Réalisation d'un régulateur solaire à base de microcontrôleur pour le contrôle de l'état de charge et la protection des accumulateurs

République Algérienne Démocratique et Populaire
Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

Centre Universitaire Larbi Ben M'hidi
Oum -El- Bouaghi
Institut des sciences technologiques
Département d'électrotechnique

Mémoire de Magister en Electrotechnique

Option : Commande

Présenté par :
M^me. ZAAMTA SOUAD
Ingénieur d'Etat en Electrotechnique.
Centre Universitaire Larbi Ben M'hidi
Oum El Bouaghi

Réalisation d'un régulateur solaire à base de

microcontrôleur pour le contrôle de l'état de charge et

la protection des accumulateurs

Devant le jury composé de :		Soutenu le : 20 / 02 /2008
N.Golea	Professeur	C.U Oum El -Bouaghi	Président
A. Dib	Maître de conférences	C.U Oum El -Bouaghi	Rapporteur
T.Bouktir	Maître de conférences	C.U Oum El -Bouaghi	Examinateur
A. Betka	Maître de conférences	Université de Biskra	Examinateur
D.Rahem	Maître de conférences	C.U Oum El -Bouaghi	Examinateur

Remerciements

Remerciements

Je tiens à exprimer ma gratitude et mes remerciements à mon rapporteur, docteur Dib Abderhmane, maître de conférences et directeur chargé de la poste graduation et la recherche scientifique au centre universitaire Larbi Ben M'hidi d'Oum el Bouagui, de m'avoir confié ce sujet, pour ces valeureux conseils, sa compréhension, ainsi que pour le laboratoire et le matériel qu'il a mis à ma disposition.

Je remercie également Mr. Noureddine .Golea, Professeur au centre universitaire Larbi Ben M'hidi d'Oum el Bouagui, de l'honneur qu'il m'a fait en acceptant de présider le jury .

Mes vifs remerciements vont à Mr. Betka Achour, maître de conférences à l'université de Biskra, et Mr .Tarek. Bouktir, Maître de conférences au centre universitaire Larbi Ben M'hidi d'Oum el Bouagui, d'avoir accepté d'être les examinateurs de ce mémoire.

Je remercie également et sincèrement Mr Djamel. Rahem maître de conférences au centre universitaire Larbi Ben M'hidi, pour avoir participer au jury et évaluer mon travail.

Je remercie également toute ma famille pour son soutient moral, et tout particulièrement mon marie pour sa compréhension, sa très grande générosité, dans les moments les plus difficiles que j'ai vécus pendant la réalisation de ce modeste travail.

Enfin, Je présente un grand remerciement à toute personne ayant contribué, de près ou de loin à l'aboutissement de ce travail, tout particulièrement tous les enseignants et les membres des laboratoires d'électrotechnique.

Sommaire

Table des matières

Introduction Générale

1. Généralités .1

2. Objectif du projet .2

3. Présentation du mémoire 3

Chapitre Un : Energie photovoltaïque et principe de
fonctionnement

1.1 Introduction	.4
1.1.1 Atlas solaire de l'Algérie	5
1.2 Effet photovoltaïque	7
1.2.1 Principe de fonctionnement	...7
1.2.2 Modèle mathématique d'une cellule photovoltaïque	....9
1.2.3 Caractéristique courant - tension	..9
1.2.4 Puissance maximale d'un module photovoltaïque	10
1.3 Module photovoltaïque	..11
1.3.1 Influence de l'éclairement et de la température.	13
1.3.2 Influence de la résistance série et de la résistance shunt.....	15
1.4 Différents types d'une installation photovoltaïque	...15
a) Installation raccordée au réseau	16
b) Installation autonome	16
1.5 Conception d'un système photovoltaïque	16
1.6 Avantages et inconvénients.	..17
1.6.1 Avantages.	..18
1.6.2 Inconvénients	18
1.7 Conclusion	..18

Chapitre Deux : Stockage d'énergie et algorithme de charge

2.1 Introduction 19

2.2 Différentes technologies d'accumulateurs 19

2.2.1 Accumulateurs au nickel -cadmium 19

2.2.2 Accumulateurs au plomb .19

2.3 Principe de fonctionnement de l'accumulateur au plomb ..21

2.3.1 Réactions chimiques .21

2.4 Caractéristiques électriques des batteries ...22

a) Capacité standard d'un accumulateur 22

b) Taux de charge/décharge ...22

c) Etat de charge `SOC' 22

d) Cycle Profond 22

e) Tension limite de décharge L VD.................................... 23

f) Tension de régulation VR ............................................. 23

2.5 Charge et décharge d'un accumulateur au plomb .23

2.6 Conception d'un régulateur de charge ..26

2.6.1 Régulateur shunt ..26

2.6.2 Régulateur série 27

2.7 Choix de l'algorithme de charge 28

2.7.1 Charge à tension constante ...28

2.7.2 Charge à courant constant 28

2.7.3 Algorithme de charge en trois étapes 29

a) Bulk charge .30

b) Absorption charge ou égalisation 30

c) Float charge .31

2.8 Discontinuité de la charge .32

2.9 Conclusion .32

Chapitre Trois : Commande du convertisseur DC/DC

3.1 Introduction ..33

3.2 Convertisseur continu - continu ...33

3.2.1 Interrupteur Semi-conducteur de puissance .34

3.2.2 Diode de roue libre 34

3.2.3 Filtre passif de type passe-bas ..35

3.3 Principe de fonctionnement ..35

3.3.1 Premier phase de fonctionnement: 35

3.3.2 Deuxième phase de fonctionnement 36

3.4 Détermination de L, C 37

3.5. Technique de commande PWM 39

3.6 Qu'est ce qu'un Microcontrôleur ..40

3.6.1 Description générale d'un PIC ..41

3.6.2 Brochage du PIC16F877 ..43

3.7 Convertisseur analogique/ numérique 44

a) Le registre ADCON0 45

b) Le registre ADCON1 46

c) Les registres ADRESL et ADRESH 47

3.8 Séquence de numérisation ..47

a) Le temps d'acquisition ...48

b) Le temps de conversion .48

3.9 Le module CCP ..50

3.9.1 Configuration du PIC16F877 en mode PWM ...50

a) Le registre TRISC 50

b) Les registres CCP1 CON et CCP2CON 50

c) Le registre T2CON ..50

d) Le registre PR2 51

e) Le registre CCPRxL .52

	Sommaire
3.9.2 Génération du signal PWM par le PIC 16F877	52
3.10 Conclusion		53
Chapitre Quatre : Programmation et Réalisation
4.1 Introduction		54
4.2 Etapes de la réalisation	..54
4.3 Description générale du montage	..54
4.3.1 Dimensionnement du bloc d'alimentation:	..55
4.3.2 Dimensionnement du bloc de puissance	55
4.3.3 Dimensionnement du bloc de commande	.57
4.4 Présentation de l'organigramme	62
4.4.1Choix du langage de programmation	.66
4.4.2 Choix d'un programmateur du PIC	68
4.5 Explication du programme	.69
4.6 Réalisation du dispositif expérimental	70
4.7 Analyse des résultats	71
4.8 Conclusion	.73

Conclusion Générale 76

Bibliographie 78

Annexe 81

Introduction Générale

Introduction Générale

1. Généralités

L'énergie électrique est un facteur essentiel de l'évolution et de développement des sociétés sur le plan de l'amélioration des conditions de vie, et sur le plan de développement des secteurs industriels. Elle est devenue indispensable par la multiplicité des domaines d'activité où elle est demandée. Donc, elle doit être produite, transportée, et distribuée d'une façon permanente.

Selon « The Office of Technology Assessment» du Congrès Américain, les réserves mondiales connues de pétrole seront épuisées en 2037 (même si d'autre prétendent que le pétrole durera 60ans , le gaz 1 20ans , le problème reste inchangé) ,et parallèlement, la forte croissance de la population prévue dans les années à venir qui devrait encore augmenter les besoins en électricité et le soucis de pollution , toutes ces perspectives ont encouragé le grand public à s'orienter vers les énergies renouvelables qui englobent entre autre l'énergie éolienne, l'énergie solaire et la biomasse [1].

L'énergie solaire est une source d'énergie inépuisable et propre car elle ne provoque pas d'émissions de gaz nocifs pour notre environnement. Elle se propage dans l'espace sous forme des photons, donc, elle est disponible partout et sans cesse renouvelable.

Les pays du tiers monde, particulièrement les zones rurales de certain d'entre eux et qui rencontrent des problèmes de maintenance, de manque de combustible et de pièces de rechange, verront dans le procède photovoltaïque une possibilité de développement efficace.

L'Algérie, de part sa situation géographique, bénéficie des conditions favorables à l'utilisation des énergies renouvelables, en particulier l'énergie solaire, l'une des possibilités de l'exploitation de l'énergie solaire est sa transformation directe en une énergie électrique, au moyen des convertisseurs photovoltaïques. Plusieurs projets et programmes solaires ont été initiés et développé notamment par le centre de développement des énergies renouvelables (CDER) tel que le dimensionnement des équipements photovoltaïque, des visites des sites d'implantation, la réalisation et la mise en place des installations photovoltaïques , l'acquisition de matériels et des équipements spécialisés, l'entretien et la maintenance de ces équipements... .etc.

L'intensité de l'énergie solaire reçue à la terre est variable et très souvent les besoins en électricité ne correspondent pas aux heures d'ensoleillement. Conséquemment, il est nécessaire d'équiper le système par des batteries d'accumulateurs qui permettent de stocker l'électricité et de la restituer en temps voulu. Or, dans une installation photovoltaïque autonome, les recherches ont montré que le couplage directe d'un générateur photovoltaïque et d'une batterie est le plus simple à réaliser, mais il ne peut pas offrir de bonnes

1

performances vu la batterie qui est un élément très critique, elle ne doit pas être trop chargée ou trop déchargée, cela aura comme résultat son vieillissement très rapide.

Pour assurer la meilleure autonomie du système photovoltaïque avec une batterie, la régulation de la charge et de la décharge de celle-ci est alors indispensable. Pour cela, il faut intercaler dans le système un "régulateur solaire", dont le rôle est de garder la batterie saine. Ces raisons, jour pour jour, poussent les chercheurs scientifiques à développer, à améliorer et à optimiser l'exploitation des systèmes photovoltaïques. Généralement, les travaux effectués sont axés et orientés vers l'optimisation de la puissance du système photovoltaïque:

> Par l'orientation du panneau photovoltaïque.

> Par la recherche du point de la puissance maximale [MPPT].

> Par la régulation de la charge et de la décharge de la batterie en introduisant un régulateur solaire dans le système, qui est l'objectif du travail proposé.

L'évolution continue de l'électronique de puissance, plus particulièrement les dispositifs de conversion de la puissance « les convertisseurs DC/DC » et « les convertisseurs DC/AC » a ouvert de nouveaux horizons de concevoir de nouveaux schémas plus sophistiqués et moins encombrants, cela est lié au fait que le rendement de ces dispositifs électroniques influence directement sur le rendement et le coût global du système photovoltaïque dans son ensemble. [2]

L'emploi de microcontrôleurs programmables comme cerveau du régulateur s'impose vu leur fiabilité, leur faible encombrement, et leur capacité d'être flashés facilement et rapidement pour mettre à jour le programme.

2. Objectif du projet

L'objectif de ce travail est une contribution à la réalisation d'un régulateur solaire qui permet le contrôle continu de l'état de charge d'une batterie au plomb acide afin d'augmenter sa vie. Cela est équivalent à une exploitation à moindre coût de l'énergie solaire en garantissant une plus grande fiabilité des panneaux et des batteries.

Le système à étudier est constitue d'un module photovoltaïque qui peut délivrer une puissance continue de crête de 50W est un étage de puissance constitué d'un convertisseur DC-DC commandé par un signal PWM généré par le microcontrôleur « PIC16F877 » .

La réalisation expérimentale a été effectuée au Laboratoire d'Electrotechnique d'Institut des Sciences Technologique d'Oum El Bouaghi.

2

3. Présentation du mémoire

Le présent document est constitué de quatre chapitres et d'une introduction générale qui donne une perspective générale du but envisagé :

> Le premier chapitre est consacré à un rappel sur les notions de base des systèmes photovoltaïques : principe de la conversion photovoltaïque, modélisation du module photovoltaïque qui permet la détermination de la caractéristique (I-V) et l'influence des déférentes paramètres : éclairement, température, résistance série.

> Dans le deuxième chapitre, nous avons définie les paramètres de la batterie solaire disponible dans le laboratoire, des notions de base qui facilitent la compréhension de l'algorithme de charge que notre régulateur doit suivre.

> Le troisième chapitre, est constitué de deux partie , dans la première, nous abordons l'analyse du convertisseur DC-DC après la sélection de son type « série » imposé par le système , après nous modélisons ce convertisseur pour étudier son principe de fonctionnement en passant ensuite à son dimensionnement en calculant ses différents composants.

Dans la deuxième partie nous développons la technique de commande « PWM », dans un premier lieu nous définissons l'aspect de cette commande puis nous passons à la configuration du PIC 16F877 pour qu'il puisse généré le signal de commande « PWM » nécessaire au pilotage de l'élément de puissance.

> Le quatrième chapitre, est divisé en deux parties, la première partie est consacré à la réalisation du dispositif expérimental ainsi que la description de chaque bloc (bloc d'alimentation, bloc de commande, bloc de puissance).

La deuxième présente l'algorithme de commande où on explique le déroulement du programme écrit qui est validé par sa simulation dans l'environnement de «MPLAB IDE ».Le fonctionnement du système complet est validé par captage du signal de commande «PWM» par un oscilloscope et visualisation de l'état de charge de la batterie par une combinaison de quatre LEDs.

> Dans la conclusion générale, nous présentons un résumé de l'objectif du projet, les difficultés rencontrées lors du dimensionnement et la réalisation du dispositif expérimental.

Nous terminons par des idées et suggestions pour les travaux futurs. On retrouve par la suite dans l'annexe des fiches techniques des différents composants utilisés dans notre prototype ainsi un guide d'utilisation du programmateur utilisé.

3

Chapitre I

Energie photovoltaïque

et

Principe de fonctionnement

1.1 Introduction

De par sa situation géographique, l'Algérie dispose d'un gisement solaire énorme surtout dans le Sud du pays (Tableau 1.1). La durée d'insolation sur la quasi totalité du territoire national dépasse les 2000 heures annuellement et peut atteindre les 3900 heures [3].

Toutefois, la complexité des procédés de fabrication des modules photovoltaïques et les rendements de production trop faibles entraînent des coûts très élevés, qui freinent le volume des ventes.

Régions	Région côtière	Hauts Plateaux	Sahara
Superficies (%)	4	10	86
Durée moyenne d'ensoleillement (H/an)	2650	3000	3500
Energie moyenne reçue (KWh/m2/an)	1700	1900	2650

Tableau 1.1: potentiel de l'énergie photovoltaïque en Algérie.

1.1.1 Atlas solaire de l'Algérie

Le gisement solaire est un ensemble de données décrivant l'évolution du rayonnement solaire disponible au cours d'une période donnée. Son évolution peut se faire à partir des données de l'irradiation solaire globale. Elle est utilisée pour simuler le fonctionnement probable d'un système énergétique solaire et donc faire le dimensionnement le plus exact possible compte tenu des demandes à satisfaire [3], [4].

A cet effet, concernant la mesure du rayonnement solaire en Algérie, le réseau de mesures est peu dense relativement à la superficie du territoire. Pour pallier aux insuffisances des réseaux de mesures, des modèles sont proposés, ils sont basés essentiellement sur l'utilisation des données météorologiques en particulier la durée d'insolation.

Dans ce cadre , l'équipe de recherche en gisement solaire du laboratoire « Evaluation du potentiel énergétique », s'est assignée pour objectif le développement d'une méthodologie qui a permis une estimation réaliste du gisement solaire pouvant être exploité à des fins énergétiques par les concepteurs de systèmes solaires.[5]

4

Fig. (1.1) : Irradiation globale journalière reçue sur plan horizontal au mois de juillet

Fig. (1.2) : Irradiation globale journalière reçue sur plan horizontal au mois de décembre

5

Fig. (1.3) : Irradiation directe journalière reçue sur plan normal au mois de décembre :

Fig. (1.4) : Irradiation directe journalière reçue sur plan normal au mois de juillet

La wilaya d'Oum El-Bouaghi située sur les hauts plateaux est bien riche en matière d'énergie solaire, particulièrement en été, la quantité varie entre 4 KWh/m²/jour en hiver et

6

peut atteindre 8,5 KWh/m²/jour en été. C'est-à-dire elle reçoit autant d'énergie par mètre carré de surface par jour pour éclairer un endroit isolé.

Le besoin de points d'éclairage public dans de nombreux sites isolés ou des sites difficilement raccordables au réseau électrique associé à leurs faible consommation d'énergie, a converti les lampadaires photovoltaïques en solution d'éclairage pour de telles situations.

Le lampadaire incorpore d'une manière générale un générateur photovoltaïque, une batterie d'accumulateur qui accumule l'énergie produite pendant la journée pour la restitue au luminaire pendant la nuit.

1.2 Effet photovoltaïque

Découvert en 1839 par le physicien français Antoine. Becquerel, qui se demandait pourquoi certains matériaux faisaient des étincelles lorsqu'ils étaient exposés à la lumière. L'effet photovoltaïque correspond à l'apparition d'une différence de potentiel entre les deux côtés d'une jonction semi-conductrice sous l'action d'une radiation lumineuse. Il resta longtemps considéré comme une curiosité scientifique.

L'énergie photovoltaïque eut un regain d'intérêt dans les années 1950 lors des premiers lancements spatiaux de satellites puis lors des missions lunaires. Les crises économiques des années 1970 (flambée des prix du pétrole, 1973) puis les accidents de centrales nucléaires tels ceux de Three Mile Island (USA, 1979) ou de Tchernobyl (URSS, 1986) renforcèrent l'intérêt du grand public envers les énergies renouvelables, en particulier l'énergie photovoltaïque qui s'impose comme une des sources d'énergies renouvelables les plus prometteuses. [6]

1.2.1 Principe de fonctionnement

Il existe différentes techniques permettant la conversion directe de la lumière solaire en électricité, la plus connue est la conversion photovoltaïque effectuée à l'aide de matériaux semi-conducteurs tel que le silicium (Si), le germanium (Ge), le sélénium (Se) ou les composés semi-conducteurs tel que l'arséniure de gallium (GaAs), le tellurure de cadmium (CdTe). Les cellules solaires de type GaAs sont très coûteuses dans leur fabrication, leur utilisation est aujourd'hui essentiellement limitée aux applications spatiales. [6]

La majorité des cellules photovoltaïques sont fabriquées à partir du silicium cristallin, car il possède la caractéristique d'être non toxique contrairement au cadmium ou au sélénium, en plus, il permet d'atteindre des efficacités de conversion remarquables, il constitue environ 28% de l'écorce terrestre sous forme de composés (silicates, silice), ce qui en fait une source quasi inépuisable. [5]

7

La cellule solaire à semi-conducteur est un dispositif permettant de débiter un courant électrique dans une charge externe lorsque celui-ci est exposé à la lumière. Son principe de fonctionnement se résume comme suit:

Lorsque la cellule est exposée au rayonnement solaire, les photons d'énergie (Eph = hv ) pénétrant dans la cellule solaire transmettent leur énergie aux atomes de la

jonction. Si cette énergie est suffisamment élevée, elle peut faire passer les électrons de la bande de valence à la bande de conduction du matériau semi-conducteur et créer ainsi des paires «électron- trou». Les électrons (charges N) et les trous (charges P), sont alors maintenus séparés par un champ électrique qui constitue une barrière de potentiel [6].

Si une charge est placée aux bornes de la cellule, les électrons de la zone N rejoignent les trous de la zone P via la connexion extérieure, donnant naissance à une différence de potentiel et un courant électrique circule. Figure (1.5):

Fig. (1.5) : Principe de Fonctionnement d'une cellule photovoltaïque.

Une cellule photovoltaïque reste l'élément de base de toute générateur photovoltaïque quelle que soit la puissance considérable demandée. Pour prévoir ses performances, il est très important de connaître son modèle mathématique.

Pour but de simulation et de conception, plusieurs chercheurs ont étudié la cellule photovoltaïque en employant différents modèles.

8

1.2.2 Modèle mathématique d'une cellule photovoltaïque

Selon la figure (1.6), le courant généré par la cellule photovoltaïque I est donné par :

Fig. (1.6): Circuit équivalent d'une cellule photovoltaïque.

I I I + V R I s = - - ph ^D R sh		(1-1)
V R I + I I q S D s = [exp( AkT	)-1] (1-2)

Où :

Iph (A): le photo -courant.

I (A): le courant généré par la photopile.

V (V) : la tension aux bornes de la cellule.

R_s(?) : la résistance série.

R_sh(?) : la résistance shunt.

I_s (A) : le courant de saturation.

q : la charge de l'électron =1,6.10^-19 C.

A : le facteur de qualité de la cellule.

K : la constante de boltzmanne = 1.38. 10^-23 J/K.

T : la température de fonctionnement en Kelvin.

Le facteur de qualité de la cellule A est évalué par estimation, sa valeur est de 2 pour les cellules cristallines et entre 1 et 2 pour les cellules amorphes. Si on ne trouve pas de valeur imposée par le constructeur, la valeur de 1.3 est suggérée en fonctionnement normal. [7]

1.2.3 Caractéristique courant - tension

La courbe caractéristique d'une cellule PV représente la variation du courant qu'elle produit en fonction de la tension à ses bornes, depuis le court-circuit (tension nulle correspondant au courant maximum produit) jusqu'au circuit ouvert (courant nul pour une tension maximale aux bornes de la cellule).

Cette caractéristique I = f(V) est identique à celle du module photovoltaïque, elle se

met sous la forme mathématique a partir des deux équations (1.1) et (1.2) comme suit :

9

V R I

+ s s

V R I

+

I I I (q

= - (1-3)

ph s [exp 1]

) - -

AkT Rsh

Si on trace le courant (I) en fonction de la tension (V) en aura une soustraction de deux courbes : (Iph) et (ID) avec _(Rsh est très grande).

caractiristique I=f(V)

4.5

3.5

2.5

0.5

1.5

5

4

3

2

0

1

(I)

(ID) (Iph)

0 5 10 15 20 25 30

Tension (V)

Fig. (1.7): La caractéristique I (V) d'une cellule photovoltaïque.

1.2.4 Puissance maximale d'une cellule photovoltaïque

Dans des conditions ambiantes de fonctionnement fixes (éclairement, température, etc..), la puissance électrique P disponible aux bornes d'une cellule photovoltaïque est égale au produit du courant continu fourni I et la tension continue V

Pour d'une cellule solaire idéal, la puissance maximale _Pmaxidéale correspond à la tension de

circuit ouvert V_co multipliée par le courant de court circuit Icc

+ 1 )

A k T I ph

I (V ) I V I

cc ph co

= = = =

0 ; ( 0 ) ln (

q I s

Pmaxidéale = V coIcc (1-4)

Où :

Pmax idéal e (W) : Puissance mesurée aux bornes de la cellule photovoltaïque.

Vco (V): Tension de circuit ouvert mesurée aux bornes de la cellule photovoltaïque.

I _cc (A): Intensité de court- circuit mesurée aux bornes de la cellule photovoltaïque.

En pratique, la courbe caractéristique d'une cellule photovoltaïque est plus « arrondie », et la tension au point de puissance maximale est inférieure à la tension de circuit ouvert V_co, de même que le courant fournit est inférieur pour cette même tension, au courant de court-circuit Icc .Donc, avec une résistance série R_s très faible et une résistance shunt R_sh très élevée, on peut écrire :

10

= - ? -

? qV ? ? (1-5)

P V I ph I s

?? exp ( _AkT ) 1

?? ?? ??

Cette puissance est donc maximale au point définit par dP dV = 0 soit :

(1.6)

qV q qV

I I

ph s s

- - - =

( exp ( ) 1 ) ( ) exp( ) 0

VI

AkT AkT AkT

La tension V _max et le courant I_max correspondant ou maximum de puissance, sont alors données par :

( q V AkT ) ( q V AkT ) ( I _ph I _s )

1 exp 1

+ = +(1.7)

max max

Donc :

I ( q Is V kT ) ( q V AkT )

max = max exp max (1.8)

Où :

Imax: Le courant correspondant au maximum de puissance.

Vmax : La tension correspondante au maximum de puissance.

Le produit V_max .I _max donne la puissance maximale qui représente 80% environ du produit V _co . I _cc [8].

1.3 Module photovoltaïque

Généralement, chaque cellule photovoltaïque ne peut pas produire q'une tension continue nominale de 0,5V à 0,6V en circuit ouvert et une puissance nominale voisine de1.5Wc.

Pour satisfaire les besoins des charges couramment utilisées, il faut envisager un assemblage de plusieurs cellules photovoltaïques soit en série soit en parallèle. Cet assemblage forme ce qu'on appelle « module solaire » ou « module photovoltaïque ».

Le dimensionnement du système solaire détermine le nombre de modules à mettre soit en parallèle afin d'accroître le courant en conservant la tension, soit en série afin d'augmenter la tension en conservant le courant, et pour avoir une satisfaction en courant et en tension, un groupement mixte « série- parallèle » est obligatoire.

Généralement, un module composé de 36 cellules en silicium cristallin est adapté pour la charge d'une batterie de 12 V.

11

Fig. (1.8): Module photovoltaïque

Ii

+

-

N

+

-

+

-

Fig. (1.9) : Groupement des cellules photovoltaïques en série

I

Ii

V

+

+

-

R'

'

Vi

I

R

'

NS Vi

Vi

V (V)

I(A)

NSVi

I

1/R

I(A)

NpIi

N_p

Vi

V (v)

Fig. (1.10) : Groupement des cellules photovoltaiques en parallèle

L'équation (1-3), montre que le courant débité par le module photovoltaïque dépend du photo courant qui dépend lui-même de l'éclairement et de la température de fonctionnement.

La figure (1.11) montre la courbe de la caractéristique courant- tension du module photovoltaïque, pour un éclairement de 1000W/m² et une température de fonctionnement

12

de C

25 , la valeur de la charge RL aux bornes du module détermine le point de

0

fonctionnement :

caractéristique I=f(V)

5

4.5

4

3.5

(1)

2.5

3

2

(3)

(2)

0.5

0

1.5

1

0 5 10 15 20 25 30

Tension (V)

Fig. (1.11) : Caractéristique courant- tension du module photovoltaïque.
E=1 000W/m², T=25°C

> La zone (1): où le courant reste constant quelle que soit la tension. Dans cette région, le générateur photovoltaïque fonctionne comme un générateur de courant.

> La zone (2): se distingue par une variation de courant correspondant à une tension presque constante, dans cette région, le générateur est assimilable à un générateur de tension.

> La zone (3) : correspondant au coude de la caractéristique, c'est la région intermédiaire entre les deux zones précédentes, elle représente la région préférée pour le fonctionnement du générateur où le point optimal (caractérisé par une puissance maximale) peut être déterminé.

1.3.1 Influence de l'éclairement et de la température

Le fonctionnement des cellules photovoltaïques dépend des conditions d'ensoleillement et de température à la surface de la cellule photovoltaïque.

La figure (1.12) montre l'influence de l'éclairement sur la caractéristique courant tension d'une cellule photovoltaïque à une température constante.

On remarque que la tension V_co ne varie que très peu en fonction de l'éclairement,

contrairement au courant de court circuit I_cc qui augmente fortement avec l'éclairement.

13

caractéristique P=f(V)

100

1 000w/m2 800w/m2 500w/m2 400w/m2

60

50

40

30

20

10

0

90

80

70

0 10 20 30

tension (V) caractéristique I=f(V)

5

4.5

4

3.5

3

2.5

2

1.5

1

0.5

0

0 10 20 30

Tension (V)

Fig. (1.12) Influence de l'éclairement, à T=25° C.

La figure (1.13) montre l'influence de la température sur la caractéristique courant tension d'une cellule photovoltaïque pour un éclairement donné.

On remarque que lorsque la température augmente, la tension du circuit ouvert Vco diminue alors que le courant de court circuit I_cc augmente.

caractéristique P=f(V) caractéristique I=f(V)

0 10 20 30

tension (V)

0 10 20 30

Tension (V)

100

40

90

80

70

60

50

30

20

10

0

100°C 50°C 25°C 20°C

4.5

2.5

0.5

3.5

1.5

4

2

5

3

0

1

Fig. (1.13) : Influence de la température pour un éclairement E=1000W/m2.
14

1.3.2 Influence de la résistance série

La résistance série est due aux différentes résistances électriques que le courant rencontre sur son parcoure, elle représente la résistance du semi-conducteur constituant la jonction ainsi que tout les contactes métalliques. Elle influe sur la pente de la caractéristique dans la zone où la cellule photovoltaïque se comporte comme un générateur de tension, quand elle augmente, le courant de court-circuit _Isc diminue ainsi la pente de la courbe I=f (V) diminue également.

La figure (1.14) montre les différents courbes I (V) et P (V) obtenues pour quatre valeurs de la résistance série :(R_s =0.05? , 0.04?, 0.03?, 0.01 ?).

caractéristique P=f(V)

caractéristique I=f(V)

100

40

90

80

60

50

30

20

70

10

0

Rs=0.05 Rs =0. 04 Rs=0.03 Rs=0.01

5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0

0 10 20 30

0 10 20 30

tension (V)

Tension (V)

Fig. (1.14.) : Influence de la résistance série R_s (E=1000W/m², T=25°C).

La résistance shunt est généralement très élevée, son influence se traduit par une augmentation de la pente de la puissance dans la zone où la cellule photovoltaïque fonctionne comme une génératrice à courant constant.

1.4 Différents types d'une installation photovoltaïque

Les modules photovoltaïques sont les éléments principaux d'une installation soit autonome soit raccordée au réseau.

a) Installation raccordée au réseau

Les installations photovoltaïques sont raccordées au réseau électrique grâce à un onduleur, qui convertisse le courant continu d'origine photovoltaïque en courant alternatif.

15

L'électricité produite est directement utilisée par la charge ou injectée dans le réseau électrique.

b) Installation autonome

Dans le cas où l'énergie photovoltaïque doit assurer la totalité des besoins en électricité, il est nécessaire de la stocker pour les périodes non ensoleillées. Ce stockage est généralement assuré par des batteries d'accumulateurs qui accumulent l'excédent d'électricité produit puis le restituent en cas de besoin. La présence d'un régulateur est nécessaire pour protéger les batteries contre les surcharges et les décharges profondes.

Ce type d'installation est bien adapté aux "petits" besoins d'électricité, il couvre un domaine d'applications très large: télécommunication, signalisation terrestre (routière), pompage, électrification rurale, et utilisation grand public (montres, calculatrices)...

Une installation autonome doit être dimensionnée de façon à pouvoir fournir l'énergie nécessaire à la charge, et ceci après plusieurs jours de mauvais temps.

1.5 Conception d'un système photovoltaïque

L'installation photovoltaïque la plus simple que l'on puisse concevoir se compose d'un champ photovoltaïque formé d'un ou plusieurs modules connectés en série ou en parallèle, et d'une charge qui utilise directement l'énergie produite figure (1.15) :

Fig. (1.15) : Liaison directe d'un générateur photovoltaïque à une charge

Une telle installation a le mérite d'être simple mais elle ne fournit un effet utile que pendant les périodes ensoleillées. Elle ne convient que pour quelques applications, notamment dans les applications de pompage, car il est possible de remplir un réservoir d'eau pendant les périodes ensoleillées et de l'utiliser en dehors de ces périodes.

Cette installation n'assure pas une utilisation optimale de l'énergie photovoltaïque, on doit veiller lors de la conception d'une installation à choisir les éléments tels qu'une adaptation raisonnable se réalise spontanément dans toutes les conditions d'utilisation (niveau

16

d'ensoleillement, température ambiante, la demande de la charge...). On est donc amené à ajouter entre la source et la charge un circuit d'interface, généralement un convertisseur électronique de puissance où les pertes occasionnées par ce circuit seront compensées par une meilleure exploitation de l'énergie photovoltaïque.

Compte tenu des fluctuations permanentes des conditions de fonctionnement, il faut aussi prévoir un système de commande automatique, ainsi que divers capteurs : de courant, de température, etc....

En plus, pour assurer une meilleure autonomie au système, il faut ajouter un élément de stockage d'énergie.

Généralement, un système photovoltaïque comprend les différents éléments indiqués par la figure (1.16), où chaque élément doit être déterminé en fonction des contraintes techniques et économiques.

Régulateur Charge continu

Charge alternative

DC

DC

DC

AC

Générateur PV

Batterie

Fig. (1.16) : Schéma synoptique d'un système photovoltaïque avec batterie de stockage

1.6 Avantages et inconvénients

a) Avantages

> La technologie photovoltaïque se caractérise par une haute fiabilité, c'est la raison de son utilisation sur les engins spatiaux.

> Le caractère modulaire des panneaux photovoltaïques permet un montage simple et adaptable aux divers besoins énergétiques, on peut dimensionner les systèmes photovoltaïques pour des applications de puissances allant du milliwatt au KiloWatt.

> Le fonctionnement d'une installation photovoltaïque ne demande ni combustible, ni transport, ni personnel hautement spécialisé, ce qui rend le coût de fonctionnement très faibles

17

> La technologie photovoltaïque présente des qualités sur le plan écologique car le produit est fini est non polluant, silencieux et n'entraîne aucune perturbation du milieu.

b) Inconvénients

> La fabrication du module photovoltaïque relève de la haute technologie et requiert un coût élevé.

> Le rendement réel de conversion d'un module est faible.

> Lorsque le stockage de l'énergie électrique sous forme chimique (batterie) est nécessaire, le coût de l'installation photovoltaïque est accru. Toutefois, la fiabilité et les performances du système restent équivalentes pour autant que la batterie et les composants de régulation associés soient judicieusement choisis.

1.7 Conclusion

L'application des systèmes photovoltaïques n'est pas limité aux systèmes isolés, mais peut être utilisée localement au niveau domestique, donc une optimisation d'utilisation d'énergie est indispensable.

Afin d'assurer une meilleure autonomie à l'installation, on doit l'équiper par des accumulateurs solaires dont le processus de charge et de décharge doit être effectuer selon un algorithme de charge efficace et très sophistiqué d'où l'objectif du deuxième chapitre.

18

Chapitre II

Stockage d'énergie

Et

Algorithme de Charge

2.1 Introduction

Puisque la demande d'énergie dans les applications photovoltaïques ne coïncide pas toujours avec sa production, il est donc nécessaire d'avoir un élément de stockage pour stocker l'énergie produite. Cet élément est généralement constitué des batteries d'accumulateurs électrochimiques et rechargeables, capables de stocker l'énergie électrique sous forme chimique puis la restituer à chaque demande grâce à la réversibilité de la transformation. [9].

Généralement, les batteries solaires sont très coûteuses, elles doivent être utilisées avec prudence afin de prolonger leur vie sans procéder à un entretien plus fréquent.

Dans ce chapitre, nous définissons les déférentes technologies des batteries d'accumulateurs, leurs caractéristiques et leur principe de fonctionnement pour arriver à la fin au choix de l'algorithme de charge à implémenter.

2.2 Différentes technologies d'accumulateurs

Il existe plusieurs types d'accumulateurs électrochimiques au (Pb, Cd-Ni, Ni-Zn,). Toutefois les plus anciens et les plus couramment utilisés sont ceux réalisés au plomb et au nickel cadmium. Dans le domaine solaire, les accumulateurs au plomb sont les plus utilisés car ils peuvent résister à de nombreux cycles de charge et de échange sans être endommagés.

2.2.1 Accumulateurs au nickel -cadmium

Les accumulateurs au nickel -cadmium sont constitués d'une électrode cadmium et d'une électrode nickel plongée dans un électrolyte alcalin, la tension nominale par élément est 1.2V.

Ils peuvent subir sans dommage des décharges profondes. Cependant, un des leurs inconvénients majeurs est l'autodécharge; ils se chargent difficilement à faible courant [10]. Leur coût très élevé limite leur utilisation dans les petits systèmes photovoltaïques [11].

2.2.2 Accumulateurs au plomb

Les batteries au plomb, bien que connue depuis plus de cent ans, offrent actuellement et pour de longues années encore la meilleure réponse en termes de pris, rendement, et durée de vie. Elles ont subies de sérieux perfectionnement en raison de leurs applications dans le domaine automobile. Typiquement, on les trouve en trois types :

« Flooded lead-acid type », «Gelled electrolyte type », et «Absorbed glass mat (AGM) type ». Ils sont différenciés par la forme de l'électrolyte [12], [11].

19

Pour le premier type, souvent désigné sous le nom « type ouvert », l'électrolyte est un liquide et il peut être renouvelé, c'est le type le plus utilisé dans les applications photovoltaïque, La tension nominale par élément est de 2V.

Pour les deux derniers type, généralement désigné sous le nom « Sealed lead-acid » ou « Valve-Regulated Lead-Acid » (VRLA), l'électrolyte est gélifié ou a recombinaison de gaz. Ils sont étanches, elles ne nécessitent pas l'addition de l'eau et peuvent fonctionner dans toutes les positions. On les trouve dans des capacités inférieures aux celles de type «ouvert ».

Les accumulateurs aux plombs sont des générateurs électriques qui utilisent les propriétés électrochimiques d'un couple oxydant- réducteur dans une solution sulfurique dont la densité varie en fonction de l'état de charge de la batterie [13]:

PbO2 / H2SO4/ Pb

Fig. (2.1) : Vue interne d'une batterie au plomb

L'électrode négative est une grille en alliage Pb/ Sb dont les alvéoles sont remplies de plomb spongieux Pb. L'électrode positive est une grille identique à la précédente remplie de dioxyde de plomb PbO2 figure (2.1). L'électrolyte est une solution d'acide sulfurique concentré. Le séparateur est un isolant pour éviter le court-circuit entre les plaques :«laine de verre ou plastique perforée »qui doit présenter une bonne résistance chimique à l'acide sulfurique.

Dans le cas d'une batterie complètement chargée, l'électrolyte se compose de 25% d'acide sulfurique et de 75% d'eau [14].

20

La technologie plomb pour le photovoltaïque possède les avantages suivants [10] : > Bon rapport qualité- prix.

> Longévité.

> Faible entretien.

> Bonne tenu aux températures externes.

> Charge possible au faible courant.

2.3 Principe de fonctionnement de l'Accumulateurs au plomb

L'accumulateur au plomb est un siège des réactions chimiques au niveau des deux électrodes : L'électrode positive est cathode durant la décharge et anode durant la charge. L'électrode négative, de façon complémentaire, est anode durant la décharge et cathode durant la charge.

2.3.1 Réactions chimiques

Pendant la décharge, les réactions s'effectuent de la manière suivante:

Au niveau de l'électrode positive : (réduction à la cathode) PbO H e Pb H O

+ 4 + + 2 - ? + + 2 (2-1)

2

2 2

Pb ² + SO ? PbSO

+ (2-2)

2-

4 4

Au niveau de l'électrode négative: (oxydation à l'anode)

Pb ? Pb + + 2 e -

² (2-3)

Pb ² + SO - ? PbSO

+ (2-4)

2

4 4

On remarque que la décharge de l'accumulateur au plomb consomme les solides des deux électrodes et les ions H⁺ de l'électrolyte (le PH augmente), ainsi une double sulfatation (formation de PbSO4) se produit aux niveaux des deux électrodes.

Pendant la charge, les réactions s'effectuent d'une manière inverse, où les solides des deux électrodes se forment ainsi que les ions H⁺ de l'électrolyte (le PH diminue).

La double réaction ci-dessous indique très sommairement le cycle des transformations chimiques réversibles.

PbO Pb H SO PbSO H O

2 2 2 (2-5)

2 2 4 4 2

+ + ? +

21

2.4 Caractéristiques électriques des batteries d'accumulateurs

Les propriétés des batteries sont l'objet d'une terminologie qu'il est important de définir afin d'éviter les confusions.

a) Capacité standard d'un accumulateur

On appelle capacité la quantité d'électricité qu'un accumulateur chargé peut fournir, elle est exprimée en ampères-heures [Ah], c'est-à-dire le temps (en heures) pendant lequel l'accumulateur peut délivrer une certaine intensité de courant avant d'être déchargé en dessous d'une tension limite de décharge (généralement 1 .8V/Cell) multiplié par cette intensité de courant.

b) Taux de charge/décharge

Le taux de charge ou de décharge _Crate est le rapport entre la capacité nominale de la batterie et le temps de charge ou de décharge exprimé en heures. Par exemple, le taux de décharge d'une batterie de capacité 100Ah qui fournit un courant de 10A pendant 10 heures, est C/10.

Ce taux influe sur le pourcentage de récupération de la capacité de la batterie qui diminue pour un régime de charge plus élevé (I > C/10), et qui augmente pour un régime de charge plus faible (I <C/10). [15].

c) Etat de charge `SOC'

L'état de charge instantané (SOC) en anglais «State Of Charge» ; exprimé en pourcentage est la quantité de charge qui peut être restituée par rapport à la capacité à pleine charge, il vaut donc 100% dans le cas d'une batterie complètement chargée.

L'estimation de l'état de charge d'une batterie est un problème qui intéresse au plus haut point l'utilisateur, et qui est malheureusement très difficile.

d) Cycle Profond

On appelle cycle une décharge pas nécessairement complète suivie d'une charge jusqu'à l'état de charge initial. Les performances d'une batterie s'évaluent en nombre de cycles que celle- ci peut fournir à une profondeur de décharge déterminée [11].

22

Dans le domaine solaire, on utilisé des batteries dite «Cycle Profond » en anglais « Deep -Cycle » car elles peuvent être déchargées à plus de 50% de la capacité nominale, inversement pour les batteries de démarrage qui ne se déchargent que de quelque pour cents avant d'être rechargée.

e) Tension limite de décharge LVD

Il s'agit de la tension minimale _Vmin, que le régulateur permet à la batterie d'atteindre, afin d'éviter que celle-ci ne soit pas endommagée « sulfatation de la batterie ». Typiquement cette valeur est de l'ordre de 10.8V/Cell [11].

f) Tension de régulation VR

Pendant le processus de charge, la tension de la batterie augmente. Les constructeurs des batteries définissent une tension de régulation VR inférieure à la tension de gazéification. Cette tension est la valeur maximale que le régulateur permet à la batterie de l'atteindre à une température donnée [11], elle peut être dépassée légèrement à la fin de charge, car une légère gazéification ne détériorera pas les batteries de façon significative, et peut même s'avérer utile parce que les bulles formées mélangent l'électrolyte et éliminent ainsi la différence de concentration dans celui-ci.

Par contre, en cas d'une gazéification trop fréquente, on risque d'une dégradation des deux électrodes et une concentration de l'électrolyte « perte d'eau » [15], [16].

La tension VR est une tension très critique sa détermination est très difficile, car elle dépend des conditions internes de la batterie, les constructeurs et les utilisateurs des batteries visent toujours à la choisir d'une manière exacte afin d'aboutir aux performances désirées

2.5 Charge et décharge d'un accumulateur au plomb
En réalisant la liaison Module -Batterie figure (2.2) :

Module PV

Ib

Batterie

E, Rb

Fig. (2.2) Connexion directe d'un panneau photovoltaïque et d'une batterie
23

L'équation la plus simple qui décrit la relation entre la tension de la batterie _Vbat et le courant de charge 'b est donnée par :

Vbat= E + Rb 'b. (2-4)

Où :

Vbat: tension aux bornes de la batterie

Rb. Résistance interne de la batterie.

'b : courant de charge.

E: tension à vide (f.e.m).

Le point de fonctionnement est déterminé par l'intersection des deux courbes caractéristiques ' = f(V)et '_b = f(Vbat) figure (2.3).

caractéristique I=f(V)

5

4.5

4

3.5

3

2.5

2

1.5

1

0.5

0

0 5 10 15 20 25 30

Tension (V)

Fig. (2.3) : Point de fonctionnement du système panneau-batterie sous un éclairement de
1000W/m²;(Rb = 1 ? )

En conditions normales de fonctionnement, la tension aux bornes d'un élément d'accumulateur au plomb est avoisine de 2V; sa valeur varie entre 1 ,8V/Cell à 2,4 V/Cell suivant le type de la batterie et son état de charge :

Pendant la charge :

Pendant la charge, le sulfate de plomb PbSO4 formé au niveau des deux électrodes se converti au PbO2 (électrode positive) et au Pb (électrode négative) et les ions de sulfate se retournent dans la solution pour former l'acide sulfurique. Pendant cette phase, la concentration de l'acide augmente et la tension de la batterie _Vbat croit également avec le temps, quand elle atteint une tension suffisamment élevée, « tension de gazéification », l'électrolyse de l'eau

24

contenue dans la batterie devient trop rapide et un dégagement gazeux (oxygène et hydrogène) aura lieu à l'intérieur de la batterie.

En fin de charge, la tension _Vbat augmente rapidement, donc on doit limiter le courant de charge pour maintenir la tension de la batterie à une tension VR inférieure à la tension de gazéification. Si on trace en fonction du temps la différence de potentielle entre les deux bornes de la batterie figure. (2.4), on constate qu'après un court régime transitoire elle s'établit aux environs de 2,2V. En fin de charge (le point « M » (2.4 V/Cell)), on remarque un accroissement rapide de la tension.

Pendant la décharge :

Quand la batterie se décharge, les matériaux actives: le dioxyde de plomb au niveau de l'électrode positive et le plomb spongieux au niveau de l'électrode négative réagissent avec l'acide sulfurique pour former le sulfate de plomb PbSO4 et de l'eau H2O.

Pendant cette phase, la concentration de l'acide décroît et la tension de la batterie Vbat décroît également avec le temps; si elle dépasse une certaine valeur définit par les constructeurs VLVD, ceci peut attaquer les plaques (formation du sulfate de plomb PbSO4), qui n'est plus détruit par la suite; ce phénomène aura comme conséquences : sulfatation de l'accumulateur qui entraîne une perte de capacité, et vieillissement de la batterie.

Pendant la décharge, la tension de la batterie varie en fonction du temps, figure (2.4), on remarque que pendant une assez longue période d'utilisation, elle reste constante à une valeur proche de 2V/Cell. À partir du point « N » (1 ,8V/Cell) elle diminue brusquement, donc, il faut interrompre la décharge de la batterie pour éviter sa sulfatation.

V/Cell V/Cell

Décharge

2V

N

Charge

M

2V

t (h) t (h)

Fig. (2.4): allure du processus de charge et de décharge d'une batterie au plomb.
25

2.6 Conception d'un régulateur de charge

Dans une installation photovoltaïque autonome, le régulateur de charge est généralement monté soit en série, soit en parallèle « shunt ».

2.6.1 Régulateur shunt

La figure (2.5) montre une structure shunt d'un régulateur solaire, le régulateur shunt contrôle la charge de la batterie en court-circuitant le module photovoltaïque sans aucun risque.

Tous les régulateurs shunt exigent la présence d'une diode anti-retour en série entre la batterie et l'élément shunt afin d'empêcher le court-circuit de la batterie.

Diode anti-retour

Elément shunt

Contrôle de charge

Contrôle LVD

Fig. (2.5) : Conception d'un régulateur shunt

Typiquement le régulateur shunt peut fonctionner selon deux techniques de contrôle:

1. La première technique est une simple interruption «on/off» « shunt interrupting design», quand la tension _Vbat atteint la tension de régulation VR , le régulateur déconnecte complètement la batterie du panneau photovoltaïque_, puis il la reconnecte si sa tension diminue à la valeur _VARV (array reconnect voltage). Cette opération continue de cette manière jusqu'à ce que la batterie s'approchera de la pleine charge figure (2.6.b).

2. La deuxième méthode« shunt linear design»; si la tension _Vbat atteint la valeur VR, l'élément shunt interrompe le courant de charge d'une manière linéaire, figure (2.6.a) afin de maintenir la tension _Vbat à une tension fixe.

26

Fig. (2.6) : Schéma fonctionnel du régulateur shunt.

2.6.2 Régulateur série

Comme son nom l'indique, ce type fonctionne en série entre le générateur photovoltaïque et la batterie. La figure (2.7) montre une structure électrique typique d'un contrôleur série.

Elément Série

Contrôle de charge

Contrôle LVD

Fig. (2.7): Conception d'un régulateur série

Le régulateur série peut fonctionner selon plusieurs méthodes soit:

1. Par une interruption série «Series- Interrupting-Design» où le régulateur déconnecte complètement la batterie du panneau photovoltaïque si sa tension atteint la tension de régulateur _VR, puis il la reconnecte si sa tension diminue à la valeur _VARV. [12]. [16].

2. Par limitation linéaire du courant de charge «Series-Linear -Design» afin de maintenir la tension de la batterie à la valeur VR.

27

3. Par une technique PWM «series -Interrupting, PWM Design». Cette technique est caractérisée par la présence d'un élément de puissance entre le panneau photovoltaïque et la batterie, cet élément de puissance s'ouvre et se referme par un signal de commande « PWM » d'une fréquence constante et d'un rapport cyclique variable. Cette technique de commande hache le courant généré par le panneau photovoltaïque en impulsions afin de réguler la quantité de la charge dans la batterie. Si la tension de la batterie augmente, la largeur d'impulsion diminue, et le courant de charge diminue également. [16]

2.7 Choix de l'algorithme de charge

Avant de procéder à la charge d'une batterie, il est nécessaire de préciser son type, la façon de sa décharge, le temps nécessaire pour sa charge, sa température extrême de fonctionnement et sa tension nominale. [16]

En pratique, on trouve plusieurs méthodes pour charger les batteries au plomb; les plus courantes sont:

> Charge à tension constante.

> Charge à courant constant.

2.7.1 Charge à tension constante

Par cette méthode, le régulateur contrôle le courant de charge de telle sorte que la tension de la batterie soit maintenue à un niveau de régulation VR. Au début, la batterie se charge par un courant de valeur acceptable `généralement le maximum de courant' ensuite, il diminue graduellement afin de maintenir la tension constante aux bornes de la batterie. Cette méthode est très efficace surtout dans le cas où le banc batterie est petit. [15], [16].

2.7.2 Charge à courant constant

Cette méthode est très efficace surtout dans le cas où le banc batterie est grand. Dans ce cas, le régulateur fonctionne comme un interrupteur on/off, il contrôle la tension de la batterie, jusqu'à ce qu'elle atteint une valeur prédéterminée VR (voltage régulation) où il interrompre le courant de charge. Le module PV demeure déconnecter de la batterie jusqu'à où la tension de cette dernière diminue à une valeur AR V (Array Reconnect Voltage) et le courant de charge se rétablit. Ainsi la tension de la batterie bascule entre ces deux seuils.

28

Cette méthode est caractérisée par une rapidité de charge avec une difficulté de charger complètement la batterie surtout dans le cas où le banc batterie est très petit par rapport à la taille du générateur photovoltaïque [15], [16].

2.7.3 Algorithme de charge en trois étapes

Les utilisateurs des batteries ont remarqué qu'il existe une grande différence entre les deux méthodes de charges citées précédemment, où chacune a ses avantages et ses inconvénients. Pour aboutir aux meilleures performances, ils ont distingué qu'ils peuvent combiner ces deux méthodes en un seul algorithme dit : « Algorithme de charge en trois étapes » en anglais «threestate charge algorithm», où une phase de charge à courant constant est suivie par deux phases de charge à tension constante [15] :

> Bulk ou charge normale.

> absorption charge ou égalisation.

> Float ou fin de charge.

Cet algorithme intègre les avantages du charge à courant constant : d'égaliser et de charger rapidement la batterie et les avantages de charge à tension constante : d'un contrôle performe du surcharge. Pour faciliter la compréhension de cet algorithme, on doit d'abord définir les paramètres de la batterie au plomb acide disponible dans notre laboratoire.

Paramètre	Description	Valeur
VN	Tension nominale	12V
C	Capacité de la batterie	100Ah
VLVD	Tension minimale de la batterie	10.8V
VR	Tension de régulation	14.4V
Vfloat	Tension float	13.2V
Ioct	Courant de fin d'overcharge	100mA
TC	Coefficient de température par cellule	-3.9Mv/°C
Tmin	Température minimale	-10° C
Tmax	Température maximale	+50° C

Tableau 2.1 : paramètres de la batterie utilisée.
29

a) Bulk charge

« Bulk charge » est un mode de charge a courant constant, il représente la première étape du cycle de charge à suivre où le panneau photovoltaïque charge une batterie dechargée par le maximum de courant permit.

Pendant ce mode de charge, la tension aux bornes de la batterie _Vbat augmente graduellement. Ce mode de charge assure une récupération rapide de la capacité de la batterie [15].

Quand la tension _Vbat atteint la valeur VR le processus de charge passe au deuxième mode de charge.

b) Absorption charge ou égalisation

Pendant la phase d'égalisation, la tension de la batterie doit être maintenue à la valeur de régulation VR afin de compléter la charge de la batterie et éviter l'overcharge.

La fin de cette phase aura lieu quand la capacité de la batterie s'approche de sa totalité et le courant de charge se diminue à la valeur _Ioct. .

Le début d'une surcharge dépend du taux de charge _Crate, il est indiqué par l'augmentation pointue de la tension de la cellule figure (2.8)

V/Cell

C%

Fig. (2.8): Caractéristique surcharge aux différents taux de charge Crate.
30

On remarque que lorsque _Crate augmente, le pourcentage de la capacité à récupérée diminue. On note qu'une mauvaise détermination de la tension VR causera une d'hydratation et diminution de la vie estimée de la batterie.

Type de la batterie au plomb 12V	batterie (Flooded Lead-Antimony)	batterie (Flooded Lead- Calcium)	batterie (VRLA -GEL)	batterie (VRLA -A GM)
Tension de régulation VR à 25°C	14.4-14.8	14.0-14.4	14.0-14.2	14.1-14.4

Tableau 2-2 : tension de régulation pour les différents type des batteries au plomb

c) Float charge

Quand le courant de charge atteint la valeur _Ioct le processus de charge entre dans la troisième et la dernière phase de l'algorithme de charge qui est le « float charge ». Cette étape est une étape d'entretien où la tension de la batterie est réduite à un niveau juste suffisant _Vfloot afin de compenser l'autodécharge des cellules. Et le courant de charge devenue très faible et presque constant, c'est l'état de pleine charge.

Les deux figures : Fig. (2.9) et Fig. (2.10) illustrent mieux l'algorithme de charge en trois étapes :

Fig. (2.9) : Algorithme de charge en trois phase.

31

Fig. (2.10) : évaluation de la tension et du courant au cours de charge

2.8 Discontinuité de la charge

Quant la tension _Vbat atteint la valeur _VLVD, le régulateur doit déconnecter toute charge afin de protéger la batterie d'une décharge profonde. La charge demeure déconnecter de la batterie jusqu'à où elle sera rechargée de nouveau.

2.9 Conclusion

Les batteries d'accumulateur au plomb acide « Deep Cycle » représentent plus de 90% de la production mondiale, vu à leur adaptation à tout type d'application et à leur coût comparable aux batteries au nickel cadmium. Néanmoins, elles sont très coûteuse, et nécessitent un contrôle continu de leur état de charge afin de les protéger et de prolonger leur vie.

L'implémentation de l'algorithme de charge en trois étapes décrit dans ce chapitre nécessite une technique de commande plus sophistiquée afin d'adapter le courant fourni par le panneau PV à la batterie. Le mauvais choix de la technique de commande influe sur les performances du système photovoltaïque.

32

Chapitre III

Commande du convertisseur

DC-DC

3.1 Introduction

L'implémentation de l'algorithme de charge trois stage décrit dans le chapitre précèdent nécessite l'interposition d'un régulateur de charge qui doit surveiller l'état de charge de la batterie afin de la protéger contre les surcharges et les décharges excessives.

Le régulateur en question est a base d'un microcontrôleur PIC16F877 ,capable de générer un signal PWM « Pulse Width Modulation » pour commander un convertisseur de puissance continu- continu dont les pertes sont aussi faibles que possible.

3.2 Convertisseur continu - continu

Le convertisseur continu-continu (DC-DC converter) est un convertisseur de courant (ou de tension) continu, statique, qui permet d'obtenir à partir d'une source de courant (ou de tension) continu de valeur fixe une tension continûment variable figure (3.1):

Fig. (3.1): Convertisseur continu- continu

Le tableau (3-1) donne les différents types des convertisseurs DC-DC. Les trois premiers sont les plus fondamentaux, ils sont largement utilisés à cause de leur faible complexité [17]. (Voire annexe (g)).

Type	Fonction	Inductance	Interrupteur de puissance	Diode	Transformateur	Complexité
Buck	Abaisseur	Oui	1	1	Non	Faible
Boost	Elévateur	Oui	1	1	Non	Faible
Buck- boost	Elévateur Abaisseur	Oui	1	1	Non	Faible
Flyback	Elévateur Abaisseur	Non	1	1	Oui	Moyenne
Half forward	Elévateur Abaisseur	Oui	1	1	Oui	Moyenne
Push pull	Elévateur Abaisseur	Oui	2	2	Oui	Forte
Demi pont	Elévateur Abaisseur	Oui	2	4	Oui	Forte
pont	Elévateur Abaisseur	Oui	4	4	Oui	Très forte

Tableau (3-1) : Différents types des convertisseurs DC-DC.

33

Lors de l'élaboration de notre projet, nous avons utilisé un générateur photovoltaïque constitué d'un seul module PV de tension à vide : V_co = 21.6V et de courant de court-circuit

Icc = 3 .05A destiné à charger une batterie d'accumulateurs (Source de tension réversible en

courant) avec une tension nominale de 12V. Ainsi le choix d'un convertisseur série « buck » s'impose.

Le rôle du convertisseur série est de diminuer une tension d'entrée vue à la sortie du panneau photovoltaïque. Il se compose des éléments suivants [18]:

· Interrupteur Semi-conducteur de puissance

· Diode de roue libre

· Filtre passif de type passe-bas

Le placement de ces éléments influe sur la tache du convertisseur : « abaisseur, élévateur, élévateur -abaisseur ».

3.2.1 Interrupteur Semi-conducteur de puissance

Généralement, cet interrupteur est un dispositif électronique commandé à la fermeture et/ou à l'ouverture (ex : Transistors, Mosfets, GTO, ). Généralement, il s'ouvre et se ferme par un signal rectangulaire à largeur réglable. La commutation entre l'état de fermeture et d'ouverture se fait souvent à des fréquences élevées pour augmenter les performances dynamiques de la réponse. En outre, pour réduire la taille des éléments de stockage (inductifs et capacitifs) [17]

Les temps de fermeture et d'ouverture présente le fameux rapport de réglage appelé : rapport cyclique (Duty Cycle) tel que :

TON =DT (3-1)

TOFF = (1-D) T (3-2)

Où

D : Le rapport cyclique (sans unité)

T : La période de commutation (en sec)

Pour une commutation des tensions élevées à des hautes fréquences, les transistors de type MOSFET représentent un bon choix, car à l'état passante leur résistance série _RDSON est très faible alors qu'à l'état bloqué, ils se comportent comme un circuit ouvert, ils impliquent aussi une bonne isolation de la partie commande de la partie puissance [19].

3.2.2 Diode de roue libre

Cette diode assure la continuité du courant inductif pendant l'absence du courant fourni par la source.

34

Généralement, on utilise une diode rapide (type Schottky) à cause de la fréquence élevée de commutation. Cette catégorie des diodes présente une chute de tension directe faible (l'ordre de 0.4V). [20]

3.2.3 Filtre passif de type passe-bas

Ce filtre est constitué d'une inductance et d'un condensateur. Le choix de l'inductance influe sur le taux d'ondulation et sur le mode de conduction du convertisseur (mode continu ou discontinue). Le condensateur assure l'action de filtrage de la tension de sortie. Sa capacité est choisie de sorte que l'ondulation de tension soit très faible, pratiquement moins de 5%.

3.3 Principe de fonctionnement

La figure (3-2) montre le schéma de principe d'un convertisseur série :

Fig. (3.2) : Schéma de principe d'un convertisseur série

Le fonctionnement de ce convertisseur se déduit du comportement de l'interrupteur de puissance commandé S. On distingue deux phases de fonctionnement :

3.3.1 Première phase de fonctionnement

Quand l'impulsion de commande est au niveau haut (état on), l'interrupteur S est fermé, ce qui polarise la diode D en inverse. Le courant d'entrée _Iin recharge la bobine L par une énergie inductive qui vaut E :

E= ¹ Li (3-3)

2

2

Tant que l'interrupteur est fermé, la tension de la bobine possède les polarités indiquées sur la figure (3.3) et le courant IL recharge au même temps le condensateur C et fournit le courant _Iout à la batterie d'accumulateur.

Fig. (3.3) : Circuit équivalent du premier mode de fonctionnement

35

Pendant l'intervalle : 0 = t = TON

V_L =V in - V out (3-4)

di t

L = -

^L V V

( ) (3-5)

in out

dt

V V

, min

in out

i t +

L t I

( ) L

=

L

- (3-6)

Le courant augmente linéairement avec le temps jusqu'à ce q'il atteint son maximum à

l'instant t ? T ON = D . T : V V

I +

L D T I

, max . L ,min

(3-7)

in out

-

=

L

A partir de l'équation ci-dessus on aura :

I in out

V V

-

? = (3-8)

D

f

^L .

L

La relation (3-8) montre que l'ondulation du courant est d'autant plus faible que la fréquence de hachage est grande, donc une forte augmentation de cette fréquence nécessiterait l'emploi des composants à commutation rapide.

3.3.2 Deuxième phase de fonctionnement

Quand l'impulsion passe au niveau bas (état off), l'interrupteur s'ouvre, à ce moment le champ magnétique commence à disparaître en induisant une tension inverse sur l'inductance, cette tension inverse qui s'appelle tension induite. À cause d'elle la diode sera polarisée en directe figure (3.4).

Dans ce mode l'inductance rend son énergie stockée, elle se comporte comme une source continue pour fournir le courant de charge à la batterie. Donc, le courant traverse l'inductance jusqu'à ce qu'elle ait redonnée toute son énergie au circuit extérieur (mode discontinue), ou jusqu'à ce que l'interrupteur se ferme de nouveau (mode continu).

Fig. (3.4) : Circuit équivalent du deuxième mode de fonctionnement Pendant l'intervalle : T_ON <t < T

di

L = - (3-9)

^L V

OUT

dt

36

- V i t + L t I ( ) L out = L

,

max

(3-10)

Quand t ? T_OFF , le courant à travers l'inductance diminue linéairement de sa valeur maximale à sa valeur minimale :

- V

I- +

L D T I

,min (1 ) L ,max

= (3-11)

out

L

Donc :

I out

V

? L =(1 - ) (3-12)

D T

(3-13)

L

A partir des deux équations (3-8) et (3-12) on aura :

V in V out out

- V

. = -

D (1 )

D T

L f L

Ce qui implique :

Vout = DV in (3-14)

L'équation (3-13) montre la possibilité de contrôler la tension de sortie moyenne V_out en jouant sur le rapport cyclique D.

3.4 Détermination de L, C

La forme du courant à travers l'inductance est illustrée par la figure (3.5) :

Fig. (3.5) : courant à travers l'inductance

Selon la figure (3.5), la conduction continu est limitée par IL, min=0, donc :

?I_L =2I₀ (3-15)

Substituant dans (3-8), on trouve :

)

f

2

I₀

V D D

(1 -

L in

=

lim it

(3-16)

Alors, le convertisseur fonctionne toujours dans le mode de conduction continue si :

L > L lim it (3-17)

L'ondulation du courant ?I_L est maximale pour D = 0.5 :

37

V

? , = (3-18)

in

I L MAX fL

4 MAX

L in V = MAX 8 0 I f Pour réduire cette ondulation, il faut que L soit plus grande que LMAX:

(3-19)

L V in > 8I0f Où :

(3-20)

Llimit : est la valeur de L à la limite de la conduction continue.
?IL , MAX : correspond à l'ondulation du courant pour D = 0.5

LMAX : correspond à la valeur de l'inductance pour D = 0.5 A partir de la figure (3.2) on a :

I_C = I_L - I_O

Donc, la capacité se charge pour I_L > I _O et se décharge pour I_L < I _O figure (3.6) :

Fig. (3.6) : charge et décharge du condensateur

La valeur moyenne du courant à travers le condensateur est nulle, alors sa forme illustrée dans la figure (3.7) peut nous aider à déterminer? V₀

Fig. (3.7) : le courant à travers le condensateur

? I D D

(1 ) - C V L I = = , max in 2 2fL

(3-21)

Chaque section de charge ou de décharge qui dure 2

T représente la variation de la

charge ?Q figure (3.7):

38

1 ? I T 1 ? = Q L L = ? I 222 8

T (3-22)

? 0 = (3-23)

V ? Q

C

I

? = = 2 0

1 V

V L

? - D (3-24)

⁰ 8 fC 8 .

LC f

? (3-25)

V -

1 D

0 =

V 2

8 .

L Cf

0

3.5. Technique de commande PWM

PWM signifie «Pulse Width Modulation», ce qu'on pourrait traduire par modulation en largeur d'impulsion, c'est une technique de commande par un signal rectangulaire d'une fréquence (période) constante et d'un rapport cyclique variable. [21]

Le rapport cyclique est défini comme étant le temps T_ON pendant lequel l'interrupteur

est fermé divisé par la période de fonctionnement T, soit :

D ON

T

=. (3-26)

T

On définit également le temps pendant lequel l'interrupteur est ouvert par :

TOFF=T-TON (3-27)

Où :

TON : durée de l'état haut (temps de fermeture) TOFF : Durée de l'état bas, (temps d'ouverture) T : Durée d'un cycle (période)

D : Le rapport cyclique « duty-cycle »

En binaire, le rapport cyclique d'un signal à fréquence fixe peut être défini comme étant le rapport entre le temps où il se trouve à l'état «1» et le temps total du cycle.

Donc, il y a deux paramètres qui définissent un signal « PWM » :

· Le temps d'un cycle.

· Le rapport cyclique.

a) Signal PWM avec un rapport cyclique de 50%

39

b)

Signal PWM avec un rapport cyclique de 10%.

c) Signal P WM avec un rapport cyclique de 90%.

3.6 Qu'est ce qu'un Microcontrôleur

Le microcontrôleur est un composant électronique doté:

· D'une mémoire RAM.

· D'une mémoire permanente.

· Des interfaces d'E/S parallèles, série (RS232, I2C ...).

· Des interfaces d'E/S analogique.

· Des Timers pour gérer le temps.

· D'autres module plus au moins sophistiqués selon la taille des uC.

Il est généralement moins puissant qu'un microprocesseur en terme de rapidité ou de taille mémoire, il se contente le plus souvent d'un bus de huit ou seize bits. On le programme afin qu'il effectue une ou plusieurs tâches au sein d'un appareil électronique. Les microcontrôleurs sont bien adaptés pour piloter plusieurs applications dans de nombreux domaines : [22], [23], [24].

> Informatique (souris, modem ...).

> Vidéo (Appareil photos numérique, caméra numérique ...).

> Contrôle des processus industriels (régulation, pilotage).

> Appareil de mesure (affichage, calcul statistique, mémorisation). > Automobile (ABS, injection, GPS, airbag).

> Multimédia (téléviseur, carte audio, carte vidéo, MP3, magnétoscope). > Téléphones (fax, portable, modem).

> Electroménager (lave-vaisselle, lave-linge, four micro-onde).

40

Plusieurs Constructeurs partagent le marché des microcontrôleurs, parmi lesquels on cite : INTEL, MOTOROLA, AMTEL, ZILOG, PHILIPS et enfin MICROCHIP avec ses PICs très populaires.

Les microcontrôleurs, quelque soit leurs constructeurs, ont des architecture très similaires et sont constitués de modules fondamentaux assurant les mêmes fonctions.

On peut dire que seul le langage de programmation constitue la différence majeure entre deux microcontrôleurs similaires venant de deux constructeurs différents. On note que les microcontrôleurs récents peuvent être reprogrammés grâce à leur mémoire permanente de type `Flash'. [22], [23], [24].

3.6.1 Description générale d'un PIC

Le PIC est un circuit de petite taille, en le regardant pour la première fois, il fait davantage penser à un banal circuit intégré logique TTL ou MOS, plutôt qu'à un microcontrôleur.

La dénomination PIC (Programmable Interface Controler) est sous copyright de la société américaine « Arizona Microchip Technology », les autres fabricants sont dans l'impossibilité d'utiliser ce terme, on les trouve dans trois grandes familles:

> La famille Base-Line : qui utilise des mots d'instructions de 12 bits.

> La famille Mid-Range : qui utilise des mots de 14 bits

> La famille High-End, qui utilise des mots de 16 bits.

Nous nous limiterons dans notre travail à la famille Mid-Range et particulièrement au PIC16F877 qu'on le trouve en boîtier DIP (Dual In Line) de 2x20 broches. Les deux premiers chiffres `16' indiquent la famille du PIC « Mid-Range », la lettre «F», indique le type de la mémoire programme « Flash ».

En dépit de sa petite taille, il est caractérisé par une architecture interne de type RISC (Reduce Instructions Construction Set), c'est à dire composant à jeu d'instructions réduit, qui lui confère souplesse et vitesse incomparable, il stocke chaque instruction dans un seul mot de programme et il la exécute en un cycle, sauf les sauts qui seront exécutés en deux cycles. [22], [23], [24], [25].

41

Fig. (3.8): Structure interne du PIC16F877

On remarque la présence :

> D'une capacité de mémoire programme (Flash) de 8k, cette capacité redonne un souffle à certain programme atteignant le seuil de 1k.

> D'une mémoire RAM répartie sur 4 banques de 368 bytes, ce qui permet l'utilisation de plus de variables dans un programme.

> La mémoire EEPROM est également augmentée pour atteindre 256 bytes.

42

> Cinq ports d'entrée/sortie, A (6 bits), B (8 bits), C (8 bits), D (8 bits), E (3 bits) ;à chaque port, correspondent deux registres :

1. Un registre direction pour programmer les lignes soit en entrée, soit en sortie : TRISA, TRISB, TRISC, TRISD et TRISE

2. Un registre de données pour lire ou modifier l'état des broches : PORTA, PORTB, PORTC, PORTD et PORTE

> De trois timers avec leurs prédiviseur « préscaler » : TIMER0, TIMER1, TIMER2.

> À côté de ces timers on remarque la présence du convertisseur analogique/ numérique à 8 canaux d'une résolution de 10 bits.

> D'un USART, Port série universel, mode asynchrone (RS232) et mode synchrone. > D'un SSP, Port série synchrone supportant I2C

> De deux modules CCP1 et CCP2 « comparaison, Capture et PWM »

> D'un chien de garde,

> De 13 sources d'interruption,

> D'un générateur d'horloge à quartz (jusqu' à 20 MHz) ou à Oscillateur RC.

> D'une protection de code,

> D'un fonctionnement en mode sleep pour réduction de la consommation,

> D'une programmation par mode ICSP (In Circuit Serial Programming) 12V ou 5V, > D'une possibilité aux applications utilisateur d'accéder à la mémoire programme,

> D'une tension de fonctionnement de 2 à 5V.

> D'un jeux d'instructions de 35.

3.6.2 Brochage du PIC16F877

La figure (3-9) illustre la configuration minimale pour faire fonctionner le PIC16F877, elle est constituée d' : [22]

· Un support 40 broches.

· Une alimentation de 5 Volts.

· Un Quartz 20 Mhz avec deux condensateurs non polarisés 22 pF

· Un bouton poussoir et une résistance, pour la mise en place d'une commande de Reset.

· A ceci viendront s'ajouter les différents composants nécessaires à la réalisation des différentes applications.

43

Fig. (3.9): Brochage du PIC 16F877

3.7 Convertisseur analogique/numérique 122], 123], 124].

Pour son fonctionnement, le convertisseur analogique/numérique n'a besoin que de la tension d'entrée analogique Va et des deux tensions de référence, les PICs considèrent par défaut que les valeurs minimale et maximale correspondent respectivement aux tensions d'alimentation Vss, et Vdd. Le nombre numérique résultant sera de dix bits.

Le PIC16f877 dispose de 8 canaux d'entrée analogique/numérique (AN0, AN1, AN2, AN3, AN4, AN5, AN6, AN7). Les canaux AN0 à AN4 sont les dénominations analogiques des broches RA0 à RA3 et RA5, tandis que les canaux AN5 à AN7 sont les dénominations analogiques des broches RE0 à RE2.

Les entrées analogiques sont configurées en entrée à l'aide des registres : TRISA et/ou TRISE. Le canal à numériser dépend de l'initialisation du registre ADCON0, tandis que sa configuration dépend des bits du registre ADCON1, le résultat de conversion est recopié dans les deux registres ADRESH et ADRESL figure (3.10).

44

Fig. (3.10): convertisseur analogique/numérique

a) Le registre ADCON0

Ce registre contient les bits que nous allons manipuler lors de la conversion.

Bit 7-6: ADCS1 :ADCS0:(A/D Conversion Clock Select bits.): Choix de l'horloge de conversion:

00 = FOSC/2. 10 = FOSC/32.

01 = FOSC/8. 11 = FRC (oscillateur RC).

Bit 5-3: CHS2:CHS0: choix de l'entrée analogique

000 = Channel 0, (RA0/AN0) 100 = Channel 4, (RA5/AN4)

001 = channel 1, (RA1/AN1) 101 = channel 5, (RE0/AN5)

010 = channel 2, (RA2/AN2) 110 = channel 6, (RE1/AN6)

011 = channel 3, (RA3/AN3) 111 = channel 7, (RE2/AN7)

Bit 2: GO/DONE: la conversion démarre quand on place ce bit à «1»; à la fin de la conversion, il se remis automatiquement à zéro.

Bit1: Inutilisé : lu comme «0»

45

Bit 0 : ADON : Ce bit permet la mise en service du convertisseur A/D ON. Apres le choix de l'entrée numérique, le positionnement de ce bit permet de démarrer la charge du condensateur interne, et donc détermine le début du temps d'acquisition.

b) Le registre ADCON1

Le registre ADCON1 se constitue comme tout registre de 8 bits, dont seulement 5 sont utilisés :

Il permet la configuration des broches, soit comme entrée analogique, soit comme entrée/sortie standard, soit comme tension de référence, il permet également de choisir la justification du résultat.

Bit 7: ADFM : A/D `result ForMat select', ce bit détermine la justification du résultat de la conversion soit à droite (bit7 = 1) soit à gauche (bit7 = 0).

Bit6 - Bit 4: Inutilisé : lu comme «0»

Bit 3- Bit 0: PCFG3-PCFG0: Ces quatre bits configurent le PORTA et le PORTE selon le tableau ci-dessous :

PCFG3:PCFG0	RE2	RE1	RE0	RA5	RA3	RA2	RA1	RA0	VREF+	VREF-	A/R/D
0000	A	A	A	A	A	A	A	A	VDD	VSS	8/0/0
0001	A	A	A	A	VREF+	A	A	A	RA3	VSS	7/1/0
0010	D	D	D	A	A	A	A	A	VDD	VSS	5/0/3
0011	D	D	D	A	VREF+	A	A	A	RA3	VSS	4/1/3
0100	D	D	D	D	A	D	A	A	VDD	VSS	3/0/5
0101	D	D	D	D	VREF+	D	A	A	RA3	VSS	2/1/5
011x	D	D	D	D	D	D	D	D	VDD	VSS	0/0/8
1000	A	A	A	A	VREF+	VREF-	A	A	RA3	RA2	6/2/0
1001	D	D	A	A	A	A	A	A	VDD	VSS	6/0/2
1010	D	D	A	A	VREF+	A	A	A	RA3	VSS	5/1/2
1011	D	D	A	A	VREF+	VREF-	A	A	RA3	RA2	4/2/2
1100	D	D	D	A	VREF+	VREF-	A	A	RA3	RA2	3/2/3
1101	D	D	D	D	VREF+	VREF-	A	A	RA3	RA2	2/2/4
1110	D	D	D	D	D	D	D	A	VDD	VSS	1/0/7
1111	D	D	D	D	VREF+	VREF-	D	A	RA3	RA2	1/2/5

Tableau 3.2: Configuration des broches liées au convertisseur analogique/numérique.

46

c) Les registres ADRESL et ADRESH

Le convertisseur A/D donne un résultat sur dix bits, qui doit être obligatoirement sauvegarder dans deux registres, ces registres sont tout simplement les registres ADRESL et ADRESH.

Comme deux registres contiennent 16 bits, et que nous utilisons que 10 bits, Microchip nous a laissé le choix sur la façon dont est sauvegardé le résultat, nous pouvons soit justifier le résultat à gauche, soit à droite.

La justification à droite complète la partie gauche du résultat par des «0» ; le résultat sera donc de la forme:

La justification à gauche complète la partie droite du résultat par des «0» ; le résultat sera donc de la forme:

3.8 Séquence de numérisation

Le PIC dispose d'un échantillonneur bloqueur intégré constitué d'un commutateur S et d'un condensateur de maintien C de 120pF figure (3-1 1). En premier temps, il connecte la broche sur laquelle se trouve la tension à numériser au condensateur qui va se charger via une résistance interne jusqu'à la tension appliquée; à ce moment la broche est déconnecté du condensateur qui sera ensuite connecté au convertisseur analogique /numérique.

Fig. (3.11): modèle d'une entrée analogique

Pendant le temps de conversion, le commutateur S est maintenu ouvert, la capacité bloque Ve à une valeur constante. A la fin de la conversion, `S' se ferme, la tension Ve rejoint la tension analogique d'entrée Va au bout d'un temps d'acquisition qui dépend de la constante de temps RC, R étant la somme des résistances : Ric (résistance d'interconnexion), Rss (sampling switch resistor) et Rs (résistance de la source de tension Va) [23].

47

La valeur de Rs ne doit pas dépasser 10 k?, la valeur Ric est = 1 k?, la valeur de Rss dépend de la tension d'alimentation, elle est de l'ordre de 7k? pour _Vdd =5V et de 5 k? pour Vdd = 6V

a) Le temps d'acquisition

C'est le temps nécessaire pour que le condensateur interne atteigne une tension proche de la tension à convertir incrémenté par le temps de réaction des circuits internes, et un temps qui dépend de la température [22]:

Tacq = Tamp + T_c + Tcoff (3-28)

T_c = C. (Ric + Rss + Rs) In (2047) (3-29)

Le temps minimal d'acquisition est obtenu

Tc =120 (1 + 7 + 10) In (2047) = 16.47us (3-30)

Tcoff = [(TP - 25° C) (0.05fLs/°C)]. (3-3 1)

Tacq =2fLs + 16.47fLs + [(50° C -25° C) (0. 05fLs/°C)] = 19.72 fLs.

Où:

Tacq : Temps d'acquisition total.

Tamp : Temps de réaction des circuits typiquement de 2us.

T_c : Temps de charge du condensateur.

Tcoff : Temps qui dépend de la température du pic, ce coefficient est typiquement de 0,05 us /°C.

TP : Température processeur

b) Le temps de conversion

Une fois la tension du condensateur atteint la valeur de la tension à numériser le convertisseur procède à la conversion, le temps nécessaire à cette conversion est égal au temps nécessaire à la conversion d'un bit multiplié par le nombre des bits.

La conversion d'un bit nécessite un temps _`Tad' tel que:

Tad = TOSC.* prédiviseur (3-32)

Pour une conversion A/D correct, le temps _Tad doit être ajusté pour q'il soit au minimum 1,6us .Puisque le PIC16F877 est cadencé à 20Mhz, on peut choisir le

prédiviseur de 32 :

Tad =50*32=1,6us

48

Avant le démarrage effectif de la conversion, le PIC nécessite un temps « Tad » au début et à
la fin de la conversion. Donc, le temps total de conversion est _12Tad soit dans le meilleur des

cas :

12 * 1,6us = 19,2 us (3-33)

On note aussi qu'un temps équivalent à 2Tad est nécessaire avant de pouvoir effectuer une nouvelle conversion.

En résumé :

· La charge du condensateur interne nécessite le temps Tacq

· La conversion nécessite le temps 1 2Tad.

· On doit attendre _2Tad avant de pouvoir recommencer une autre conversion.

L'opération de conversion s'effectue comme suit:

1. Configuration du registre ADCON1.

2. Paramétrage sur le registre ADCON0 le prédiviseur à utiliser.

3. Choix du canal en cours de numérisation sur le registre ADCON0.

4. Positionnement du bit ADON du registre ADCON0

5. L'Attente du temps Tacq (typiquement 19,7us sous 5V)

6. Démarrage de la conversion en positionnant le bit GO du registre ADCON0 à «1»

7. L'Attente de la fin de la conversion.

8. Lecture des registres ADRESH et ADRESL.

9. L'Attente d'un temps équivalent à 2 _Tad (typiquement 3,2us)

10. Recommencement du point 3.

Pour une tension qui varie entre 0 et 5V; le PIC peut lire 1024 valeurs de 0 à 1023:

V_A

=

* 1023

5

V_N

(3-34)

*

V_N

5

V_A

1023

Où :

VN : valeur numérique.
VA : valeur analogique.

49

3.9 Le module CCP

Le PIC16F877 dispose de deux modules CCP1 et CCP2 (Capture, Compare, PWM).Ces deux modules sont fortement liés aux timers 1 et timers2, et au convertisseur analogique/numérique, ils sont strictement identiques, excepté la possibilité, pour le module CCP2, de démarrer automatiquement la conversion A/D.

Ces deux modules CCP sont capables de générer un signal PWM d'une période T qui détermine la fréquence (fixe) et d'un rapport cyclique variable. [22], [23], [24].

Concernant le rapport cyclique, les PICs influencent plutôt sur un autre paramètre, qui est le temps _TON. Les deux valeurs utilisées dans l'édition du programme seront donc T et TON.

3.9.1 Configuration du PIC16F877 en mode PWM

La configuration du PIC en mode PWM nécessite l'initialisation des registres suivants:

TRISC, PR2, CCP1 CON (CCP2CON), CCPR1L (CCPR2L) et T2CON. [22], [23], [24].

a) Le registre TRISC

Ce registre doit être initialisé en mettant les bits : 1 et 2 à zéro pour que RC1 et R seront identifiés comme des sorties.

b) Les registres CCP1 CON et CCP2CON

CCP1 CON et CCP2CON concernent respectivement les modules CCP1 et CCP2, Ces deux registres déterminent le mode de fonctionnement du module CCP.

CCPxCON

Bit 7- Bit 6 : Inutilisé : Lu comme « 0 »

Bit 5: CCPxX: Capture Compare and Pwm x bit X

Bit 4: CCPxY: Capture Compare and Pwm x bit Y

Bit 3: CCPxM3: Capture Compare and Pwm x Mode select bit 3

Bit 2: CCPxM2: Capture Compare and Pwm x Mode select bit 2

Bit 1: CCPxM 1: Capture Compare and Pwm x Mode select bit 1

Bit 0: CCPxM0: Capture Compare and Pwm x Mode select bit 0

Les bits (5 et 4) sont les deux bits de poids faible (LSbs) qui complètent le nombre de dix bits utilisé pour le mode de fonctionnement PWM. Les huit bits de poids fort (MSbs) se trouvent dans le registre CCPRxL.

50

Les bits CCPxM3 à CCPxM0 déterminent le mode de fonctionnement du module en question. , pour le configurer en mode « PWM », ces bits doivent prendre la valeur 1 1xx.

c) Le registre T2CON

Bits 0 et 1 :T2CKPS0 et T2CKPS1 déterminent le prédiviseur:

00 = Prédiviseur est 1 01 = Prédiviseur est 4 1x = Prédiviseur est 16 Bit 2:TMR2ON: Timer2 On bit

1 = Timer2 est on

0 = Timer2 est off

Bit 6-5-4-3 : TOUTPS3:TOUTPS0: Timer2 Output Postscaler

0000 = 1:1 Postscaler 0100 = 1:5 Postscaler

0001 = 1:2 Postscale
·

0010 = 1:3 Postscaler
·

0011 = 1:4 Postscaler 1111 = 1:16 Postscaler

Bit 7: lu comme '0'

d) Le registre PR2

PR2 (Timer2 Module 's Period Register) dépend du calcul de la période Tc selon la formule:

Tc= (PR2 + 1) * Tcy * prédiviseur (3-3 5)

Tcy = 4 * Tosc (3-36)

Tc = (PR2 + 1) * 4 * Tosc * prédiviseur

PR2 = (Tc / (prédiviseur * 4 * Tosc) - 1 (3-37)

PR2 =(10/(1*4*0.05)-1= 49

Où:

Tc : Période du signal PWM

Tcy : Durée d'un cycle d'instruction.

51

e) Le registre CCPRxL

Ce registre contient les huit bits de pois fort (MSBT) nécessaires pour le calcul du rapport cyclique D. Donc:

D = (CCPRxL:CCPxCON< 5:4>)
· TOSC
· prédiviseur (3-38)

Pour un rapport cyclique de 50%, (CCPRxL:CCPxCON<5:4>) est chargé par la valeur B'0001 100100'

3.9.2 Génération du signal de commande PWM par le PIC16F877

Le module CCP génère le signal PWM en association avec le Timer2 de la façon suivante : Si on suppose que le signal PWM vaut au début du comptage «0» :

· Le Timer2 est incrémenté par l'horloge interne Fosc/4. Quand il arrive à la valeur PR2, TMR2 passe à « 0 » et CCPx passe à « 1 ».

· Quand Timer2 arrive à la seconde valeur de consigne (TON), CCPx passe à «0».Au cycle suivant, le même processus se répète ,TMR2 arrive à la valeur PR2, CCPx passe à «1» et TMR2 à «0» etc.

On peut représenter la chronologie des événements entre le registre TMR2 du timer2 et le module CCPx sous forme d'un graphique, figure (3.12):

Fig. (3.12): Chronologie des événements du Timer2 et CCPX

En résumé pour configurer le module CCP en mode «PWM», nous devons donc procéder aux initialisations suivantes :

· Initialisation du registre PR2 en fonction du période Tc:

52

· Calcule de la valeur (CCPRxL:CCPxCON<5:4>) à partir de l'équation (3-3 8), on place les huit bits de 9 à 2 dans CCPRxL, et les deux bits de 1 à 0 dans les bits 5 et 4 du registre CCPxCON.

· Initialisation du registre TRISC (bit 1, 2 =0) pour placer la broche CCPx en sortie.

· Configuration du registre CCPxCON pour travailler en mode «PWM».

· Lancement du timer2 en programmant son prédiviseur.

La figure (3.13) montre le schéma bloc simplifié du module « PWM » :

Fig. (3-13) : schéma bloc simplifié du module « PWM »

3.10 Conclusion

Pour réguler le courant de charge délivré par le module photovoltaïque à l'état de charge de la batterie, l'interposition d'un système de commande représenté par la partie intelligente de contrôle (PIC16F877) et la partie de puissance (le convertisseur DC-DC) est nécessaire.

L'étude théorique que nous avons donné dans ce chapitre et les chapitres précédents, nous facilitera dans ce qui suit la réalisation de notre dispositif expérimental.

53

Chapitre IV

Programmation et

Réalisation

4.1 Introduction

Dans les chapitres précédents, nous avons développé les étapes nécessaires pour aboutir à notre objectif et faciliter la réalisation de notre dispositif électronique « régulateur solaire à base de microcontrôleur pour le contrôle de l'état de charge et la protection des accumulateurs ».

Les caractéristiques électriques du module photovoltaïque que nous avons utilisé ont été obtenue par la simulation numérique de son modèle dans l'environnement de « Matlab Simulink® », le dimensionnement des différents composants a été confirmé par la simulation de chaque bloc du montage par le logiciel « Multisim7 » et le déroulement du programme de contrôle chargé dans le PIC a été validé par sa simulation dans l'environnement de «MPLAB IDE».

4.2 Etapes de la réalisation

La réalisation de notre dispositif a connu cinq étapes:

> Première étape : définition du cahier de charge. C'est l'étape la plus difficile car elle consiste la recherche des informations bibliographiques et techniques à utiliser pour aboutir au objectif.

> Deuxième étape : choix et dimensionnement des composants électroniques allant avec le cahier de charge , d'abord par une simulation des différentes parties du montage par le logiciel « Multisim7 » pour fixer les valeurs des composants , puis par quelques tests préliminaires sur une plaque d'essai pour confirmer leur choix.

> Troisième étape : simulation de l'algorithme établi en temps réel sur le microcontrôleur dans l'environnement de « MPLAB IDE » puis programmation du PIC16F877 par le code hex obtenu après compilation du programme écrit.

> Quatrième étape : réalisation du montage complet, d'abord sur une plaque d'essai puis sur une plaque imprimée. Le masque du circuit imprimé est développé à l'aide du logiciel « Eagle 4.11 » et la procédure de sa gravure est réalisée dans le laboratoire d'électrotechnique.

> Cinquième étape : interprétation des résultats et suggestions.

4.3 Description générale du montage

Le dispositif réalisé est représenté par un schéma synoptique constitué de trois blocs de base, figure (4.1):

1. Bloc d'alimentation.

2. Bloc de puissance.

54

3. Bloc de commande.

Bloc de
commande

Bloc de
puissance

Bloc
d'alimentation

Fig. (4.1) Schéma synoptique du dispositif réalisé

4.3.1 Dimensionnement du bloc d'alimentation

Le fonctionnement de notre régulateur solaire exige une tension d'alimentation de 5V, pour cela on a réalisé une alimentation à base d'un régulateur de tension LM7805CT figure (4.2). La simplicité et le coût de ce type des régulateurs favorisent largement leur utilisation.

Fig. (4.2): Schéma électrique du circuit d'alimentation 5V.

Où :

IC3: Régulateur de tension linéaire LM7805CT.

C10: Condensateur de 10uF placé avant le régulateur.

C11: Condensateur de 1 uF placé après le régulateur.

4.3.2 Dimensionnement du bloc de puissance

Le bloc de puissance assure le transfert et la conversion de la puissance entre les deux cotés, source et charge grâce à un système de commande figure (4.3).Ce circuit permet de contrôler la tension de la batterie et varier le courant de charge.

Le dimensionnement de ce bloc de puissance dépend des contraintes imposées par le cahier de charge à savoir:

1. La source d'énergie fournissant un courant continu allant jusqu'à 3.05 et une tension à vide de 21.6V

2. Une fréquence de commutation de 100Khz.

3. Une tension continue de sortie allant jusqu'à 14.4V. 55

Fig. (4.3): Schéma électrique du bloc de puissance

Il est constitue principalement par :

1. Une source d'énergie constituée d'un seul module type TE500 qui utilise la technologie des cellules multi cristallines, série verre/Tedlar, les cellules solaires de taille : 102*1 02mm sont mesurées individuellement et triées électroniquement avant d'être interconnectées. Ce module est constitué de 36 cellules, avec un facteur de qualité de diode égal à 2 .Pour une température T1=25°C, la tension de circuit ouvert est égale à 21,6V et le courant de court-circuit est égal à 3,05A. A 60° C, ces caractéristiques deviennent 18.9V pour la tension en circuit ouvert et 3,08A pour le courant de court-circuit.

Performances à 1kW/m2, Température d'utilisation: -40 à +85 C. Vent 180 Km /h

Température de jonction	Tj	(C)	25	45	60
Tension nominale batterie	VN	(V)	12	12	12		Puissance max.
P max	(W)	47,5	43,4	40,2
Tension à puissance max.	Vm	(V)	17	15,44	14,27
Courant à puissance max.	Im	(A)	2,8	2,81	2,82
Courant de court-circuit	Isc	(A)	3,05	3,07	3,08
Tension de circuit ouvert	Vco	(V)	21,6	20	18,9

Tableau 4.1: Caractéristiques du module photovoltaïque utilisé

Grâce aux paramètres de ce module introduites dans un programme écrit en Matlab, on a pu simulé ses caractéristiques électriques « courant -tension » et « puissance -tension » (voir le premier chapitre).

2. Un convertisseur DC-DC constitue des éléments: Q2, D2, L1, C8

Où:

56

> Q2: Un transistor de puissance type NMOSFET «IRFZ44N », caractérisé par une tension maximale directe VDS MAX = 55V, une résistance à l'état passant RDS (ON) =17.5m?, et un courant direct maximal ID MAX = 49A. (annexe (f))

> D2: Une diode Schootky : « UF5408 », caractérisée par une tension inverse

maximale _VRRM de 1000V, et un courant direct maximal de 3A.

> L1: L'application de l'équation (3-1 8) développée dans le troisième chapitre

permet de choisir la valeur de l'inductance disponible : L1=33uH

> C8: l'application de l'équation (3- 25) permet de choisir un condensateur de capacité : C8=470uF.

> D1 : Diode anti-retour type « 1N5408 », caractérisée par une tension inverse maximale _VRRM de 1000V, et un courant direct maximal de 3A. Elle est insérée afin d'éviter la décharge de la batterie dans le panneau quand la tension de ce dernier tombe au-dessous de la tension de la batterie (périodes nocturnes).

On note aussi la présence de :

> C6 : un condensateur dont la capacité est 330uF, branché aux bornes du module pour filtrer la tension d'entrée de l'hacheur (diminuer les ondulations d'entrée).

> Q3 : Un transistor de puissance type NMOSFET: « IRFZ44N », caractérisé par une tension maximale directe VDS MAX = 55V, une résistance à l'état passant RDS (ON) =17.5m?, et un courant direct maximal ID MAX = 49A.

> R24=1K? .

3. Une batterie d'accumulateur solaire au plomb acide «Deep-Cycle », d'une tension nominale de 12V et d'une capacité de 100Ah

4. Une lampe au sodium basse pression (LPS) ,27W. Cette ampoule est une source de lumière ponctuelle, elle est plus efficace puisque la lumière rayonne à partir d'un point, cela veut dire qu'elle est plus intense et peut illuminer un volume plus profond contrairement à un autre type des lampes.

4.3.3 Dimensionnement du bloc de commande

Le cerveau de ce circuit est le circuit intégré IC1 qui est le PIC1 6F877 mené d'un oscillateur à quartz Q1 de fréquence 20Mhz, sa configuration est illustrée par la figure (4.4):

· La tension _Vbat est mesurée à travers la broche RA1 configurée en entrée A/N, pour

cela, on a utilisé un diviseur de tension constitué des résistances R15, R16 et

R25 figure (4.5):

25 ¹⁶ V

+ R

bat

R 15

(4-1)

Va = R

R16

+ +

R 25

57

La valeur mesurée sera ensuite convertie en une valeur numérique V_n à travers un convertisseur analogique/numérique « A/D converter ».

Où :

R15 = 4.7K?.

R16 = R25 = 660 ? .

Fig. (4.4): Schéma électrique du bloc de commande.

Fig. (4.5) : Mesure de la tension de la batterie à travers la broche RA1 du pic16F877

Le contrôle de la tension de la batterie est visualisé par une série de cinq LEDs dont la

couleur est choisie pour faciliter l'interprétation du fonctionnement de notre maquette :

58

> LED1 : « jaune », quand elle est allumée, elle indique la bonne configuration et le bon fonctionnement du pic. Elle ne s'éteint que lorsque la led5 s'éteint.

> LED2 : « orange », quand elle est allumée, elle indique que la tension de la batterie est supérieure à _VLVD et le processus de charge est dans le premier mode charge : «Bulk charge».

> LED3 : « rouge », quand elle est allumée, elle indique que la tension de la batterie atteint la valeur VR et le processus de charge est dans le deuxième mode de charge : «Absorpt charge».

> LED4 : « verte », quand elle est allumée, elle indique que la tension de la batterie atteint la valeur _Vfloat et le processus de charge est dans le troisième mode de charge : «Float charge».

> LED5 : visualise l'état de la broche RB0, si elle est allumée, elle indique que notre module est suffisamment éclairé. Dans le cas contraire, elle s'éteint

Le tableau (4.2) résume l'état de chaque LED dans chaque mode de fonctionnement :

Etat des LEDs Mode de fonctionnement	LED1 (RB1)	LED2 (RB2)	LED3 (RB3)	LED4 (RB4)	LED5 (RB0)
Ich=0A	1	0	0	0	1
Vbat<10.8V (batterie déchargée)	1	1	1	1	1
Bulk charge	1	1	0	0	1
Absorpt charge	1	0	1	0	1
Floot charge	1	0	0	1	1
Décharge de la batterie	0	1	1	1	0

Tableau (4.2) : état des cinq LEDs pendant le fonctionnement du système.

Où :

L'état «1» : LED allumée. L'état «0 » : LED éteinte.

· La broche MCLR /VPP permet le reset du PIC ainsi une commande manuelle « S1 » «bouton-poussoir» peut être également mise en place.

· La broche RB0 du PORTB est configurée en entrée pour détecter la période de fonctionnement du système (jour ou nuit): Ceci est accompli par un bloc capteur basé sur le circuit intégré LM339 figure (4.6) :

59

Fig. (4.6) : Bloc capteur basé sur le circuit intégré LM339.

Fig. (4.7) : Les différentes broches du circuit LM339

Donc, suivant la quantité de l'éclairement, RB0 peut prendre deux états:

1. Si la cellule est suffisamment éclairée, la résistance R19 « LDR » diminue, la broche RB0 sera à l'état «1» et le programme appel la subroutine de charge « jour ».

2. Si la cellule est insuffisamment éclairée, la résistance R1 9 augmente, la broche

RB0 sera à l'état « 0 » et le programme appel la subroutine de charge « nuit ».

· Le PIC mesure aussi le courant de charge à travers la broche RA2 configurée en entrée A/N. Pour cela on a utilisé un montage amplificateur basé sur l'amplificateur opérationnel LM358N d'un gain de 10 obtenu par les résistances : R6 et R9.

Figure (4.8) :

Av

R

10

10

9

=

R

=

6 1

60

Fig. (4.8) : Mesure du courant de charge à travers la broche RA2 du pic 16F877.

Fig. (4.9) : Les différentes broches du circuit LM358N

· On note aussi la présence d'un circuit de commande pour le Mosfet Q2 figure (4.10)

Fig. (4.10): Circuit de commande pour le Mosfet Q2.

Où :

R R K R R K R K

6 7 1 , 8 9 10 , 1 0 4. 7 .

= = ? = = ? = ?

R R R K R K R

20 21 18 10 , 22 100 , 23 330 .

= = = ? = ? = ?

61

R1 1 = 0. 1 ? (Résistance Shunt).

C C C uF C C pF

3 4 5 0 . 1 , 1 2 22

= = = = = , C12 = C16 = 0.1uf

R1 = R2 = R3 = R4 = 1K?.

IC A LM , IC A LM N

4 = 339 2 = 358

S1 : Bouton poussoir.

T1 : transistor NPN BC548.

TR1:Transformateur élevateur.

D3 = D4= 1N4148.

R13 = R14 = 1k ? ,R12 = 10k?.

Le schéma récapitulatif qui englobe tous les blocs du dispositif à réaliser est illustré par la figure (4.28) à la fin du chapitre.

4.4 Présentation de l'organigramme

Pour faciliter la compréhension du programme, on a essayé de le décrire par un organigramme, car celui-ci possède l'avantage d'être compréhensible, il comporte trois sous organigrammes, dont chacun explique le déroulement de chaque phase de l'algorithme de charge à implémenter :

· Organigramme de charge « Float ».

· Organigramme de charge « Absorpt ».

· Organigramme de charge « Stage ».

L'organigramme fonctionnel principal de notre régulateur est présenté par la figure (4-12) : Chaque action est symbolisée par un rectangle, et chaque choix est symbolisé par un losange. Avec une fréquence de 20MHz, un cycle machine dure 0.2us , chaque instruction est

exécutée en un cycle sauf les sauts qui seront exécutés en deux cycles.

62

Début

Déclaration des variables utilisées

Configuration des registres et initialisation des ports

Lire RB0

Oui Non

Jour=1

Mesure 'ch
Mesure Vbat

Mesure Vbat

Oui

Oui Vbat<10.8 Non

'ch=0

Non

Red Flash

Couper l'utilisation

Appel décharge

Non

Vbat<1 0.8

Non

Vbat<13.2

Oui

Oui

Vbat<14.4

Non

Aller à Red Fix

Aller au Bulk

Oui

Aller au Stage

Aller à Absorpt

Fig. (4.12): Organigramme du programme principal.

63

Début

Lire RB0 Mesure I ch Mesure V bat

Aller au Nuit

Jour=1

Vbat<13.2

Oui

Appel duty plus

Appel duty moins

Appel tempo

Appel tempo

Aller au Float

Oui

Non

Non

Fig. (4.13): Organigramme de la phase de charge « Float ».

64

Début

Lire RB0 Mesure Ich Mesure Vbat

Aller au Nuit

Jour=1

Oui

Non

Ich<Ioct

Oui

Non

Aller au Float

Vbat<14.4

Oui

Appel Duty plus Appel Duty moins

Appel Tempo Appel Tempo

Aller à Absorpt

Non

Fig. (4.14) : Organigramme de la phase de charge « Absorpt ».

65

Début

Non

Absorpts=1

Aller au Bulk

Oui

Oui

Aller au Float

I< Ioct

Aller à Absorpt

Non

Fig. (4.15) : Organigramme de la phase de charge « Stage ».

4.4.1 Choix du langage de programmation.

Notre programme est écrit en langage assembleur à l'aide d'un outil de développement complet fournit gratuitement par la société Microchip et Conçu spécifiquement aux microcontrôleurs PIC. Cet outil s'appelle « MPLAB IDE », qu'on peut le télécharger à partir du site Internet de Microchip :( www.microchip.com).

La programmation en langage assembleur requiert plus de rigueur et de minutie, il faut non seulement connaître le rôle de chaque instruction mais aussi l'architecture interne du microcontrôleur, les adresses des registres spéciaux, etc.

«MPLAB IDE» offre beaucoup de flexibilités aux développeurs, notamment grâce aux nombreuses fenêtres pouvant être ouvertes à tout moment lors d'une mise au point, et qui permettant de voir le contenu de n'importe quel registre. Il permet l'écriture d'un programme, de l'assembler de le simuler avant de le transférer vers la mémoire flash du PIC.

Pour pouvoir aboutir à un programme, «MPLAB IDE» a besoin de naviguer entre plusieurs fichiers, pour cette raison, avant de tenter d'écrire un programme, on doit passer par les étapes suivantes :

· Première étape : création d'un projet d'extension .pjt, cela revient à définir le nom du projet et les fichiers que «MPLAB IDE» devra utiliser au cours du développement : Régulateur solaire pwm. pjt. (nom de notre projet)

· Deuxième étape : édition du programme source qui sera sauvegardé comme un fichier source d'extension .asm. : Régulateur solaire pwm. asm.

66

· Troisième étape : correction des erreurs, si le programme contient des erreurs, sa compilation n'aboutit pas .Dans ce cas, il faut impérativement revenir au fichier source d'extension .asm pour corriger les erreurs.

· Quatrième étape : compilation du programme c'est-à-dire la conversion du fichier source en fichier ayant le même nom, mais d'extension. hex, par exemple : Régulateur solaire pwm. hex. Le message «Build completed successfully», nous informe que la compilation est achevée avec succès.

· Cinquième étape : simulation du programme, qui est une sorte de vérification virtuelle permettant de voir à l'écran le contenu des registres lorsque les instructions sont exécutées.

4.4.2 Choix d'un programmateur du PIC

Pour programmer un microcontrôleur PIC, il faut un programmateur. Plusieurs kits sont disponibles sur le marché. Cependant, certains ne permettent de programmer qu'une catégorie de PIC, il est donc important de choisir un programmateur qui doit reconnaître notre PIC16F877. [34]. Lors de l'élaboration de notre projet, nous avons utilisé le programmateur disponible dans le laboratoire « MPLAB^® PM3 Programmer». Figure (4.16).

a) : Vue d'arrière

b) : Vue de dessus.

Fig. (4.16) : Programmateur de PIC «MPLAB^® PM3 »

Ce programmateur possède une liaison série vers le micro-ordinateur, il permet de transférer facilement et rapidement le programme compilé en hex vers la mémoire

67

flash du pic, et cela par l'intermédiaire d'un module ICSPTM (In Circuit Serial ProgrammingTM) figure (4.17):

Fig. (4.17) : Transfert des données vers le microcontrôleur.

Le PIC 16F877 se programme en appliquant un signal d'horloge sur la broche RB6 et les informations binaires « le code hex » sur la broche RB7.

Fig. (4.18) : Schéma de principe de la programmation en ICSP

Pour programmer le PIC, il est nécessaire de faire passer la tension de la broche MCLR à une tension de 13V. Si cette broche est connectée à une circuiterie de Reset de type R-C, le

68

fonctionnement de ICSP est affecté par la capacité de charge, il est recommandé d'utiliser une résistance ou une diode de type Schootky afin d'isoler le circuit R-C du programmateur [24].

La broche RB6 (CLK) est liée au fil violet, la broche RB7 (DATA) est liée au fil orange. La broche Vpp est liée au fil jaune, la broche _VDD est liée au fil gris et la broche Vss est liée au fil noir.

4.5 Explication du programme

Le programme écrit débute par des directives d'assemblage par lesquelles on déclare le processeur utilisé et le fichier d'identification «fichier include » qui doit être inclut au début du programme pour faire reconnaître le PIC au compilateur , on trouve aussi la directive « CONFIG » dont la valeur est inscrite dans un registre spécial de 14 bits, situé en mémoire programme à l'adresse 0x2007, et ne plus être modifié au cours de l'exécution du programme ,cette directive détermine le fonctionnement de base du processeur :

LIST p=16F877 ; Définition de processeur

#include <p16F877.inc> ; fichier include

CONFIG _CP_OFF & _DEBUG_OFF & _WRT_ENABLE_OFF & _CPD_OFF & _LVP_OFF & _BODEN_OFF & _PWRTE_ON & _WDT_ON & _HS_OSC

Ensuite, on trouve une déclaration de l'adresse de départ après reset et l'adresse d'interruption :

org 0x000 ;Adresse de départ après reset

goto start ; Initialiser

org 0x004 ;adresse d'interruption

On trouve aussi une déclaration de toutes les variables utilisées.

Dans la zone d'initialisation, on configure les ports d'entrées/sorties, les registres dont on a besoin pour configurer notre PIC, puis on termine par l'algorithme de charge et de décharge de la batterie.

Le programme principal commence au premier lieu, par un test d'état de la broche RB0, figure (4-6) :

1. Si RB0 = 0 cela indique que le module est insuffisamment éclairé, le programme appel le sous programme « nuit » où il exécute le processus de « décharge ». Dans ce cas, le PIC mesure la tension de la batterie _Vbat puis, il la compare à la tension VLVD :

> Vbat = V LVD La décharge de la batterie est permise.

> V bat = V LVD La décharge de la batterie n'est pas permise (Red Fix).

69

2. Si RB0 = 1 Le module est éclairé, le programme appel le sous programme «jour» où il exécute le processus de « charge ». Dans ce cas, le PIC mesure le courant de charge '_ch à travers la broche RA2 figure (4-8) :

> '_ch =0 cela indique une déconnexion du panneau (Red Flash), ce qui

nécessite une intervention externe.

> '_ch ? 0 le PIC mesure la tension de la batterie V_bat à travers la broche RA1,

puis il la compare aux tensions seuil : VLVD, VR, V _float. afin de générer le signal de commande PWM nécessaire pour chaque mode de charge.

4.6 Réalisation du dispositif expérimental

La réalisation de notre régulateur solaire a eu lieu aux laboratoires d'électrotechnique d'Oum- El bouaghi. Ce régulateur est constitué d'un convertisseur DC-DC et d'un bloc de commande à base d'un PIC16F877 tel qu'ils sont représentés sur la figure (4.19), et la figure (4.20) :

Fig. (4.19) : Réalisation pratique du dispositif sur la plaque d'essai.

70

VERS LE MODULE PV

DIODE DE ROUE LIBRE

DIODE ANTI ROUTOUR

LM358N

Quart

IRFZ44

PIC 1 6F877

TRANSFORMATEUR

CONNECTEUR

(L,

LM7805CT

LDR

Radiateurs

LM339

VERS LA BATTERIE

VERS LA LAMPE

Fig. (4.20) : Réalisation pratique du dispositif sur la plaque imprimée.

4.7 Analyse des résultats

Le fonctionnement du régulateur réalisé est géré par le code hex injecté dans la mémoire « flash » du PIC 16F877, ce code est obtenu après compilation du programme source dans l'environnement de MPLAB IDE figures : fig. (4.2 1), fig. (4.22) :

Le code hex

Fig. (4.2 1) : Le fonctionnement du système complet (charge de la batterie)

71

Fig. (4.22) : Le fonctionnement du système complet (l'allumage de la lampe).

Les figures : Fig. (4-23), Fig. (4-24), Fig. (4-25), Fig. (4-26) montrent le signal à la sortie de la broche R du PIC16F877, c'est un signal PWM d'amplitude 5V, d'une fréquence fixe de 100Khz et d'un rapport cyclique variable suivant l'état de la batterie D = 80% , D = 70% , D =10%, D = 2% ce signal attaque l'entrée du driver des Mosfets (figure (4-10)).

Fig. (4-23) : Signal de sortie du PIC 16F877 avec D=80%, (2V/div., 5us/div.)

Fig. (4-24) : Signal de sortie du PIC16F877
avec D=70%, (2V/div., 5us/div.)

72

Fig. (4-25) : Signal de sortie du PIC16F877 avec D=10%, Fig. (4-26) : Signal de sortie du PIC16F877

(5V/div., 5us/div.) avec D=2%, (5V/div., 2us/div.)

La figure (4-27) montre les deux signaux de commande : le signal PWM et le signal de sortie du driver (figure (4-10)), d'une fréquence toujours fixe de 100KHz et d'une amplitude de 12V qui correspond très bien à la conduction du composant de puissance Q2.

Fig. (4.27) : Signal de commande du Mosfet Q2.
(5V/div., 2us/div.)

4.8 Conclusion

Dans le but de tester et vérifier notre travail, des tests ont été effectués, on a exposé les oscillogrammes des différents signaux de commande PWM générés par le PIC 16F877 et qui peuvent piloter l'ouverture et la fermeture d'un convertisseur DC-DC type « buck » .

On peut conclure que les résultats obtenus sont satisfaisants compte tenus des limitations du matériels et des moyens dont nous disposons.

73

Fig. (4.28) : Schéma du dispositif à réaliser

74

Nomenclature des composants

Résistances :

R = R = R = R = R = K ?

1 2 3 4 5 1 . , R R K R R K R K

6 7 1 , 8 9 10 , 1 0 4 . 7 .

= = ? = = ? = ?

R1 1 = 0.2 ? ,R12 = 10K?;R13 = R14 = 1K?,R15 = 4.7K?.,R16 = R25 = 660?. R K R LDR

17 1 , 1 9

= ? =

RR 20 =

21 18 10 , 22 100 , = = ? = ? R K R K

R R K 23 330 , 24 1 = ? = ?

Condensateurs :

C C C C C uF C C pF

3 4 5 7 9 C11 0 . 1 , 1 2 22

= = = = = = = =

C6 = 330 uF, C8=470 uF, C10=10 uF, C12 = C16 = 0.1uF

Inductance :

L1=33uH

Diodes

D1 = 1N5408, D2= UF5408, D3 = D4 = 1N4148

Transistors

T1 : Transistor NPN : BC548 MOsfets

Q2= Q3=IRFZ44N

Circuits intégrés

IC1 PIC1 6F877, 2 358 , IC3 LM7805CT, 4 339

= = = =

IC A LM N IC A LM

Divers :

Q1 : Quartz 2 0Mhz

S1 : Bouton poussoir

TR1: Transformateur élevateur

75

Conclusion Générale

Conclusion Générale

Le développement de la commande des systèmes par circuit programmables a occupé le domaine de la technologie moderne, ce qui nous a poussé à choisir les microcontrôleurs pic qui sont plus fiables, moins encombrants et peuvent être flashés facilement afin d'assurer plusieurs taches dans le système. Notre projet est défini à partir d'un cahier de charges établi par la wilaya d'oum El -Bouagui qui souhaite mener une recherche technologique sur l'utilisation de l'énergie solaire afin d'éclairer une route isolée.

L'objectif de ce modeste travail est une contribution pour développer l'utilisation de l'énergie photovoltaïque, notamment dans le domaine de l'éclairage publique qui nécessite l'utilisation des accumulateurs « Deep-Cycle » qui sont très chers et qui nécessitent un contrôle continu de leur état de charge. Le but envisagé via ce travail est de concevoir un régulateur solaire dont le but est de réguler l'état de charge d'une batterie au plomb acide dans un système photovoltaïque constitué d'un module photovoltaïque, d'un circuit d'adaptation constitue d'un convertisseur DC-DC type Buck, d'une batterie au plomb acide et d'une lampe au sodium basse pression.

On a commencé par une vue globale sur le potentiel solaire en Algérie pour mettre à jour nos connaissance sur le domaine du solaire , suivie par des notions de base concernant l'effet photovoltaïques, principe de fonctionnement des cellules photovoltaïques, modélisation, domaines d'utilisation et conception d'une installation photovoltaïque .Dans cet étape nous nous sommes intéressés à l'influence des différentes paramètres (éclairement, température) sur la caractéristique « courant-tension » du module photovoltaïque et leurs influences sur la conception d'une meilleur installation autonome qui répondra mieux à nos besoins en électricité . Ensuite nous avons exposé l'algorithme de charge à suivre, en partant par des définitions préliminaires des différents paramètres relatifs à la batterie en question, son principe de fonctionnement « charge et décharge », les deux méthodes de charge communément utilisées « charge à courant continu et charge à tension constante » pour arriver à la fin au choix de l'algorithme de charge à implémenter « three state charge algorithm » qui permet une meilleur exploitation de l'énergie photovoltaïque .

Apres, nous avons abordé la partie commande, où nous avons déterminé les éléments constitutifs du convertisseur DC-DC afin d'adapter le courant fournit par le panneau photovoltaïque à la batterie. D'abord on a basé sur les étapes à suivre pour configurer le PIC16F877 afin qu'il puisse générer les signaux PWM nécessaires pour piloter l'ouverture et la fermeture de l'élément de puissance « Mosfet » d'un convertisseur DC-DC type « Buck ».

La technique de commande « pulse width modulation » est basée sur l'algorithme de charge en trois stages qui permet de charger la batterie avec un courant initial assez élevé issu

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du panneau solaire et au fur et à mesure que la tension de charge s'approche de la tension de régulation VR, le courant de charge décroît en maintenant la tension de la batterie proche à une tension de maintien «Vfloat » sans la quitter.

Enfin, nous avons développé l'ensemble du dispositif expérimental, où nous avons décrit en détail chacune des pièces qui composent notre régulateur solaire.

D'après les résultats obtenus, on peut conclure que le régulateur envisagé est bien adapté pour le contrôle de l'état de charge de notre batterie, et la protéger contre toute charge et décharge excessive, en assurant une meilleure autonomie au système photovoltaïque et une longue vie à notre batterie en diminuant ainsi le coût du système.

On note que pendant l'élaboration de notre travail, nous avons rencontré plusieurs difficultés surtout dans la partie programmation en assembleur qui requiert plus de rigueur et d'attention et dans la partie réalisation à cause de la non disponibilité de quelques composants qui influencent largement sur le bon fonctionnement du système .

Cependant, on peut dire que notre travail nous a permet d'améliorer nos capacités pratiques, de même il nous a permet d'enrichir nos connaissance dans le domaine des circuits intégrés et des circuits programmables.

En conclusion, malgré l'insuffisance de moyens d'équipements, nous sommes satisfaits des résultats obtenus puisqu'ils répondent adéquatement aux objectifs fixés au départ. Nous sommes tout de même conscient que, comme dans tout projet, il y'aurait place à l'amélioration.

Nous estimons que se travail sera enrichi par plus de recherches et investigations notamment sur les point suivants:

1. Introduire dans le système un dispositif de poursuite du soleil dont le rôle est de garder constamment le rayonnement solaire perpendiculaire au panneau photovoltaïque. On note que le circuit LM339 comporte quatre comparateur dont on n'en a utilisé que un, les trois restants pouvant être utilisés pour comparer d'autres paramètres : température, variation du levé de soleil... .etc.

2. Elargir le rôle de notre dispositif pour qu'il puisse poursuivre le point de puissance maximale (MPPT) pour le système photovoltaïque et cela dans le but d'augmenter le rendement en puissance d'un module PV. Ceci peut être réalisé en profitant du deuxième Amp.Op du circuit LM358 pour mesurer le courant débité par le module PV

3. Optimiser l'utilisation des microcontrôleurs pic, en profitants de leurs caractéristiques (Ajouter au système un circuit d'interface)

4. Élargir l'utilisation de notre dispositif pour d'autre application (charges alternatives), en introduisant dans le système un onduleur « convertisseur DC/AC ».

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Bibliographie

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Annexe

Annexe

Circuit imprimé : Coté composants

Circuit imprimé : Coté liaisons

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What is MPLAB PM3?

The MPLAB PM3 is a Microchip microcontroller device programmer. Through interchangeable programming socket modules, MPLAB PM3 enables you, to quickly and easily program the entire line of Microchip microcontroller devices.

MPLAB PM3 may be used with MPLAB IDE running under supported Windows OS's (see "Readme for MPLAB PM3 . txt" file for support list) or as a stand-alone programmer.

What MPLAB PM3 Does

MPLAB PM3 can be set up on the serial (COM 1-4) or USB communications port on your PC. With MPLAB PM3 you can perform the following operations:

· Program memory, configuration bits, EEPROM data memory, ID locations and calibration data into devices.

· Program devices using ICSPTM (In-Circuit Serial ProgrammingTM) on the target board and user GO, PASS and FAIL signals to interface with the MPLAB PM3.

· Verify that microcontrollers are blank.

· Verify that code in the target microcontroller matches your firmware.

· Read code from an unprotected microcontroller into the MPLAB IDE's program memory window for debugging and programming into other devices.

· Program unique serialized ID numbers into your firmware using Serial Quick Turn Programming (SQTP^SM) files.

· Store environments on an MPLAB PM3 Card.

MPLAB PM3 System Components

The MPLAB PM3 device programmer system consists of the following:

· MPLAB PM3 device programmer

· Module sockets

· RS-232 Interface cable to connect to any standard PC serial port

· USB Interface cable to connect to any standard PC USB port

· ICSP cable

· Power supply

· MPLAB IDE software - an Integrated Development Environment including a text editor, project manager and simulator for debugging. Also included are the MPASM assembler, MPLINK object linker and MPLIB object librarian.

How MPLAB PM3 Helps You

With the MPLAB PM3 device programmer, you can program Microchip devices from a PC Host, or you can use the device programmer as a stand-alone unit.

· MPLAB PM3 is easy to use and flexible in programming Microchip devices and package types.

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· MPLAB PM3 will expand to support future Microchip devices always providing the latest programming algorithms to support Microchip PIC microcontroller devices and other Microchip parts, via the Microchip web site ( http://www.microchip.com).

· With an optional MPLAB PM3 Card inserted, you can store and transport device settings for programming.

Installing MPLAB PM3 Hardware

The MPLAB PM3 hardware is simple to set up:

· If you are using MPLAB IDE:

o Attach the communications cable.

o Connect the power supply to the MPLAB PM3.

o Install the socket module (or attach the ICSP cable).

· If you are using MPLAB PM3 in stand-alone: o Connect the power supply to the MPLAB PM3.

Installing the Communications Cable

MPLAB PM3 provides communications with the host PC via an RS-232 9-pin D type connector or a USB connector.

MPLAB PM3 is supplied with two 6-foot data cables: one with DB-9 connectors and one with USB connectors. All lines on the serial cable are wired straight through. The serial cable is NOT a null modem cable.

Installing a Socket Module or ICSP Cable

Socket modules are sold separately. The MPLAB PM3 comes with an 18-inch ICSP cable for ICSP programming.

Socket Module Installation

Socket modules are available to accommodate each device package. The Product Selector Guide (DS00 148) lists Microchip's devices, tools and socket modules. The Development System Ordering Guide (DS30 177) describes the available socket modules.

For MPLAB PM3 Socket Modules

1. Align the connectors on the socket module with the connectors on the MPLAB PM3.

2. Push the socket module down evenly mating the connectors.

It is always a good practice to insert a known blank device and do a blank check whenever the socket module is changed.

ICSP Cable Installation

1. Connect the ICSP cable connector to the ICSP socket on the MPLAB PM3.

2. Leave the individual leads unconnected at this time..

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Description

Type of power supply

Architecture

The input voltage is converted into a lower output voltage.

Buck Converter

The input voltage is converted into a higher output voltage.

Boost converter

The input voltage is converted into a negative voltage.

Buck-Boost converter

Several isolated output voltages, up to approx. 250 are possible.

Flyback converter

One electrically isolated voltage, up to approx. 100 Watts.

Single Transistor Forward converter

One electrically isolated voltage, up to approx. 1 KW.

Two-Transistor Forward converter

One electrically isolated voltage, up to few KW.

Half-Bridge Push-Pull Converter

One electrically isolated voltage, up to many KW.

Full-Bridge Push-Pull converter

Switch mode power supply for sinusoidal mains current.

Power Factor Pre- regulator (PFC)

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Réalisation d'un régulateur solaire à base de microcontrôleur pour le contrôle de l'état de charge et la
protection des accumulateurs

Résumé:

L'énergie solaire est une source d'énergie renouvelable, propre et qui a des perspectives. Le rapport coût-rendement est le problème qui freine l'essor de cette énergie.

Dans notre travail, nous nous sommes intéressés à mener une recherche technologique sur l'utilisation de l'énergie photovoltaïque afin d'éclairer un endroit isolé. En effet, nous avons réalisé un système photovoltaïque de type autonome constitué d'un module photovoltaïque, d'un régulateur solaire, d'une batterie d'accumulateur et une lampe au sodium basse pression.

Le rôle principal du régulateur solaire est le control continu de l'état de charge de la batterie afin d'assurer sa protection contre les surcharges et les décharges excessives ainsi que sa maintenance.

Ce système permet une commande fiable, peu coûteux et son programme informatique peut être reprogrammer et mis à jour sur site.

Le régulateur réalisé est basé sur la commande d'un convertisseur DC-DC par un signal rectangulaire « PWM » de haute fréquence généré par le microcontrôleur PIC 1 6F877.

Cette technique de commande hache le courant du module photovoltaïque en impulsions d'une fréquence fixe et d'une largeur d'impulsion variable afin de réguler le courant de charge suivant l'état de charge de la batterie d'accumulateur.

Mots-clés: énergie photovoltaïque, convertisseur DC-DC, PWM, PIC 16F877, batterie d'accumulateur " Cycle -Profond ".

Abstracts:

Solar energy is renewable source energy, clean and which has prospects. The cost-output ratio is the problem which slows down the development of this energy.

In our work, we were interested to develop a technological research on the use of photovoltaic energy in order to light an isolated place. Then, we have realized a stand alone photovoltaic system constitutes of a photovoltaic module, a solar regulator, storage battery and a lamp sodium low pressure.

The principal role of the solar regulator is to maintain the battery at the voltage regulation set point in order to ensure their protection from any overcharge or discharge excessive and their maintenance

This system allows a reliable control, inexpensive and its data-processing program can be to reprogram and updated on site

The realized regulator is based on the control of a DC-DC converter by the PIC 1 6F877 microcontroller which is able to generate a high frequency signal "PWM».

This technique breaks the array current into pulses at a constant frequency, and varies the width and time of the pulses to regulate the amount of charge flowing into the battery.