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Panneaux photovoltaïques énergie solaire

Régulateur de charge

Régulateur de charge

Les contrôleurs ou régulateurs de charge sont des équipements qui contrôlent la tension et le courant d'un panneau solaire ou d'une éolienne, livrés au parc de batteries.

Le régulateur de charge garantit que les processus de charge et de décharge de l'accumulateur sont effectués de manière à ce qu'ils soient toujours dans les conditions de fonctionnement correctes.

Un régulateur de charge limite la vitesse à laquelle le courant électrique est ajouté ou retiré des batteries électriques. Il évite les surcharges et peut protéger contre les surtensions. Une surcharge des batteries peut réduire les performances ou la durée de vie des batteries et peut présenter un risque pour la sécurité.

Quelles sont les caractéristiques des contrôleurs de charge?

Le contrôleur de charge peut être fourni sous la forme d'un appareil séparé (par exemple, une unité électronique dans une éolienne ou dans un système d'énergie solaire photovoltaïque) ou sous la forme d'un microcircuit à intégrer dans une batterie ou un chargeur.

Les panneaux solaires sont conçus pour fournir une tension supérieure à la tension de fin de charge des batteries. Cela garantit que les panneaux solaires sont toujours en mesure de charger la batterie, même lorsque la température des cellules de la batterie est élevée et qu'il y a une diminution de la tension générée.

Pourquoi la surtension des batteries doit-elle être contrôlée?

Cette surtension présente deux inconvénients:

  • D'une part, une petite partie de l'énergie maximale théorique que le panneau photovoltaïque peut fournir (10%) est perdue, ce qui serait obtenu s'il fonctionnait à des tensions légèrement supérieures à celles imposées par la batterie.
  • D'un autre côté, lorsque la batterie atteint son état de charge complète, elle n'atteindra pas son potentiel maximum que le panneau solaire peut théoriquement donner, et le panneau solaire continuera d'essayer d'injecter de l'énergie dans les bornes de la batterie, ce qui produira une surcharge qui endommagera le batterie qui peut l'endommager.

Ce dernier peut être résolu de manière peu pratique, manuellement: déconnecter la batterie lorsqu'une charge complète est détectée, mais ce n'est évidemment pas la méthode la plus fiable ou pratique.

Quelle est la fonction du contrôleur de charge?

Le contrôleur de charge a les fonctions suivantes:

  • Courant d'alimentation supérieur au courant d'autodécharge (pour compenser l'autodécharge mais inférieur au courant de charge maximal pour éviter la destruction de la batterie.
  • Mise en place d'un algorithme de décharge / charge efficace pour un type de batterie donné (NiMH, Ni-Cd ou Li-Ion) avec une composition chimique donnée des composants.
  • Compensation des différences de flux d'énergie lorsque l'alimentation est fournie au consommateur pendant la charge de la batterie (par exemple, la charge de la batterie lorsque l'ordinateur portable est alimenté par le secteur).
  • Mesure de la température (à l'aide d'un capteur de température) pour l'arrêt d'urgence de la charge froide ou lors d'une surchauffe (pour éviter d'endommager la batterie).
  • Mesure de pression (à l'aide d'un capteur de pression) pour l'arrêt d'urgence de la charge en cas de fuite de gaz (pour éviter les explosions et les fuites)

Cependant, tous les contrôleurs n'implémentent pas ces fonctions.

La complexité de l'algorithme de téléchargement / téléchargement dépend du coût du chargeur. Selon l'algorithme, les principales fonctions qu'ils exécutent sont les suivantes:

  • Mesure du temps depuis le début de la charge.
  • Mesure de tension et de courant à l'entrée de la batterie.
  • Variation du courant et de la tension de charge en fonction des valeurs mesurées.
  • Répétez les cycles de décharge / charge (pour restaurer la capacité de la batterie).
  • Chargez la batterie jusqu'à 90% de sa capacité (pour augmenter sa durée de vie).

Stratégies de contrôle du contrôleur de charge

Le régulateur de charge a pour mission de réguler le courant absorbé par la batterie afin qu'il ne soit jamais dangereusement surchargé. Pour cette raison, il détecte et mesure en permanence la tension de la batterie et l'état de charge. Si ces paramètres atteignent une certaine valeur préalablement établie qui correspond à la valeur de la tension maximale autorisée, il agit de deux manières possibles:

  • Couper le flux de courant vers la batterie
  • Ne laisser passer qu'une pièce pour la maintenir dans un état de pleine charge, sans dépassement.

Ce courant minimum est appelé courant flottant et se produit lorsque la batterie est complètement chargée et ne reçoit que suffisamment d'énergie pour la maintenir dans cet état (ce qui, sur de longues périodes, compensera l'autodécharge).

Quels sont les paramètres d'un contrôleur de charge?

Les paramètres qui définissent un régulateur sont:

  • Tension maximale autorisée ou tension de régulation maximale : c'est la valeur de la tension nominale maximale que le régulateur permet d'appliquer à la batterie.
  • Intervalle d'hystérésis supérieur : c'est la différence entre la tension de régulation maximale et la tension à laquelle le régulateur permet le passage de tout le courant produit par les panneaux solaires. Pour une valeur de tension intermédiaire, le régulateur laisse passer une fraction du courant produit par les panneaux photovoltaïques, qui est d'autant plus petit que la tension des bornes de la batterie se rapproche de la valeur de régulation maximale.
  • Tension de déconnexion - Tension à laquelle les charges des consommateurs sont automatiquement déconnectées pour éviter une décharge excessive de la batterie.
  • Intervalle d'hystérésis inférieur : il s'agit de la différence entre la tension de déconnexion et la tension à laquelle les consommations sont autorisées à se reconnecter à la batterie.

Quelles sont les caractéristiques les plus courantes des régulateurs de charge dans une installation photovoltaïque?

    Les paramètres suivants définissent les performances les plus courantes des régulateurs de charge utilisés dans les installations solaires photovoltaïques autonomes:

    • Protection contre les surcharges de l' accumulateur (arrêt): c'est la fonction de base du régulateur. Il empêche la batterie de chauffer, l'eau de s'échapper de l'électrolyte et les plaques de rouiller.
    • Alarme de batterie faible : indicateurs / voyants sonores qui indiquent que l'accumulateur est assez déchargé. A partir de ce moment, l'utilisateur peut modérer la consommation, ce qui évitera une décharge nocive et excessive de l'accumulateur.
    • Déconnexion de la batterie faible (coupe- bas ): cette fonction oblige le régulateur à couper l'alimentation en courant des consommations si le niveau de charge de l'accumulateur est trop faible et, par conséquent, il existe un risque de décharge profonde, ce qui entraînerait problèmes de sulfatation.
    • Protection contre les courts-circuits : cette fonction permet, au moyen d'un fusible, de protéger le régulateur, ainsi que la sortie de l'accumulateur, contre les courants élevés en cas de court-circuit dans l'un des circuits de consommation de l'installation.
    • Visualisation des fonctions : la plupart des régulateurs disposent d'un système visuel qui permet d'obtenir des informations sur l'état de l'installation, simplement avec certains indicateurs indiquant que les panneaux donnent du courant, si la batterie est chargée ou déchargée, ou plus soigneusement au moyen de indicateurs des niveaux de charge actuels, tension de la batterie ...

    Quels sont les types de régulateurs de charge?

      Selon le principe de fonctionnement, il existe les types de régulateurs de charge suivants:

      • Régulateurs shunt de type parallèle.
      • Régulateurs de charge de type série.

      Régulateurs de type parallèle (shunt)

      Contrôleur de charge de type parallèleLes régulateurs de charge shunt basent leur fonctionnement sur un transistor qui dérive le courant des modules vers une charge résistive dissipative. Il permet d'établir des valeurs de tension de batterie pour lesquelles cette déviation est faite par intermittence afin de maintenir l'accumulateur au niveau de charge maximum (flottant).

      Ce système provoque un échauffement du régulateur lui-même, ce qui provoque une usure et des pertes et, par conséquent, les régulateurs de ce type ont un courant de fonctionnement limité de quelques ampères et, par conséquent, seront valables pour les petites installations photovoltaïques.

      Régulateurs de charge de type série

      Ce type de régulateurs basent leur fonctionnement sur l'interruption du courant vers la batterie, en fonction de sa tension. Grâce aux technologies actuelles, ce commutateur est progressif, il peut donc être contrôlé pour avoir différents niveaux de charge.

      Contrôleur de charge

      Le courant flottant peut être obtenu en maintenant un faible niveau d'intensité de charge ou en commutant les moments de charge et les moments de non-charge pour favoriser la non-gazéification de la batterie.

      Ces types de régulateurs sont connectés en série entre les panneaux et la batterie et, comme ils ne dissipent pas la chaleur, ils peuvent être plutôt petits et peuvent être montés à l'intérieur si nécessaire.

      D'autres modèles de régulateurs de ce même type, utilisés dans les grandes installations, détournent le courant des panneaux d'autres circuits lorsque les batteries sont chargées pour utiliser cette énergie pour d'autres usages.

      D'autres modèles déconnectent automatiquement les panneaux solaires ou les groupes de panneaux photovoltaïques à mesure que la tension de la batterie augmente, ne laissant passer que le courant nécessaire et jamais en excès.

      De nombreux régulateurs de charge ont d' autres fonctions intégrées pour la visualisation et le contrôle du fonctionnement de l'installation solaire photovoltaïque telles que: 

      • millimètres et ampèremètres volts;
      • alarmes de tension de batterie faible;
      • capteur de température qui régule automatiquement la valeur de la tension de charge maximale;
      • sectionneurs automatiques du circuit de consommation basse tension; ampèremètres; affichages numériques;
      • module d'acquisition de données; module de régulation avec suiveur de point de puissance maximale, etc.

      Qu'est-ce qu'une diode de blocage?

        Un élément particulièrement important que de nombreux régulateurs intègrent est une diode de blocage.

        La diode de blocage permet le passage du courant dans un sens à partir des panneaux de la batterie et non dans le sens opposé. Cette diode est nécessaire lorsque le rayonnement solaire est faible et que la tension de la batterie est supérieure à celle des panneaux photovoltaïques, empêchant ainsi la batterie d'être déchargée par les panneaux solaires photovoltaïques.

        Il est important de ne pas confondre cette diode de blocage avec la diode de dérivation (variante) des modules photovoltaïques, car les fonctions qu'ils remplissent sont très différentes.

        S'il y a une erreur dans le système de protection de mise à la terre par accident ou par défaillance de l'isolation, le courant peut circuler dans le sens opposé à la normale et traverser un panneau solaire ou un groupe de panneaux solaires avant de fuir par la prise. la terre.

        Dans ces cas, la présence de la diode de blocage est très importante pour éviter d'endommager les modules photovoltaïques .

        Une très bonne isolation et une bonne mise à la terre sûre pourraient éviter d'avoir à installer la diode de blocage. Étant donné que la diode de blocage produit une chute de tension supplémentaire de 0,5 à 1 V, il y a une raison de plus pour concevoir la tension du panneau plus élevée que celle nécessaire pour charger les batteries.

        Quels sont les régulateurs de charge avec suivi de puissance maximale?

        Les régulateurs de charge avec surveillance de puissance maximale sont des contrôleurs de charge qui intègrent un convertisseur de courant continu en courant alternatif à la sortie des modules solaires.

        Ce convertisseur de courant permet d'isoler la tension de travail des modules photovoltaïques de la tension de la batterie. De cette façon, les modules peuvent fonctionner à leur point de puissance maximum et, par conséquent, aux performances maximales possibles.

        Exemple de contrôleur de charge avec suivi de puissance maximale

        Si nous prenons comme exemple un module photovoltaïque dans lequel les données fournies par le constructeur sont: 53 Wp à 17,4 V et 3,05 A.

        Lorsque nous connectons le module directement à un accumulateur avec une tension entre bornes qui, en ce moment, est de 12 V, le module délivre réellement une puissance de:

        P réel = 12 V · 3,05 A = 36,6 W

        En d'autres termes, sur les 53 W disponibles, lorsqu'une batterie 12 V est directement chargée aux bornes, nous ne profitons que de 36,6 W, ce qui implique une perte de puissance de 30%.

        La question est: où manquent les autres Watts? Nulle part, puisque la génération du module est courante et non pas électrique.

        L'objectif est d'atteindre la puissance maximale du module photovoltaïque en utilisant des régulateurs de charge avec un localisateur de puissance maximale. Dans ce moteur de recherche, la compensation ultérieure de la tension en intensité est développée.

        Contrôleurs de charge indépendants

        Les contrôleurs de charge sont vendus aux consommateurs en tant qu'appareils séparés, souvent en conjonction avec des générateurs d' énergie solaire ou éolienne, pour être utilisés comme systèmes de stockage de batterie domestique.

        Dans les applications solaires, les contrôleurs de charge peuvent également être appelés  régulateurs solaires .

        Certains contrôleurs / régulateurs de charge solaire ont des fonctionnalités supplémentaires , telles qu'un sectionneur basse tension (LVD), un circuit séparé qui arrête la charge lorsque les batteries sont déchargées de manière excessive (certaines chimies des batteries sont telles qu'une décharge excessive peut ruiner la batterie ).

        Les contrôleurs peuvent être en série ou en déviation:

        • Un régulateur de charge série ou un régulateur série désactive le flux de courant vers les batteries lorsqu'elles sont pleines.
        • Un contrôleur de charge de dérivation ou un régulateur de dérivation détourne l'excès d' électricité vers une charge auxiliaire ou de «dérivation», comme un chauffe-eau électrique, lorsque les batteries sont pleines.

        Les régulateurs de charge simples arrêtent de charger une batterie lorsqu'ils dépassent un niveau de tension élevé défini et réactivent la charge lorsque la tension de la batterie tombe en dessous de ce niveau. Les technologies PWM (Pulse Width Modulation) et Maximum Power Point Tracker (MPPT) sont plus sophistiquées électroniquement, ajustant les taux de charge en fonction du niveau de la batterie, pour permettre une charge plus proche de sa capacité maximale .

        Les contrôleurs de charge peuvent également surveiller la température de la batterie pour éviter une surchauffe. Certains systèmes de régulation de charge affichent également des données, transmettent des données à des écrans distants et enregistrent des données pour suivre le flux électrique au fil du temps.

        Auteur :

        Date de publication : 8 avril 2016
        Dernier examen : 8 avril 2020