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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( Télécharger le fichier original )par Souade Zaamta Oum El Bougui - Magister en Electrotechnique 2008 |
2. Objectif du projetL'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 mémoireLe 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
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.
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.
Où : Iph (A): le photo -courant. I (A): le courant généré par la photopile. V (V) : la tension aux bornes de la cellule. Rs(?) : la résistance série. Rsh(?) : la résistance shunt. Is (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 Vco 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 Vco, de même que le courant fournit est inférieur pour cette même tension, au courant de court-circuit Icc .Donc, avec une résistance série Rs très faible et une résistance shunt Rsh 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 Imax 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 Vmax .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 Np 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. > 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 Vco ne varie que très peu en fonction de l'éclairement, contrairement au courant de court circuit Icc 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 Icc 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. 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 :(Rs =0.05? , 0.04?, 0.03?, 0.01 ?).
100 40 90 80 60 50 30 20 70 10 0 Rs=0.05 Rs =0. 04 Rs=0.03 Rs=0.01
0 10 20 30 0 10 20 30
Fig. (1.14.) : Influence de la résistance série Rs (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.
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.
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
Module PV Ib Batterie E, Rb Fig. (2.2) Connexion directe d'un panneau
photovoltaïque et d'une batterie 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 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. 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:
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:
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.
Tableau 2.1 : paramètres de la batterie
utilisée.
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. 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.
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)).
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 : Vco = 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]:
a) Signal PWM avec un rapport cyclique de 50% 39
3.6 Qu'est ce qu'un Microcontrôleur Le microcontrôleur est un composant électronique doté:
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 :
> 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]
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 :
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
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 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 :
L'opération de conversion s'effectue comme suit:
Pour une tension qui varie entre 0 et 5V; le PIC peut lire 1024 valeurs de 0 à 1023:
VA = * 1023 5 VN (3-34) * VN 5 VA 1023 Où : VN : valeur numérique. 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].
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>) 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» :
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
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):
54 3. Bloc de commande.
Bloc de Bloc de Bloc 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.
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:
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
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? .
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):
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 Vn 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 :
Tableau (4.2) : état des cinq LEDs pendant le fonctionnement du système. Où : L'état «1» : LED allumée. L'état «0 » : LED éteinte.
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:
RB0 sera à l'état « 0 » et le programme appel la subroutine de charge « nuit ».
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
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 :
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).
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 Vbat 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 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. 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 = ? =
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
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