
5
1.3 Principe de fonctionnement
Le principe de fonctionnement de notre projet est donc le suivant.
–
Un panneau solaire charge une batterie.
–
La batterie emmagasine de l’énergie en permanence.
–
La batterie sert de réservoir d’énergie pour les appareils qui viennent s’y
brancher en aval.
–
Un circuit fait l’interface entre le panneau solaire, la batterie et les
appareils mobiles. Il permet de gérer la charge, la protection des
composants et d’informer l’utilisateur sur l’état de la batterie.
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2.Cahier des charges
Etant donné le milieu dans lequel le chargeur sera placé, les composants que
nous utiliserons devront répondre à certaines contraintes ; aussi bien physiques
(température de fonctionnement, encombrement…) qu’économique. Le cahier des
charges permet de regrouper et de définir toutes ces contraintes.
2.1Origine du produit
Le projet de chargeur solaire est né d’une volonté de réduire la consommation
en carburant d’une automobile. Cela afin de réduire la facture de carburant mais aussi
de limiter la pollution engendrée.
2.2 Finalité du produit
L’énergie produite et stockée permettra à l’utilisateur de recharger ses
appareils mobiles. Il pourra ainsi acquérir une plus grande autonomie vis-à-vis d’un
point de raccordement au réseau d’EDF.
2.3 Planning prévisionnel
Nous avons défini le planning prévisionnel suivant.
Cahier des charges
Recherche différentes solutions
Test du montage
Réalisation de la carte
Mise en oeuvre et test
2.4 Prix
Le chargeur solaire est réalisé dans le cadre des projets tutorés de la matière
« Etude et réalisation » . Une limite de 100€ a été proposée pour réaliser notre
prototype de produit.
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2.5 Environnement
Le chargeur solaire est étudié pour être placé dans une voiture. Les éléments
que nous allons utilisés doivent pouvoir fonctionner dans une plage de température
allant de 0° à 60°C.
Deux configurations du chargeur solaire sont envisagées :
–
soit le panneau solaire sera placé sur la plage arrière et la batterie dans le
coffre,
–
soit le panneau solaire sera placé à l’avant et la batterie aux pieds du
passager avant.
Ces deux configurations permettront de ne pas avoir une longueur de câble
excessive (<80cm). Cela permet de réduire les pertes engendrées par la résistance des
fils.
2.6 Description des fonctions principales
Le produit peut se décomposé sous forme de trois fonction principales :
FP1. « Production d’énergie »
Cette première fonction ne concerne que le panneau solaire.
FP3. « Gestion de l’énergie »
Cette deuxième fonction représente le circuit électrique que nous allons mettre
en œuvre. Cette fonction principale permettra de gérer la charge de la batterie, de
protéger les divers éléments du produit ; la batterie, le panneau solaire ou encore les
composants électrique (diodes, amplificateur opérationnels …).
FP2. « Stockage de l’énergie »
Cette dernière fonction concerne principalement la batterie.
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Soleil
Conversion
d'énergie
FP2
FP3
Chargeur
Batterie
FP1
Comparateur
2.7 Durée de fonctionnement
Nous avons définis que notre batterie une fois chargée devait pouvoir
recharger un ordinateur portable pendant une durée minimum de deux heures. Nous
avons choisi l’ordinateur portable car il présente une forte consommation d’énergie.
Les deux heures minimum nous paraissent être un bon compromis entre le temps de
recharge moyen d’un portable et la taille de la batterie.
2.8 Compatibilité
Nous voulions que notre chargeur soit compatible avec le maximum
d’appareils mobiles possibles. Au vu de l’environnement nous avons choisi que
l’utilisateur se brancherait à notre produit par le biais d’une prise « allume cigare » .
La prise allume cigare est une prise normalisée. Sa tension est celle fournie
par la batterie des voitures, soit 12V.
De nombreux adaptateurs dans le commerce permettent de faire l’interface
entre les appareils mobiles et la prise allume cigare.
2.9 Puissance
L’ordinateur portable représente donc le pire des cas pour notre produit
puisqu’il nécessite beaucoup d’énergie. Une consommation maximale a été définie
pour que les deux heures minimales d’autonomie soient respectées. Cette puissance
active maximale a été fixée à 60W.
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2.10 Protections
Le montage devra être muni de protection contre le reflux 1 et les
augmentations de tension. Cela afin que les composants du montage ne soit pas
détruits.
1 Le reflux se produit lorsque la tension aux bornes de la batterie dépasse celle aux bornes du panneau solaire.
Cela conduit à une détérioration du panneau solaire puisque la batterie se décharge dans celui ci.
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3.Choix techniques et technologiques
Pour répondre au mieux au cahier des charges, nous avons effectué des choix
au niveau technologique et technique.
Nous avons ensuite étudié les éléments du montage retenue puis sélectionné
les éléments correspondant le mieux à nos besoins.
3.1 Choix du montage
Pour notre fonction « gestion de l’énergie », nous avons comparé trois
montages qui nous paraissaient être les plus intéressants. Puis nous avons choisi celui
qui correspondait le mieux à nos attentes.
3.1.1 « Alimentation ininterruptible »
Illustration 1: Montage alimentation ininterruptible
Ce chargeur permet d'avoir une alimentation inintérruptible à travers des piles
de type R6 et peut simultanément alimenter une charge extérieur sous une tension de
5V et dont la conssomation n'excède pas 400mA.
Comme dans tout chargeur on a une diode d'anti décharge de l'accumulateur.
Afin d'obtenir les valeurs souhaitées le circuit utilise un régulateur (LT1300). Pour
protéger la batterie des surcharges, on utilise un potentiomètre afin de fixer la tension
de seuil et un circuit intégrer.
Conclusion : ce montage fourni les protections requisent par le cahier des
charges. Sa tension de sortie doit cependant être changée et la puissance augmentée.
3.1.2 « Alimentation régulée 5 et 12V »
Ce montage permet de réguler la charge d'un accumulateur par panneau solaire
et également de fournir deux tensions régulées de 5 et 12V à l'aide de convertisseur
DC-DC. La batterie est chargé par le panneau solaire par le biais d'une diode zener.
Les deux tensions transitent par le convertisseur DC-DC afin que la tension de
sortie soit stable. Les convertisseurs sont réglés de tel sorte que les batteries soient
totalement déchargées lors d'une alimentation de circuit.
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Illustration 2: Alimentation 5 et 12V
Conclusion : Ce montage permet lui aussi de fournir les protections requisent
par le cahier des charges, mais sa puissance reste très inferieur à celle que l'on
recherche.
3.1.3 « Chargeur de batterie par panneau solaire »
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Ce circuit permet de charger une batterie 12V grâce à un panneau solaire et
offre une alimentation inintérruptible. Il utilise une diode Schottky pour la charge et
la protection contre le reflux.
Afin d'éviter la décharge de la batterie, le circuit utilise un comparateur afin de
bloquer ou non le système de charge. La tension de charge pourra être facilement
réglable grâce à un potentiomètre à l'entrée du comparateur.
3.1.4 Tableau récapitulatif
Le tableau suivant nous donne une vue globale des principales caractéristiques
des trois montages.
Alimentation in
interruptible
Alimentation régulée
5 et 12V
Chargeur de
batterie par
panneau solaire
***
***
***
Reflux
***
***
***
Indication fin de
charge
***
Surtension
Inversion polarité
Ordre
puissance
de
Prix approximatif
***
2W
3W
50W
25€
20€
12€
Commentaire
Augmentation de la
puissance : onéreuse.
Tableau 1: Synthèse des trois montages
On voit ici que le montage présentant le plus d'atout est le chargeur de batterie
par panneau solaire. Il est en effet celui qui est le moins onéreux, offre les
protections requisent par le cahier des charges et est de plus adapté au puissance avec
lesquels nous souhaitons travailler
3.2 Montage retenu
Nous avons choisi d'effectuer le circuit à l'aide de la diode Schottky et de
l'amplificateur. Celui ci nous permet à la fois de réguler la tension de charge et
d'éviter le reflux du courant.
Lorsque la tension de l'accumulateur est supérieur à celle du panneau solaire,
il y a un phénomène de reflux qui décharge la batterie. Pour éviter cela on a tout
simplement mis une diode en place afin de bloquer la circulation du courant.
Pour limiter la tension de charge, on utilise un amplificateur de façon à obtenir
un comparateur associé à un transistor. On obtient une tension de référence grâce à
T1 et P1. Un potentiomètre permet de régler avec précision la tension qui doit être
égale la moitié de la tension finale.
On réduit de moitié la tension de l'accumulateur grâce à R1 et R2 (R1=R2)
mais aussi de 0,6V par D2, pour la comparer à la tension de référence. La sortie de
IC1 reste au niveau bas tant que la tension de l'accumulateur est égale à la tension de
référence, afin que T2 soit passant et que la charge soit possible.
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Lorsque la tension de l'accumulateur est supérieur à la tension de référence, la
sortie de IC1 passe au niveau qui provoque la commutation de T2. Le courant ne peut
donc plus circuler à travers T2, le panneau est donc court-circuité.
La LED 1 permet de caractériser le fonctionnement lorsqu'elle est éteinte
l'accumulateur se charge, allumer le panneau est en court-circuit et lorsqu'elle
clignote la fin de charge est proche.
En fonctionnement normal. Le transistor T2 conduit on a la circulation du
courant entre le panneau solaire et l'accumulateur. Le courant circule par la diode D3,
le transistor T2 et la diode D4.
En fonctionnement bloqué, on a un niveau haut à la sortie de l'AOP. Le
courant ne peut donc pas circuler.
3.3 Etude des différents composants
Le choix du montage et son étude nous permettent maintenant de
dimenssionner les differents composants qui le compose.
3.3.1 Le panneau solaire (cf. annexe p.1)
Au vu de l'endroit où est situé le panneau, il ne doit pas être trop volumineux.
Cela est un critère important puisque la taille du panneau influe directement sur la
puissance qu'il fourni ; il ne faut pas que la durée de charge de la batterie soit
excessive.
Le panneau fournira directement la tension et le courant à la batterie. On doit
donc choisir un panneau solaire qui fournira du courant sous une tension de 12V. Le
courant variera selon l'éclairement.
Plusieurs paramètres permettent de caractériser un panneau.
–
La tension à vide,
–
le courant maximal,
–
la puissance typique.
Conclusion : nous avons opté pour le panneau PWX500-12V. Il fourni 4A
maximale sous une tension de 12V (avec l'ensoleillement optimale).
3.3.2 La batterie (cf. annexe p.25)
Le choix de la batterie est avant tout basé sur l'autonomie que l'on souhaite
obtenir. Il à été défini dans le cahier des charges une autonomie de deux heures
minimum avec un ordinateur portable de relié. L'ordinateur portable représente une
consommation de 90W sous une tension de 12V. Pour nos deux heures d'autonomie,
il faut donc que la batterie stocke 180W. La capacité d'une batterie s'exprime en
« Ampère par heure ».
Calcul de la capacité :
P=UxI
14
I=P/U
I = 180/ 12
I = 15 A.h
On choisira donc une batterie dont la capacité minimum sera de 15 Ah sous
12V.
Un autre critère de choix entre dans la sélection de la batterie : la technologie.
Plusieurs types de batterie existent, les batteries au plomb, NiCD...
Plusieurs points nous ont poussés à choisir celle au plomb. Tout d'abord pour
des raisons de simplicité, la technologie de batterie au plomb est éprouvée et sa mise
en oeuvre est « directe ». Ensuite parce que les capacités proposées correspondent à
nos besoins. Il est à noté que la duré de vie d'une batterie est très sensible au courant
de charge de la batterie. Celui ci doit respecté un rapport de 1/10 par rapport à la
capacité de la batterie (soit 1,8A dans notre cas théorique). Cependant cette valeur
peut être revue à la hausse selon les constructeurs.
Conclusion : La batterie que nous avons commandé est au plomb. Elle à une
capacité de 18A.h et peut être chargée sous un courant de 4,5A.
3.3.3 Le transistor de puissance (cf. annexe p.16)
Dans notre montage ce transistor permet de court-circuiter le panneau solaire.
Ce transistor est donc dit de puissance car une partie de la puissance fournie par le
panneau solaire peut être dissipée par ce transistor.
Il faut donc un transistor robuste qui sera, si cela est nécessaire, associé à un
dissipateur thermique. Les caractéristiques suivantes doivent être remplies:
–
courant de drain (ID) supérieur à 4 A (courant maximal débité par le
panneau solaire)
–
sa tension de grille doit être supérieur à 12V,
Conclusion : notre choix c'est tourné vers le transistor BUZ100. Son courant
de drain pouvant aller jusqu'à 60A et sa tension de grille jusqu'à 20V. Nous n'avons
pour le moment pas eu le temps de comprendre pourquoi il était plus avantageux de
choisir un transistor de type MOSFET.
3.3.4 La diode Schottky (cf. annexe p.9 )
Nous avons choisi d'utiliser une diode de type Schottky dans notre montage.
Ce choix s'explique par la différence fondamentale entre la diode à jonction PN et
une diode Schottky. Le principe de cette dernière est d'utiliser des porteurs
majoritaires et non minoritaire comme la diode Schottky. C'est une différence qui
permet de réduire fortement le temps de commutation de la diode Schottky ; son
temps de commutation est de l'ordre de la nanoseconde contre la milliseconde pour la
diode à jonction PN. Nous utilisons cette diode pour la protection des éléments du
montage ; il est donc important que le temps de réaction (ou commutation) de celle ci
soit rapide.
Cependant, le temps de commutation de la diode n'est pas le seul critère
important dans le choix de la diode. Les critères suivant ont aussi toute leur
importance.
15
–
Courant efficace maximale admissible en direct (I F): il devra être supérieur à
environ 5A - courant fourni par le panneau solaire avec une marge - dans notre
montage.
–
Tension directe maximale (V F) , c'est la chute de tension au borne de la diode.
–
Tension inverse admissible (V R ), dans notre montage la tension maximale sera
de 18V, c'est la tension en court circuit du panneau solaire.
Conclusion : nous avons opté pour la diode PBYR745. Son courant maximale
en direct étant de 7,5A, sa tension directe de 0,57V et sa tension inverse de 40V.
3.3.5 Les dissipateurs (cf. annexe p.14)
Comme défini dans le cahier des charges, le système doit pouvoir fonctionner
jusqu'à une température ambiante de 60°C. Cette température nous contraint à utiliser
des dissipateurs de chaleur pour certains composants. Trois éléments sont concernés,
les deux diodes Schottky et le transistor de puissance BUZ100.
Avant d'effectuer le calcul du dissipateur il nous faut définir certaines
données. Le schéma ci dessous modélise le parcours effectué par la chaleur entre la
jonction du composant et l'air ambiant.
TJ
P
RthJ-C
Jonction
TC
P
RthR-A
TA
Boîtier + radiateur
Air ambiant
Illustration 3: Modélisation parcours de la chaleur
T j : Température maximale de jonction.
T A : Température ambiante.
R thJ-C : Résistance thermique entre la jonction et le boîtier.
R thR-A : Résistance thermique du radiateur.
P : Puissance aux bornes du composant.
On peut déduire du schéma la formule suivante : T j – T A = (R thJ-C + R thR-A ).P.
Calcul du dissipateur :
P=UxI
P=4X5
P = 20W
R thJ-C = (T j – Tc)/ P – R thJ-C
= (150 – 60)/20
R thJ-C = 4,5°C/W
R thR-A = RthJ-A – (R thJ-C + R thC-V )
= 3°C/W
16
Conclusion : nous avons opté pour des dissipateurs « ML9 » . Ils permettent
au montage de fonctionner jusqu'à 60°C grâce à une résistance thermique (R thR-A ) de
3,1°C/W.
3.3.6 « L'AOP comparateur » (cf. annexe p.6)
Ce transistor est utilisé dans notre montage (IC1) pour comparer une tension
de référence à la tension aux bornes du panneau solaire. Ce transistor est donc juste
utilisé à titre de comparateur.
Le transistor ici ne nécessite aucune caractéristique particulière puisqu'aucune
puissance ne le parcours. On utilisera donc un transistor simple et courant. Il devra
pouvoir être alimenté ±12V et fonctionner jusqu'à 60°C.
Conclusion : on choisira le transistor TL071. Il peut être alimenter de façon
symétrique et peut fonctionner normalement dans un environnement allant jusqu'à
70°C.
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Conclusion
Notre étude préalable est terminé, nos composants sont commandés et nous
avons commencé à réaliser des tests de composants (le panneau solaire en
particulier). Notre projet se déroule donc, pour le moment, en respect avec le
planning que nous nous sommes imposés.
Il nous reste donc au jour d'aujourd'hui un certain nombres de tâches à réaliser.
Notamment la poursuite des test des composants, la mise en oeuvre et le test du
circuit de charge, la réalisation du typon du circuit de charge, la soudure des
composants et le test final du montage.
Ce projet nous a permis de prendre conscience de plusieurs points important
dans la réalisation d'un projet. Tout d'abord de l'importance du cahier des charges
sans lequel l'objectif premier d'un projet pourrait être fortement modifiée. Ensuite de
la difficulté du respect du planning au vu des délais important générés par la
commande de composants.
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Résumé
La réalisation du projet s'est déroulé en plusieurs étapes. Tout d'abord nous
avons définis notre projet puis commencer à rédiger le cahier des charges. Nous
avons ensuite chercher différents montages qui pouvait répondre à nos attentes. Par la
suite nous avons sélectionné celui qui nous paraissait être le plus adapté à nos
besoins.
Ensuite est venue la phase compréhension du montage que nous voulions
mettre en oeuvre ; ceci grâce à la détermination et au dimensionnement de chaque
composant présent dans le montage.
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Ta b l e d e s i l l u s t r a t i o n s
Illustration 1: Montage alimentation ininterruptible
Illustration 2: Alimentation 5 et 12V
Illustration 3: Modélisation parcours de la chaleur
10
11
15
20
Bibliographie
Ouvrage collectif
- Cellule solaires : Les bases de l'énergie photovoltaïque / Anne LABOURET, Pascal
CUMUNEL, Jean-Paul BRAUN, Benjamin FARAGGI. Edition techniques et scientifique
française. Paris : DUNOD, 2001. 118p.
Articles de revue
- GUEULLE P. Les cellules solaires. Electronique pratique, Février 2003, n°272, p.26 à 28.
- TAVERNIER C. Deux chargeurs de batterie à panneau solaire. Electronique pratique,
Février 2003, n°272, p.36 à 40.
- TAVERNIER C. Alimentation ininterruptible à panneau solaire. Electronique pratique,
Février 2003, n°272, p.48 à 50.
- MORIN P. Alimentation 5V et 12V pour panneau solaire. Electronique pratique, Février
2003, n°272, p.52 à 55.
Sites Internet
- JACQUET P. Chargeur de batterie par panneau solaire, [En ligne].
<http://f5jtz.club.fr/pjacquet/charg-solair.htm> (Page consultée le 26/09/05).
- FREDON, Eric. Le monde des accumulateurs et batteries rechargeables., [En ligne].
<http://www.ni-cd.net/> (Page consultée le 26/09/05).
Rapport
- EL HASSANI Y, VARACHAUD T. Alimentation pour ordinateur portable 19V – 3,5A à
partir d'une batterie de 12V. Rapport de projet tutoré de deuxième année : TOURS : IUT. 2
avril 2004.
21
Annexe
1. Le panneau solaire
p.1 à 3
2. Le transistor BF256
p.4 à 5
3. Le transistor TL071
p.6 à 8
4. La diode Schottky PBYR745
p.9 à 13
5. Le dissipateur thermique
p.14 à 15
6. Le transistor de puissance BUZ100
p.16 à 24
7. La batterie
p25 à 26
22